Connecteurs et interfaces pour la visualisation d’informations dans les écrans industriels

De nos jours, les écrans font partie intégrante des appareils électroniques dans de nombreux secteurs, des appareils électroménagers aux appareils de diagnostic médical, en passant par les panneaux de commande (IHM) et les systèmes embarqués complexes utilisés dans l’industrie. Pour que l’image générée par le processeur ou le contrôleur s’affiche à l’écran, il est nécessaire d’utiliser une interface de communication appropriée pour la transmission du signal. Sans une interface qui fonctionne sans problème, la transmission de données d’images numériques ne serait pas possible, de sorte que le choix de la bonne interface est crucial pour le bon fonctionnement de l’ensemble de l’appareil final.

Les interfaces et les connecteurs jouent un rôle clé dans le processus de visualisation des informations sur les écrans LCD-TFT utilisés dans les équipements industriels, car leur sélection correcte détermine la compatibilité des appareils ainsi que la qualité et la fluidité de l’image. Dans cet article, nous allons examiner de plus près les interfaces les plus populaires utilisées dans les écrans industriels. Nous discuterons de leurs applications, paramètres, avantages et inconvénients. Le classement de popularité des interfaces a changé au fil des ans à mesure que de nouvelles technologies et normes apparaissent. Nous examinerons donc l’état actuel des choses et les tendances pour l’avenir. Nous espérons que les informations contenues dans l’article vous permettront de faire un choix éclairé de la bonne interface pour vos applications spécifiques.

Interface vs. protocole

Pour commencer, il convient de clarifier la différence entre une interface et un protocole. Le protocole définit les règles d’échange d’informations et d’encodage des données, c’est-à-dire qu’il définit les règles syntaxiques de communication – comment les données doivent être interprétées des deux côtés de l’interface. L’interface, quant à elle, définit le support de transmission – le type de connexion et le type de signaux, c’est-à-dire la manière physique de connecter les appareils et les moyens de transmission de données. Une comparaison portable simple : un protocole est un langage, une interface est une voix.

Les interfaces se divisent en deux catégories : internes, utilisées pour la communication entre les composants de l’appareil (y compris les écrans et les écrans tactiles), et externes, utilisées pour connecter des appareils distincts (tels qu’un ordinateur avec un moniteur). Les interfaces peuvent également être divisées en interfaces universelles pour l’échange général de données, ainsi qu’en interfaces dédiées strictement au transfert d’informations d’images numériques (interfaces de transfert d’images). Ce dernier doit fournir une bande passante beaucoup plus élevée pour un rafraîchissement en douceur des images en mouvement.

Interfaces universelles internes

Les interfaces universelles internes comprennent. SPI, ^I2C, RS232 et UART. Le nom « universel » signifie qu’ils peuvent transmettre divers autres types de données en plus des images. Leur bande passante est généralement insuffisante pour une transmission fluide de vidéos haute définition à des fréquences d’images élevées. En effet, la quantité d’informations qui doit être transmise dans une unité de temps pour générer une image FHD ou 4K fluide est très importante.

Par exemple, un écran de 10 pouces avec une résolution de 1280 x 800 pixels et une profondeur de couleur de 8 bits, rafraîchi à 60 Hz, nécessite une transmission d’environ 250 millions de bits par seconde. Il s’agit d’un transfert de données de 2 Gbps. Pendant ce temps, les interfaces de communication universelles atteignent généralement des vitesses de l’ordre de kbps ou Mbps.

Pour cette raison, les interfaces telles que SPI, ^I2C, RS232 ou UART ont tendance à être utilisées dans des affichages simples et à basse résolution où la quantité d’informations à transmettre n’est pas importante. Ils sont également utilisés pour communiquer avec d’autres composants, tels que les mémoires ou les circuits d’E/S. Leur avantage est leur simplicité et leur universalité d’utilisation.

• SPI (Serial Peripheral Interface) est une interface série basée sur l’architecture maître-esclave. Il utilise les lignes de données MOSI et MISO, ainsi que la ligne d’horloge et la ligne de sélection de l’appareil SS. La communication est synchrone. SPI a un taux de transmission relativement élevé (jusqu’à 37,5 Mbps), mais une résistance limitée aux interférences à des fréquences plus élevées. Utilisé dans les petits écrans avec des résolutions allant jusqu’à env. 320 x 240 pixels.
• I²C (Inter-Integrated Circuit) est une interface de communication série à deux lignes entre des circuits intégrés. Il utilise la ligne de données SDA et la ligne d’horloge SCL. La communication se fait en mode multi-maître (plusieurs maîtres peuvent initier la transmission). ^L’I2Cse caractérise par une transmission lente et une sensibilité aux interférences sur de plus longues distances. Utilisé, par exemple, dans de simples OLED ou écrans tactiles, où la quantité de données transférées est faible.
• RS232 et UART sont des interfaces série de conception simple, utilisant deux lignes de données chacune. Utilisé dans les appareils dotés d’écrans à faible résolution en raison des limitations de bande passante. Leurs avantages sont la fiabilité et la simplicité de mise en œuvre.

Interfaces internes pour la transmission d’images

La tâche des interfaces dédiées spécifiquement à la transmission d’images est d’assurer une transmission rapide et fluide de la grande quantité de données nécessaires au rafraîchissement de l’écran à haute fréquence. Parmi les plus populaires aujourd’hui figurent RGB, LVDS, MIPI, Vx1 et eDP.

Il s’agit d’interfaces différentielles (sauf RGB), c’est-à-dire utilisant une transmission de signal symétrique sur des paires de fils. Cela donne une résistance élevée aux interférences, ce qui se traduit par la capacité de transmettre des signaux sur de longues distances sans perte de qualité. Ces interfaces permettent des taux de transfert de l’ordre de plusieurs centaines de MHz voire de GHz, ce qui est essentiel pour les écrans haute résolution avec des taux de rafraîchissement supérieurs à 60 Hz. Ils sont utilisés à la fois dans les grands écrans industriels et les appareils grand public.

• RGB (Rouge, Vert, Bleu), dans lequel le nom provient des couleurs envoyées en parallèle à l’écran : rouge, vert et bleu, est basé sur la transmission de données en parallèle à l’aide de plusieurs fils, chaque ligne de données transmettant des informations d’intensité de couleur RVB d’un bit pour un pixel. Par conséquent, les variantes 24 bits utilisent 24 fils pour chaque pixel. En théorie, l’interface pourrait être rapide, mais en raison de l’absence de différentiel, la vitesse de transmission est limitée à 1,2 Gbit/s, et pire encore, le besoin de plus de fils dans la configuration augmente la sensibilité aux interférences électromagnétiques. Le RVB fonctionne généralement avec de petits écrans diagonaux – moins de 7 pouces, car la petite résolution de l’image devient une limitation.
• LVDS (Low Voltage Differential Signaling) est actuellement l’interface la plus courante pour le transfert d’images dans les écrans LCD-TFT industriels. Sa position dominante est due à sa polyvalence d’application et à ses performances éprouvées et stables au fil des ans. Les données sont transmises en série, de manière différentielle (symétrique) sur des paires de fils, et la conversion s’effectue au niveau du récepteur. Cela permet une transmission à grande vitesse avec une immunité aux interférences, même sur de longues distances. Le taux de transfert de données maximal pour LVDS dans une configuration point à point (avec un émetteur et un récepteur) est d’env. 3,125 Gbit/s.
• MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) est une interface de pointe conçue pour les appareils mobiles où une faible consommation d’énergie est cruciale. Il apparaît également de plus en plus dans les applications industrielles (par exemple, dans les équipements de mesure portables). Comme LVDS, il utilise des paires de signaux différentiels. Il se distingue par une communication bidirectionnelle et une très faible consommation d’énergie. Il convient donc aux appareils mobiles alimentés par batterie. Le taux de transfert de données maximal pour MIPI est d’environ 100 000 000 000 000 0 10 Gbit/s.
• Vx1 (V-by-One) est une interface très haut débit pour les affichages haute résolution, tels que la 4K. Comme LVDS et MIPI, il est basé sur la transmission différentielle de données sur des paires de fils. Il n’a pas besoin d’une paire séparée pour le signal d’horloge. Cette interface est encore plus résistante aux perturbations électromagnétiques que LVDS. Utilisé dans les grands téléviseurs et moniteurs UHD (3840×2160).
• L’eDP (Embedded DisplayPort) est une interface de plus en plus courante dans les écrans industriels modernes. En termes de transmission de données, il ressemble au LVDS et est considéré comme son successeur. Le taux de transfert de données maximal pour eDP est d’env. 20 Gbit/s. Convient aux applications avec des matrices 4K et supérieures. L’interface eDP est également relativement immunisée contre les interférences électromagnétiques.

Comparaison des paramètres d’interface

Pour mieux illustrer les différences de capacités entre les différentes interfaces, vous trouverez ci-dessous un tableau des débits de données maximaux :

Comme vous pouvez le constater, les interfaces spécialement conçues pour le transfert d’images permettent des transferts d’un ordre de grandeur plus rapides que les bus de communication universels. Cela se traduit par la possibilité de travailler en douceur avec des matrices à haute résolution, profondeur de couleur et taux de rafraîchissement rapides.

Les nouvelles technologies remplacent progressivement les anciennes solutions. Par exemple, MIPI et eDP remplacent lentement LVDS, qui est populaire depuis des années, dans de nouvelles conceptions. Vx1 est utilisé dans les moniteurs et les téléviseurs haut de gamme. Il existe une tendance claire à l’augmentation des vitesses de transfert pour répondre aux exigences croissantes en matière de qualité d’image. Regardons maintenant les interfaces à la fin du tableau, c’est-à-dire celles qui ont les débits de données les plus élevés.

Interfaces externes

Les interfaces externes sont utilisées pour la communication entre différents appareils, tels qu’un ordinateur et un moniteur. Parmi les normes les plus populaires aujourd’hui, citons :

• L’USB-C permet une transmission vidéo et audio à haut débit. Un avantage supplémentaire est la possibilité de transmettre une puissance considérable, jusqu’à 100W. Cela permet d’alimenter le moniteur directement depuis l’ordinateur à l’aide d’un seul câble USB-C. Il s’agit de loin de l’une des solutions d’interface les plus avant-gardistes – les vitesses de transfert atteignent actuellement 80 Gbps.
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) est une interface couramment utilisée pour la transmission de vidéo et d’audio numériques. Il existe différentes variantes de connecteurs HDMI – standard, mini et micro. Le taux de transfert de données maximal pour le dernier HDMI 2.1 est de 48 Gbit/s. Prend en charge des résolutions allant jusqu’à 10K. Il est rétrocompatible avec les anciennes versions.
• DVI (Digital Visual Interface) est une interface visuelle numérique, dont le signal est similaire à celui du HDMI, mais sans capacité audio intégrée. Il en existe plusieurs variétés, notamment. Avec interface VGA analogique en option. Le taux de transfert de données maximal pour la double liaison DVI-D est de 25 Gbit/s.

Extension des capacités des écrans à l’aide de la carte AD

En plus des interfaces standard, de nombreux fabricants d’écrans offrent la possibilité d’étendre leurs fonctionnalités à l’aide de circuits imprimés supplémentaires appelés cartes AD. Ces cartes se montent directement sur l’écran et permettent des interfaces supplémentaires telles que HDMI, VGA, DVI ou audio. Certains fabricants, tels que. Litemax, propose des kits d’affichage prêts à l’emploi avec des cartes AD préinstallées. Leur grand avantage est une intégration simple et une disponibilité immédiate pour l’exploitation.

Il est également possible de monter la carte AD sur des écrans standard. Cela vous permet d’étendre les fonctionnalités de l’écran en fonction des besoins spécifiques de votre projet. Notre équipe d’ingénieurs est prête à modifier et à étendre pratiquement n’importe quel affichage disponible dans le commerce à l’aide de la carte AD.

Nous espérons que les informations présentées dans l’article seront utiles pour sélectionner les interfaces appropriées pour des applications spécifiques dans les projets électroniques modernes. N’hésitez pas à nous contacter si vous avez des questions liées au thème des interfaces ou pour discuter de solutions personnalisées.