Złącza i interfejsy do wizualizacji informacji w wyświetlaczach przemysłowych 

W dzisiejszych czasach wyświetlacze są nieodłącznym elementem urządzeń elektronicznych wielu branż – od sprzętu AGD, poprzez medyczne urządzenia diagnostyczne, a skończywszy na panelach operatorskich (HMI) i złożonych systemach embedded stosowanych w przemyśle. Aby obraz wygenerowany przez procesor czy kontroler mógł zostać wyświetlony na ekranie, niezbędne jest zastosowanie odpowiedniego interfejsu komunikacyjnego do przesyłania sygnału. Bez sprawnie działającego interfejsu, przesyłanie cyfrowych danych obrazu nie byłoby możliwe, dlatego dobór właściwego interfejsu ma kluczowe znaczenie dla poprawnego działania całego urządzenia końcowego. 

Interfejsy i złącza odgrywają kluczową rolę w procesie wizualizacji informacji na ekranach LCD-TFT stosowanych w urządzeniach przemysłowych, ponieważ ich odpowiedni dobór determinuje kompatybilność urządzeń oraz jakość i płynność obrazu. W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej najpopularniejszym interfejsom stosowanym w wyświetlaczach przemysłowych. Omówimy ich zastosowania, parametry, zalety i wady. Ranking popularności interfejsów zmienia się na przestrzeni lat wraz z pojawianiem się nowych technologii i standardów. Przyjrzymy się zatem aktualnemu stanowi rzeczy oraz trendom na przyszłość. Mamy nadzieję, że informacje zawarte w artykule pozwolą na świadomy wybór odpowiedniego interfejsu dla konkretnych zastosowań. 

Interfejs a protokół 

Na początku warto wyjaśnić różnicę pomiędzy interfejsem a protokołem. Protokół definiuje reguły wymiany informacji i kodowania danych, czyli określa syntaktyczne zasady komunikacji – jak dane powinny być interpretowane po obu stronach interfejsu. Interfejs natomiast określa medium transmisji – rodzaj połączenia i typ sygnałów, czyli fizyczny sposób połączenia urządzeń i środek transmisji danych. Proste przenośne porównanie: protokół to język, interfejs to głos. 

Interfejsy dzielimy na dwie kategorie: wewnętrzne, służące do komunikacji między elementami w obrębie urządzenia (w tym wyświetlaczy i paneli dotykowych) oraz zewnętrzne, wykorzystywane do podłączania osobnych urządzeń (np. komputera z monitorem). Interfejsy można też podzielić na uniwersalne, służące do ogólnej wymiany danych, a także na dedykowane stricte do przesyłania cyfrowych informacji o obrazie (ang. image transfer interfaces). Te drugie muszą zapewniać znacznie większą przepustowość, aby możliwe było płynne odświeżanie ruchomego obrazu. 

Wewnętrzne interfejsy uniwersalne  

Do wewnętrznych interfejsów uniwersalnych zaliczamy m.in. SPI, I²C, RS232 oraz UART. Nazwa „uniwersalne” oznacza, że oprócz obrazów mogą one przesyłać różne inne rodzaje danych. Ich przepustowość jest zwykle niewystarczająca do płynnej transmisji wideo w wysokiej rozdzielczości z dużą częstotliwością odświeżania. Dzieje się tak ponieważ ilość informacji, jaka musi zostać przetransmitowana w jednostce czasu, by wygenerować płynny obraz w FHD czy 4K, jest bardzo duża.  

Dla przykładu, wyświetlacz 10-calowy o rozdzielczości 1280 x 800 pikseli i 8-bitowej głębi koloru, odświeżany z częstotliwością 60 Hz, wymaga transmisji około 250 milionów bitów na sekundę. Jest to transfer danych rzędu 2 Gb/s. Tymczasem uniwersalne interfejsy komunikacyjne osiągają zwykle prędkości rzędu kb/s lub Mb/s. 

Z tego powodu interfejsy takie jak SPI, I²C, RS232 czy UART stosowane są raczej w prostych wyświetlaczach o niewielkiej rozdzielczości, gdzie ilość informacji do przesłania nie jest duża. Znajdują też zastosowanie w komunikacji z innymi podzespołami, np. pamięciami czy układami wejść/wyjść. Ich zaletą jest prostota i powszechność zastosowania. 

• SPI (Serial Peripheral Interface) to szeregowy interfejs oparty na architekturze master-slave. Wykorzystuje linie danych MOSI i MISO oraz linię zegarową i linię wyboru urządzenia SS. Komunikacja jest synchroniczna. SPI cechuje stosunkowo duża szybkość transmisji (nawet 37,5 Mb/s), ale ograniczona odporność na zakłócenia przy wyższych częstotliwościach. Stosowany w niewielkich wyświetlaczach o rozdzielczości do ok. 320×240 pikseli. 
• I²C (Inter-Integrated Circuit) to dwuliniowy szeregowy interfejs komunikacji między układami scalonymi. Wykorzystuje linię danych SDA i linię zegara SCL. Komunikacja odbywa się w trybie multi-master (wiele urządzeń nadrzędnych może inicjować transmisję). I²C cechuje powolna transmisja i podatność na zakłócenia przy większych odległościach. Stosowany np. w prostych OLEDach lub ekranach dotykowych, gdzie ilość przesyłanych danych jest niewielka. 
• RS232 i UART to szeregowe interfejsy o prostej budowie, wykorzystujące po dwie linie danych. Stosowane w urządzeniach z wyświetlaczami o niskiej rozdzielczości obrazu ze względu na ograniczenia przepustowości. Ich zaletą jest niezawodność i prostota implementacji. 

Wewnętrzne interfejsy do przesyłania obrazu 

Zadaniem interfejsów dedykowanych specjalnie do przesyłania obrazów jest zapewnienie szybkiej, płynnej transmisji dużej ilości danych, koniecznej do odświeżania ekranu z wysoką częstotliwością. Do najpopularniejszych obecnie należą RGB, LVDS, MIPI, Vx1 oraz eDP.  

Są to interfejsy różnicowe (poza RGB), czyli wykorzystujące symetryczną transmisję sygnału parami przewodów. Daje to dużą odporność na zakłócenia, co przekłada się na możliwość przesyłania sygnałów na duże odległości bez utraty jakości. Interfejsy te pozwalają na transfer z szybkością setek MHz lub nawet GHz, co jest niezbędne przy obsłudze ekranów o wysokiej rozdzielczości i częstotliwości odświeżania powyżej 60 Hz. Stosuje się je zarówno w dużych wyświetlaczach przemysłowych, jak i w urządzeniach konsumenckich. 

• RGB (Red, Green, Blue), w którym nazwa pochodzi od kolorów wysyłanych równolegle do ekranu: czerwony, zielony i niebieski bazuje na równoległym przesyłaniu danych przy użyciu wielu przewodów, a każda linia danych transmituje jednobitową informację o intensywności koloru RGB dla jednego piksela. Dlatego w wariantach 24-bitowych używa się 24 przewody dla każdego piksela. W teorii interfejs mógłby być szybki, ale z powodu braku różnicowości, prędkość przesyłu jest ograniczona do 1.2 Gbit/s, a co gorsza – konieczność stosowania liczniejszych przewodów w konfiguracji zwiększa podatność na zakłócenia elektromagnetyczne. RGB działa zazwyczaj z ekranami o małej przekątnej – poniżej 7 cali, ponieważ ograniczeniem staje się mała rozdzielczość obrazu.  
• LVDS (Low Voltage Differential Signaling) to obecnie najpowszechniejszy interfejs do przesyłania obrazu w wyświetlaczach przemysłowych LCD-TFT. Jego dominująca pozycja wynika z uniwersalności zastosowania i sprawdzonej, stabilnej pracy przez lata. Dane przesyłane są szeregowo, różnicowo (symetrycznie) parami przewodów, a do ich konwersji dochodzi w odbiorniku. Pozwala to na szybką transmisję z odpornością na zakłócenia nawet na dłuższych dystansach. Maksymalna szybkość transferu danych dla LVDS w konfiguracji point-to-point (z jednym nadajnikiem i jednym odbiornikiem) wynosi ok. 3,125 Gb/s.  
• MIPI DSI (Mobile Industry Processor Interface – Display Serial Interface) to nowoczesny interfejs projektowany z myślą o urządzeniach mobilnych, w których kluczowe znaczenie ma niskie zużycie energii. Coraz częściej pojawia się także w zastosowaniach przemysłowych (np. w przenośnych sprzętach do pomiarów). Podobnie jak LVDS, wykorzystuje różnicowe pary sygnałowe. Wyróżnia się dwukierunkową komunikacją i bardzo niskim poborem mocy. Dzięki temu sprawdza się w urządzeniach przenośnych zasilanych z baterii. Maksymalna szybkość transferu danych dla MIPI wynosi ok. 10 Gb/s. 
• Vx1 (V-by-One) to interfejs o bardzo dużej szybkości transmisji, przeznaczony dla ekranów o wysokiej rozdzielczości, np. 4K. Podobnie jak LVDS i MIPI, bazuje na różnicowym przesyłaniu danych parami przewodów. Nie wymaga osobnej pary dla sygnału zegarowego. Jest to interfejs jeszcze odporniejszy na zaburzenia elektromagnetyczne niż LVDS. Stosowany w dużych telewizorach i monitorach UHD (3840×2160). 
• eDP (Embedded DisplayPort) to interfejs coraz częściej spotykany w nowoczesnych wyświetlaczach przemysłowych. Pod względem transmisji danych przypomina LVDS i jest uznawany za jego następcę. Maksymalna szybkość transferu danych dla eDP wynosi ok. 20 Gb/s. Nadaje się do zastosowań z matrycami 4K i wyższymi. Interfejs eDP jest również stosunkowo odporny na zakłócenia elektromagnetyczne. 

Porównanie parametrów interfejsów 

Aby lepiej zobrazować różnice w możliwościach poszczególnych interfejsów, poniżej prezentujemy tabelę maksymalnych szybkości transmisji danych: 

Jak widać, interfejsy przeznaczone specjalnie do przesyłania obrazu pozwalają na transfer o rząd wielkości szybszy niż uniwersalne magistrale komunikacyjne. Przekłada się to na możliwość płynnej pracy z matrycami o wysokiej rozdzielczości, głębi kolorów i szybkim odświeżaniu obrazu. 

Nowe technologie stopniowo wypierają starsze rozwiązania. Przykładowo, MIPI i eDP powoli zastępują popularny od lat LVDS w nowych projektach. Vx1 stosowany jest w topowych monitorach i telewizorach. Widoczna jest wyraźna tendencja do zwiększania szybkości transferu, aby sprostać rosnącym wymaganiom co do jakości obrazu. Przyjrzyjmy się teraz interfejsom z końca tabeli, czyli tym o największych przepustowościach danych. 

Interfejsy zewnętrzne 

Interfejsy zewnętrzne służą do komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami, np. komputerem a monitorem. Do najpopularniejszych obecnie standardów należą: 

• USB-C umożliwia transmisję obrazu i dźwięku z dużą szybkością. Dodatkową zaletą jest możliwość przesyłania znacznej mocy, sięgającej 100W. Dzięki temu możliwe jest zasilanie monitora bezpośrednio z komputera, za pomocą jednego kabla USB-C. Jest to zdecydowanie jedno z najbardziej przyszłościowych rozwiązań w kwestii interfejsów – obecnie szybkość transferu dochodzi do 80 Gb/s. 
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) to powszechnie stosowany interfejs do przesyłania cyfrowego obrazu i dźwięku. Dostępne są różne warianty złączy HDMI – standardowe, mini i micro. Maksymalna szybkość transferu danych dla najnowszego HDMI 2.1 wynosi aż 48 Gb/s. Obsługuje rozdzielczości do 10K. Jest kompatybilny wstecz ze starszymi wersjami. 
• DVI (Digital Visual Interface) to cyfrowy interfejs wizualny, podobny sygnałowo do HDMI, lecz bez wbudowanej możliwości przesyłania dźwięku. Występuje w kilku odmianach, m.in. z opcjonalnym interfejsem analogowym VGA. Maksymalna szybkość transferu danych dla DVI-D dual link wynosi 25 Gb/s. 

Rozszerzanie możliwości wyświetlaczy przy użyciu AD Board 

Oprócz standardowych interfejsów, wielu producentów wyświetlaczy oferuje możliwość rozbudowy ich funkcjonalności przy użyciu dodatkowych płytek PCB zwanych AD Board. Płytki te montowane są bezpośrednio na wyświetlaczu i pozwalają na uzyskanie dodatkowych interfejsów, takich jak HDMI, VGA, DVI czy audio. Niektórzy producenci, jak np. Litemax, oferują gotowe zestawy wyświetlaczy z fabrycznie zamontowanymi płytkami AD Board. Ich dużą zaletą jest prosta integracja i natychmiastowa gotowość do pracy.  

Istnieje również możliwość zamontowania AD Board na standardowych wyświetlaczach. Pozwala to rozszerzyć funkcjonalność wyświetlacza według konkretnych potrzeb danego projektu. Nasz zespół inżynierów jest gotowy do modyfikacji i rozbudowy praktycznie każdego dostępnego na rynku wyświetlacza przy użyciu płytek AD Board. 

Mamy nadzieję, że informacje zaprezentowane w artykule będą pomocne w doborze odpowiednich interfejsów dla konkretnych zastosowań w nowoczesnych projektach elektronicznych. Zachęcamy do kontaktu w przypadku jakichkolwiek pytań związanych z tematyką interfejsów lub omówienia niestandardowych rozwiązań.