Przegląd popularnych interfejsów do transmisji obrazów – cz. 1

W niniejszym cyklu artykułów prezentujemy najpopularniejsze interfejsy, które stosowane są do transmisji danych, a w tym wypadku – obrazów, pomiędzy urządzeniami je dostarczającymi, czyli procesorami/kontrolerami lub komputerami, a urządzeniami je prezentującymi, czyli wyświetlaczami lub monitorami.

Pisząc o „interfejsach” mamy na myśli zasady łączenia urządzeń służących do przesyłania danych. Bez nich nie byłoby możliwe prezentowanie jakichkolwiek treści na nośnikach informacji wizualnej, takich jak np. wyświetlacze LCD-TFT.

Interfejsy można podzielić na dwie grupy:

• rozwiązań wewnętrznych – czyli takich, w których bezpośrednio łączymy elementy tego samego urządzenia (zwykle znajdujące się w tej samej obudowie), tj. kontroler i wyświetlacz; wśród nich m.in. interfejsy służące tylko do przesyłania obrazów (RGB, LVDS, eDP, MIPI DSI i Vx1) oraz służące do przesyłania różnych danych, w tym obrazów (SPI, I²C, RS232 czy 8- i 16-bitowe rozwiązania równoległe);
• rozwiązań zewnętrznych – czyli takich, w których łączymy dwa odrębne urządzenia, np. komputer i monitor, tego typu rozwiązania wymagają zastosowania kabli; wśród nich m.in.: HDMI, DVI, VGA i DP. 

Interfejsy można również dzielić ze względu na rodzaj transmisji danych, wyróżniając: interfejsy równoległe, w których 1-bitowe informacje przesyłane są wieloma liniami oraz interfejsy szeregowe, w których kolejne 1-bitowe informacje przesyłane są jedną linią. 

W niniejszym artykule charakteryzujemy pięć interfejsów: RGB, LVDS, eDP, MIPI DSI oraz Vx1.

***

W ostatnich latach interfejsy RGB oraz LVDS były najczęściej stosowanymi w wyświetlaczach LCD-TFT. W poradnikach sprzed kilku lat można przeczytać, że o wyborze między interfejsem RGB i LVDS decyduje rozdzielczość wyświetlacza LCD-TFT. Wówczas polecano: dla rozwiązań mniejszych niż 640×480 – interfejs RGB, zaś dla rozwiązań większych niż 800×480 – interfejs LVDS. Jednak ciągły rozwój technologii powoduje, że te granice ulegają przesunięciu. Obecnie przyjmuje się dla RGB rozdzielczości mniejsze niż 1280×800 px, zaś dla LVDS rozdzielczości większe niż 320×240 px. Dodajmy, że dzisiejsze zaawansowane mikroprocesory i mikrokontrolery mają wbudowany sterownik RGB i/lub LVDS, co znacznie ułatwia implementację wyświetlacza LCD-TFT w urządzeniach końcowych.

RGB (Red, Green, Blue)

Interfejs RGB to rozwiązanie bazujące na równoległym przesyłaniu danych z wykorzystaniem co najmniej kilku przewodów. Każda linia danych transmituje jednobitową informację określającą intensywność koloru RGB dla jednego piksela. W zależności od rodzaju interfejsu RGB wymagana jest niezbędna liczba przewodów – np. w wariantach 24-bitowych stosuje się po 24 przewody dla każdego piksela.

W interfejsach RGB wykorzystywanych jest pięć rodzajów sygnałów:

• VSYNC (ang. Vertical Synchronization – synchronizacja pionowa; synchronizuje dane dla kolumn pikseli na wyświetlaczu),
• HSYNC (ang. Horizontal Synchronization – synchronizacja pozioma; synchronizuje dane dla rzędów pikseli na wyświetlaczu),
• D0…DXX (z oddzielną linią dla każdego bitu informacji),
• DCLK (ang. Dot Clock – synchronizacja danych),
• DE (ang. Data Enable – tryb potwierdzający prawidłowość przekazywania danych).

Interfejs RGB jest ceniony ze względu na wydajność – jego przepustowość określana jest na 1.2 Gbit/s, przy czym, aby ją osiągnąć, konieczne jest zastosowanie większej liczby przewodów w pojedynczej konfiguracji, co przekłada się na większą emisję zakłóceń elektromagnetycznych.

LVDS (Low Voltage Differential Signaling)

Przeznaczony do transmisji obrazów interfejs LVDS wymaga zastosowania czterech par różnicowych – jednej służącej do przesyłania sygnału zegarowego oraz trzech służących do przesyłania danych. Komunikacja odbywa się jednokierunkowo, mając charakter szeregowy – poszczególne bity przekazywane są w kolejności. Dane przesyłane są jako różnice pomiędzy napięciami na parze przewodów, a do ich konwersji dochodzi w odbiorniku. W interfejsie LVDS dostępne są trzy tryby synchronizacji danych: VSYNC (ang. Vertical Synchronization), HSYNC (ang. Horizontal Synchronization) oraz DE (ang. Data Enable).

Interfejs LVDS jest szczególnie ceniony ze względu na wydajność – zwykle używany jest w konfiguracji point-to-point (z jednym nadajnikiem i jednym odbiornikiem), która zapewnia przepustowość do 3.125 Gb/s nawet przy kilkudziesięciometrowym dystansie pomiędzy urządzeniami. Co więcej, jest stosunkowo odporny na zakłócenia elektromagnetyczne.

W ofercie Unisystemu dostępna jest szeroka gama wyświetlaczy LCD-TFT z interfejsem LVDS – znajdziesz wśród nich rozwiązania standardowe i szerokoformatowe.

eDP (embedded DisplayPort)

Interfejs eDP wprowadziła na rynek firma VESA (Video Electronics Standards Association) jako rozwiązanie przeznaczone do implementacji w elektronice konsumenckiej z wbudowanymi wyświetlaczami LCD-TFT. Można powiedzieć, że był to sukces, zwłaszcza na rynku komputerowym – w tym obszarze wyraźnie dostrzegane jest wypieranie LVDS-ów przez eDP. Niestety, ten interfejs nie jest powszechnie stosowany w mikroprocesorach i mikrokontrolerach.

Technologia eDP nawiązuje do istniejących standardów wyznaczonych dla DP, czyli Display Port, bazując na różnicowych parach sygnałowych – jednej służącej do przesyłania sygnału zegarowego oraz jednej lub kilku służących do przesyłania danych; poza nimi występują dodatkowo m.in. półdupleksowe (ang. half duplex) przewody kanału AUX, w których przesyłanie i odbieranie informacji odbywa się naprzemiennie; przeznaczone są do np. konfiguracji kontrolera wyświetlacza LCD-TFT. Można powiedzieć, że interfejs eDP w budowie przypomina LVDS, przy czym przekazywane informacje są „pakowane” w inny sposób – w interfejsie eDP transmisja danych odbywa się szeregowo w formie kompresowanych paczek. Wspierają ją trzy tryby synchronizacji danych, tj. VSYNC (ang. Vertical Synchronization), HSYNC (ang. Horizontal Synchronization) oraz DE (ang. Data Enable).

Interfejs eDP przeznaczony jest do rozwiązań o rozdzielczości do 3840×2160 px przy 60 FPS i 24 bpp, przy czym najlepsze rezultaty uzyskuje się przy różnych wartościach poszczególnych parametrów – tj. 240 FPS przy rozdzielczości 1920×1080 i 24 bpp oraz 48 bpp przy rozdzielczości 2560×1600 i 60 FPS. Przepustowość dochodzi do nawet 1.62 Gb/s. Dodajmy, że wskazane wartości osiągane są przy niewielkim zużyciu mocy. Interfejs eDP jest również stosunkowo odporny na zakłócenia elektromagnetyczne.

MIPI DSI – DSI (Display Serial Interface) od MIPI (Mobile Industry Processor Interface) Alliance

Technologia DSI to rozwiązanie zaproponowane przez MIPI Alliance, które znajduje zastosowanie przede wszystkim w urządzeniach mobilnych, takich jak, np. telefony, tablety i laptopy, choć niewykluczone jest jego wykorzystanie również m.in. w przemyśle np. w przenośnych sprzętach do pomiarów. 

Interfejs MIPI DSI również bazuje na różnicowych parach sygnałowych, w ramach których możliwe jest jednak prowadzenie komunikacji dwukierunkowej z jednoczesnym przesyłaniem informacji w obu kierunkach (jest to więc pełny dupleks – ang. full duplex). Dane transmitowane są w formie kompresowanych paczek przy wykorzystaniu dwóch trybów synchronizacji danych:   

• Low Power (LP) – w tym trybie zegar jest wstrzymywany, a informacje o sygnale zegarowym są przekazywane za pomocą pary przewodów służących do transmisji danych; jest on wykorzystywany przede wszystkim do przesyłania informacji/inicjalizacji do wyświetlacza;
• High Speed (HS) – w tym trybie sygnał zegarowy jest przekazywany przez oddzielną, przeznaczoną do tego parę przewodów zegarowych; służy do przesyłania obrazów.  

Cały protokół komunikacyjny składa się z dwóch zestawów instrukcji. Pierwszy – Display Command Set (DCS) to zestaw uniwersalnych komend definiowany przez standard DSI; wśród nich, np. Sleep, Enable i Invert Display. Drugi – Manufacturer Command Set (MCS) to zestaw komend definiowanych przez producentów wyświetlaczy; mogą dotyczyć m.in. wprowadzania danych do pamięci nieulotnej sterownika ekranu.

Najważniejszymi atutami interfejsu MIPI DSI są wysoka wydajność przy niskim poborze mocy, a także odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.

W ofercie Unisystemu znajdziesz szereg rozwiązań z interfejsem MIPI DSI, w tym m.in. 4-calowe kwadratowe wyświetlacze od Winstara, które znajdują zastosowanie w różnorodnych aplikacjach.

Vx1 (V-by-1 / V-by-One)

Wraz z wprowadzeniem na rynek wyświetlaczy o rozdzielczościach FHD (1920×1080) czy UHD (3840×2160) pojawiło się zapotrzebowanie na kolejny interfejs, który byłby jeszcze odporniejszy na zaburzenia elektromagnetyczne niż LVDS – ten wymóg spełnia technologia V-by-One zaprojektowana w Thine Electronics.

Standard przesyłania informacji jest podobny do tego, który stosuje się w LVDS, jednak Vx1 gwarantuje zachowanie niskich kosztów produkcji przy osiąganiu wyższych prędkości; może być to 840 Mb/s dla każdej pary różnicowej przewodów (nawet w odległości sięgającej 10 m!). Interfejs Vx1 jest rozwiązaniem asynchronicznym – nie stosuje się w nim pary przewodów z sygnałem zegarowym, który jest zintegrowany w przewodach służących do przesyłania danych, co wypływa na redukcję łącznej liczby par przewodów. Dla porównania: do uruchomienia ekranu o rozdzielczości Cinema-FHD (2560×1080) z 30-bitową głębią kolorów i 120-Hz częstotliwością odświeżania obrazu potrzebne są: albo 24 pary przewodów LVDS, albo… 4 pary przewodów Vx1.

W tabeli prezentujemy liczby zastosowanych par przewodów w zależności od rozdzielczości, głębi kolorów oraz częstotliwości odświeżania:

Jedną z firm, która dostarcza rozwiązania LCD-TFT z interfejsem Vx1, jest Litemax. Sprawdź rozwiązania dostępne w ofercie Unisystemu w wariancie standardowym i szerokoformatowym.

Śledź naszą stronę, aby być na bieżąco – wkrótce opublikujemy kolejny artykuł o interfejsach stosowanych w rozwiązaniach służących do wizualizacji informacji.