Conectores e interfaces para la visualización de información en pantallas industriales

Hoy en día, las pantallas son parte integrante de los dispositivos electrónicos de muchos sectores: desde electrodomésticos a dispositivos de diagnóstico médico, pasando por paneles de operador (HMI) y complejos sistemas embebidos utilizados en la industria. Para que la imagen generada por el procesador o el controlador se muestre en la pantalla, es necesario utilizar una interfaz de comunicación adecuada para transmitir la señal. Sin una interfaz que funcione bien, la transmisión de datos de imagen digital no sería posible, por lo que elegir la interfaz adecuada es crucial para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo final.

Las interfaces y los conectores desempeñan un papel fundamental en el proceso de visualización de la información en las pantallas LCD-TFT utilizadas en equipos industriales, ya que su correcta selección determina la compatibilidad del equipo y la calidad y suavidad de la imagen. En este artículo analizamos las interfaces más utilizadas en las pantallas industriales. Hablaremos de sus aplicaciones, parámetros, ventajas e inconvenientes. El ranking de popularidad de las interfaces ha cambiado a lo largo de los años con la aparición de nuevas tecnologías y normas. Por ello, analizaremos la situación actual y las tendencias para el futuro. Se espera que la información contenida en el artículo permita elegir con conocimiento de causa la interfaz adecuada para aplicaciones específicas.

Interfaz frente a protocolo

Para empezar, conviene aclarar la diferencia entre una interfaz y un protocolo. El protocolo define las reglas de intercambio de información y codificación de datos, es decir, define las reglas sintácticas de la comunicación: cómo deben interpretarse los datos a ambos lados de la interfaz. La interfaz, por su parte, define el medio de transmisión: el tipo de conexión y el tipo de señales, es decir, la forma física en que se conectan los dispositivos y los medios de transmisión de datos. Una simple comparación portátil: un protocolo es un lenguaje, una interfaz es una voz.

Las interfaces se dividen en dos categorías: internas, utilizadas para la comunicación entre componentes dentro de un dispositivo (incluidas pantallas y paneles táctiles), y externas, utilizadas para conectar dispositivos separados (por ejemplo, un ordenador con un monitor). Las interfaces también pueden subdividirse en interfaces universales para el intercambio general de datos y las dedicadas estrictamente a la transferencia de información de imágenes digitales (interfaces de transferencia de imágenes). Estos últimos deben proporcionar un ancho de banda mucho mayor para permitir una actualización fluida de la imagen en movimiento.

Interfaces universales internas

Las interfaces universales internas incluyen. SPI, ^I2C, RS232 y UART. El nombre “universal” significa que pueden transmitir otros tipos de datos además de imágenes. Su ancho de banda suele ser insuficiente para la transmisión fluida de vídeo de alta definición a altas frecuencias de cuadro. Esto se debe a que la cantidad de información que hay que transmitir por unidad de tiempo para generar una imagen FHD o 4K fluida es muy elevada.

Por ejemplo, una pantalla de 10 pulgadas con una resolución de 1280 x 800 píxeles y una profundidad de color de 8 bits, refrescada a 60 Hz, requiere una transmisión de aproximadamente 250 millones de bits por segundo. Se trata de una transferencia de datos de 2 Gbps. Por su parte, las interfaces de comunicación universales suelen alcanzar velocidades del orden de kbps o Mbps.

Por este motivo, interfaces como SPI, ^I2C, RS232 o UART se utilizan más para pantallas sencillas de baja resolución en las que la cantidad de información a transmitir no es grande. También se utilizan en la comunicación con otros componentes, como memorias o circuitos de E/S. Tienen la ventaja de ser sencillas y de aplicación universal.

• SPI (Serial Peripheral Interface) es una interfaz serie basada en una arquitectura maestro-esclavo. Utiliza las líneas de datos MOSI y MISO, así como la línea de reloj y la línea de selección de dispositivo SS. La comunicación es sincrónica. SPI se caracteriza por velocidades de transmisión relativamente altas (hasta 37,5 Mbps), pero una resistencia limitada a las interferencias en frecuencias más altas. Se utiliza en pantallas pequeñas con una resolución de hasta aprox. 320×240 píxeles.
• I ² C (Inter-Integrated Circuit) es una interfaz de comunicación serie de dos líneas entre circuitos integrados. Utiliza la línea de datos SDA y la línea de reloj SCL. La comunicación tiene lugar en modo multimaestro (varios maestros pueden iniciar la transmisión). ^I2Cse caracteriza por su lentitud de transmisión y su susceptibilidad a las interferencias en distancias largas. Se utiliza, por ejemplo, en OLED sencillos o pantallas táctiles donde la cantidad de datos transferidos es pequeña.
• RS232 y UART son interfaces serie de diseño sencillo, que utilizan dos líneas de datos cada una. Se utiliza en dispositivos con pantallas de baja resolución debido a limitaciones de ancho de banda. Tienen la ventaja de la fiabilidad y la sencillez de aplicación.

Interfaces internas para la transmisión de imágenes

La misión de las interfaces dedicadas específicamente a la transmisión de imágenes es garantizar la transmisión rápida y fluida de las grandes cantidades de datos necesarias para el refresco de pantalla a alta frecuencia. Los más populares actualmente son RGB, LVDS, MIPI, Vx1 y eDP.

Se trata de interfaces diferenciales (salvo RGB), es decir, que utilizan la transmisión simétrica de señales a través de pares de hilos. Esto proporciona una gran resistencia a las interferencias, lo que se traduce en la capacidad de transmitir señales a largas distancias sin pérdida de calidad. Estas interfaces permiten velocidades de transferencia de cientos de MHz o incluso GHz, algo esencial para las pantallas de alta resolución con frecuencias de refresco superiores a 60 Hz. Se utilizan tanto en grandes pantallas industriales como en dispositivos de consumo.

• RGB (Red, Green, Blue), cuyo nombre proviene de los colores enviados en paralelo a la pantalla: rojo, verde y azul se basa en la transmisión paralela de datos mediante varios hilos, en la que cada línea de datos transmite información de intensidad de color RGB de un bit para un píxel. Por lo tanto, las variantes de 24 bits utilizan 24 hilos para cada píxel. En teoría, la interfaz podría ser rápida, pero debido a la falta de diferencial, la velocidad de transmisión se limita a 1,2 Gbit/s y, lo que es peor, la necesidad de más cables en la configuración aumenta la susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas. RGB suele funcionar con pantallas de diagonal pequeña -menos de 7 pulgadas-, ya que la escasa resolución de la imagen se convierte en una limitación.
• LVDS (Low Voltage Differential Signalling) es actualmente la interfaz más común para la transferencia de imágenes en pantallas LCD-TFT industriales. Su posición dominante se debe a su versatilidad de aplicación y a su rendimiento probado y estable a lo largo de los años. Los datos se transmiten en serie, diferencialmente (simétricamente) a través de pares de hilos, y la conversión tiene lugar en el receptor. Esto permite una transmisión rápida con inmunidad a las interferencias incluso a grandes distancias. La velocidad máxima de transferencia de datos para LVDS en una configuración punto a punto (con un transmisor y un receptor) es de aprox. 3,125 Gbps.
• MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) es una interfaz de última generación diseñada para dispositivos móviles en los que el bajo consumo es crucial. También aparece cada vez más en aplicaciones industriales (por ejemplo, en equipos de medición portátiles). Al igual que LVDS, utiliza pares de señales diferenciales. Se distingue por una comunicación bidireccional y un consumo de energía muy bajo. Esto lo hace adecuado para dispositivos móviles alimentados por batería. La velocidad máxima de transferencia de datos para MIPI es de aprox. 10 Gbps.
• Vx1 (V-by-One) es una interfaz de muy alta velocidad para pantallas de alta resolución, como 4K. Al igual que LVDS y MIPI, se basa en la transmisión diferencial de datos a través de pares de hilos. No requiere un par separado para la señal de reloj. Es una interfaz aún más robusta electromagnéticamente que LVDS. Se utiliza en televisores y monitores UHD de gran tamaño (3840×2160).
• El eDP (Embedded DisplayPort) es una interfaz cada vez más habitual en las pantallas industriales modernas. En términos de transmisión de datos, se asemeja a LVDS y se considera su sucesor. La velocidad máxima de transferencia de datos para eDP es de aprox. 20 Gbps. Adecuado para aplicaciones con matrices 4K y superiores. La interfaz eDP también es relativamente inmune a las interferencias electromagnéticas.

Comparación de los parámetros de interfaz

Para ilustrar mejor las diferencias en las capacidades de las distintas interfaces, a continuación se muestra una tabla de velocidades máximas de transmisión de datos:

Como puede verse, las interfaces diseñadas específicamente para la transferencia de imágenes permiten transferencias un orden de magnitud más rápidas que los buses de comunicación universales. Esto se traduce en la capacidad de trabajar sin problemas con alta resolución, profundidad de color y frecuencias de actualización rápidas.

Las nuevas tecnologías van sustituyendo poco a poco a las soluciones más antiguas. Por ejemplo, MIPI y eDP están sustituyendo poco a poco a LVDS, popular durante años, en los nuevos proyectos. El Vx1 se utiliza en monitores y televisores de gama alta. Existe una clara tendencia a aumentar la velocidad de transferencia para satisfacer la creciente demanda de calidad de imagen. Veamos ahora las interfaces situadas al final de la tabla, es decir, las de mayor caudal de datos.

Interfaces externas

Las interfaces externas se utilizan para la comunicación entre distintos dispositivos, como un ordenador y un monitor. Las normas más populares hoy en día son:

• USB-C permite la transmisión de vídeo y audio a alta velocidad. Una ventaja adicional es la capacidad de transmitir una potencia considerable, de hasta 100 W. Esto permite alimentar el monitor directamente desde el ordenador con un único cable USB-C. Se trata, con diferencia, de una de las soluciones de interfaz más preparadas para el futuro, con velocidades de transferencia que actualmente alcanzan los 80 Gbps.
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) es una interfaz de uso común para transmitir vídeo y audio digital. Existen distintas variantes de conectores HDMI: estándar, mini y micro. La velocidad máxima de transferencia de datos de la última versión HDMI 2.1 alcanza los 48 Gbps. Admite resoluciones de hasta 10K. Es compatible con versiones anteriores.
• DVI (Digital Visual Interface) es una interfaz visual digital, similar en términos de señal a HDMI, pero sin capacidad de audio incorporada. Se presenta en varias variedades, entre ellas. con interfaz VGA analógica opcional. La velocidad máxima de transferencia de datos para DVI-D dual link es de 25 Gbps.

Ampliación de las capacidades de las pantallas mediante el tablero AD

Además de las interfaces estándar, muchos fabricantes de pantallas ofrecen la posibilidad de ampliar su funcionalidad mediante placas de circuito impreso adicionales denominadas AD Boards. Estas placas se montan directamente en la pantalla y permiten interfaces adicionales como HDMI, VGA, DVI o audio. Algunos fabricantes, como Litemax ofrece kits de exposición listos para usar con paneles AD preinstalados. Su gran ventaja es que son fáciles de integrar e inmediatamente operativos.

También es posible montar la placa AD en pantallas estándar. Esto permite ampliar la funcionalidad de la pantalla según las necesidades específicas de un proyecto concreto. Nuestro equipo de ingenieros está preparado para modificar y ampliar prácticamente cualquier pantalla disponible en el mercado utilizando AD Board.

Se espera que la información presentada en el artículo sea útil para seleccionar interfaces adecuadas para aplicaciones específicas en proyectos electrónicos modernos. No dude en ponerse en contacto con nosotros si tiene alguna pregunta sobre el tema de las interfaces o para hablar de soluciones personalizadas.