Interne Display-Schnittstellen

Fachbeitrag Design & Elektronik 01/2020

So wie Mikrocontroller und Prozessoren über Generationen hinweg ihre Leistung steigern konnten, haben Displays an Farbtiefe und Auflösung sowie auch Größe zugelegt. Dementsprechend hat sich über die Jahre eine große Vielfalt an Schnittstellen entwickelt, die auch unterschiedliche Einsatzgebiete von Displays adressieren. Welche Display-Schnittstellen sind derzeit im Einsatz und wodurch zeichnen sie sich aus?

© shutterstock.com / Andrey Suslov
© shutterstock.com / Andrey Suslov

Der Traum von der einheitlichen Schnittstelle für alle Displays wird sich wohl niemals erfüllen, denn es gibt viele Gründe, warum unterschiedliche Schnittstellen erforderlich sind: Der Aufwand für die Hardware soll so gering wie möglich sein, die Kosten niedrig, die Auflösung und die damit verbundene Bandbreite hoch genug, um auch noch Displays der nächsten Generation anschließen zu können, die EMV sehr gut sein, um die  Grenzwerte nicht zu überschreiten, das Kabel möglichst dünn und flexibel sein,  um auch durch Scharniere und bewegliche Gehäuseteile geführt werden zu können. Es gibt also zu viele Randbedingungen, die nicht alle unter einen Hut zu bringen sind.

Tabelle 1: Übersicht über verbreitete Schnittstellen.
Tabelle 1: Übersicht über verbreitete Schnittstellen.
Bild 1: Interne und externe Schnittstellen.

Welche Schnittstellen werden überhaupt eingesetzt? Es gibt externe Schnittstellen, die eine Bild­quelle, z. B. einen PC, mit einer Bildsenke, z. B. einem Monitor, verbinden. Eine Auswahl davon ist in Tabelle 1 zusammen gestellt. Zunächst ist zwischen externen und internen Schnittstellen zu unterscheiden. Externe Schnittstellen sind von außen zugänglich und verbinden Geräte. Interne Schnittstellen werden innerhalb von Geräten eingesetzt und verbinden Baugruppen miteinander, etwa das Scaler-Board mit dem Display (Bild 1).

Tabelle 2 stellt Werte für Speicherbedarf und (Netto-) Datenrate zusammen. Es ist offensichtlich, dass es nicht eine einzige Schnittstelle geben kann, die ökonomisch alle Anforderungen abdeckt. Für monochrome Displays ohne Graustufendarstellung können acht Bildpunkte in ein Byte gepackt werden. Für Graustufen steigt der Aufwand logarithmisch an: 16 Graustufen werden durch 4 Bits repräsentiert, für 64 braucht man sechs, und für Vollfarbdisplays stellen 8 Bits pro Pixel und pro Primärfarbe die Information bereit. Ebenso steigt der Speicherbedarf, um einen Frame (Bildinhalt) zwischenspeichern zu können. Er berechnet sich aus dem Produkt von Bildbreite und Bildhöhe, multipliziert mit der Farbtiefe in Bits. Für die flackerfreie Wahrnehmung muss der Bildcontroller diesen Speicherinhalt 60 Mal pro Sekunde an das Display übertragen.

Interne Schnittstellen

Tabelle 2: Bedarf an Speicher und Bandbreite.
Tabelle 2: Bedarf an Speicher und Bandbreite.

Die einfachsten Schnittstellen verbinden Mikrocontroller mit Displays niedriger Komplexität. Die Datenraten sind gering und können zum Teil ohne spezielle Hardwareunterstützung realisiert wer­den. Allen gemeinsam ist, dass der Bildinhalt einmalig und dann nur bei Änderungen wieder in den Bildspeicher geschrieben wird. Dazu gehört der CPU-Bus, bei dem das Display ein weiterer Teilnehmer ist, mit dem die CPU in Wortbreite kommuniziert. Bei I²C hängt das Display an einem Zweidrahtbus, der die Teilnehmer mit ihrer Adresse anspricht. Das SPI – Serial Peripheral Interface – bietet die Möglichkeit, eine oder mehrere Leitungen für die Datenkommunikation zu verwenden, und Kommandos von Daten über eine Steuerleitung zu trennen. Da diese Busse sehr hardwarespezifisch sind, ist die Beschreibung in den Datenblättern der Mikrocontroller und Display-Controller sehr aus­führlich und wird hier nicht weiter vertieft.

CMOS, parallel RGB

Tabelle 3: CMOS-Parallel-Interface.
Tabelle 3: CMOS-Parallel-Interface.

Das Signalformat dieser Schnittstelle wurde in ähnlicher Form bereits für Passiv-Matrix-Displays verwendet. Je Farbe werden sechs oder acht Bits parallel auf den Bus des Moduls gelegt und mit einem Taktsignal in den Treiber übernommen. Für die Synchronisation auf den Zeilen- oder den Bildschirminhalt gibt es separate Signale. Durch die parallele Übertragung der Bilddaten ist der Leitungsaufwand hoch. Typische Stecker haben 30 Kontakte. Da die elektrischen Eigenschaften der Leitung zwischen Controller und Display nicht näher spezifiziert sind, können nur kurze Distanzen von 30 bis 50cm überbrückt werden. Darüber hinaus wurde bei der Definition der Schnittstelle keine Rücksicht auf abgestrahlte elektromagnetische Störungen genommen. Die Ausgangsstufen schalten die Pegel mit hoher Flankensteilheit. Tabelle 3 zeigt die Signale anhand der Steckerbelegung eines TFT-Moduls.

Die Signale für die Farben sind entsprechend rot, grün und blau unterlegt; gelb zeigt die Steuersignale.

LVDS

Bild 2: Serialisierte LVDS-Übertragung; © Data Image.
Bild 2: Serialisierte LVDS-Übertragung; © Data Image.
Bild 3: Common Mode-Unterdrückung; © Texas Instruments.
Bild 3: Common Mode-Unterdrückung; © Texas Instruments.

Die praktische Grenze für Displays mit CMOS-Schnittstelle liegt bei ungefähr WVGA = 800 x 480 Bildpunkten. Doch bereits bei 320 x 240 Bildpunkten beginnt die Domäne der LVDS-Schnittstelle. Bei ihrer Definition wurden einige Schwachpunkte der parallelen Schnittstelle vermieden. Der Begriff LVDS steht für Low Voltage Differential Signalling. Signale werden hier serialisiert auf wenige Leitungen übertragen (Bild 2), dabei ist der Pegel reduziert. Um die Störsicherheit bei kleineren Pegeln nicht nur zu gewährleisten, sondern die der Vorgänger noch zu übertreffen, wird jedes Signal in positiver und negativer Logik gleichzeitig übertragen, wobei die Leitungen durch Verdrillung in enger räumlicher Nähe liegen. Der Vorteil davon ist, dass Störsignale in gleicher Weise und Polarität auf die Leitungen einwirken und im Receiver durch Differenzbildung eliminiert werden. Diese Funktion differentieller Leitungen ist auch als „Common-Mode-Unterdrückung“ bekannt (Bild 3). Darüber hinaus gibt der Sender die Signale mit kontrollierter Steilheit der Flanken aus, so dass abgestrahlte Störungen minimiert werden.

Tabelle 4: LVDS-Interface.
Tabelle 4: LVDS-Interface.

Wie bei der Übertragung hochfrequenter Signale über Leitungen üblich, sind die Enden mit Widerständen terminiert. Dadurch können höhere Datenraten bei gleichzeitig weiteren Distanzen erzielt werden. Dass die Leistungsaufnahme für Sender und Empfänger gegenüber vergleichbaren Technologien geringer ist, ist nicht nur für tragbare Geräte mit Batteriebetrieb ein Vorteil.

Durch die serialisierte Übertragung entstehen Vorteile wie eine geringere Anzahl erforderlicher Verbindungen, wodurch die Leitung flexibler wird, aber auch Kosten für Kabel und Steckverbinder einspart. Durch die Serialisierung ist auch das Problem des Skew, also des gleichzeitigen Eintreffens aller Signale, minimiert. Bei LVDS sind die Steuersignale für die Synchronisation des Bildschirms in den Datenstrom integriert. LVDS ist skalierbar; für sechs Bit pro Farbe reichen drei Paare aus, für acht Bits werden vier Paare benötigt. Bei Auflösungen bis XGA (1024 x 768) reicht ein Kanal, darüber werden zwei oder noch mehr Kanäle eingesetzt. Mit LVDS lassen sich Auflösungen von bis zu UHD/4k ansteuern. Tabelle 4 zeigt, wie ein LVDS-Interface einschließlich Backlight-Ansteuerung mit einem 20-poligen Stecker realisieren lässt.

Embedded DisplayPort (eDP)

Tabelle 5: eDP-Interface.
Tabelle 5: eDP-Interface.

Embedded DisplayPort ist eine Variante des DisplayPort (siehe weiter unten). DisplayPort ist eine relativ neue Schnittstelle, die einen neuartigen Übertragungskanal definiert, siehe Tabelle 5. Die Video­daten werden serialisiert und als Datenpaket übertragen. Der Takt ist in das Datensignal ein­gebettet. Diese Schnitt­stelle ist extrem skalierbar und kann an vielfältige Anforderungen ange­passt werden: Die Zahl der ver­wendeten Leitungspaare, hier Lanes genannt, kann zwischen eins und vier liegen, die Über­tragungs­rate der Videodaten kann verschiedene Werte annehmen. Zudem wurden die Möglichkeiten der Seitenbandkommunikation über den so genannten AUX-Kanal erheblich er­weitert (siehe DVI: DDC). Die Bildquelle kann sich Informationen über den Status der Bildsenke und auch der Über­tragungs­strecke verschaffen.

Bild 4: AC-Kopplung bei DisplayPort (VESA).
Bild 4: AC-Kopplung bei DisplayPort (VESA).
Bild 5: Notebook-Display über eDP angebunden mit flexibler Kabelverbindung über das Scharnier.
Bild 5: Notebook-Display über eDP.

Mit der „Hot Plug“-Leitung kann sich die Bildsenke an der Quelle an- und abmelden. Die Bildquelle kann entsprechend darauf reagieren und z. B. andere Quellen adressieren. Ein Beispiel dafür ist das Anstecken eines externen Monitors an einen Note­book-Com­puter. Elektrisch gesehen ist die DisplayPort-Schnittstelle wechsel­spannungs­mäßíg ent­koppelt (siehe Bild 4), so dass Potentialunterschiede zwischen Quelle und Senke keine Rolle spielen. Außerdem wird dadurch die gleichspannungsfreie Übertragung über Medien wie Glasfaser erst ermöglicht.

Eine interessante Applikation für eDP findet sich in vielen Notebook-Computern. Der Deckel mit dem Display muss gegenüber dem Grundgerät beweglich sein. Im Beispiel (Bild 5) benötigt eine konventionelle Verbindung mit LVDS 18 Signalleitungen, eDP hingegen lediglich fünf. Das verwendete Display hat eine Auflösung von 1680x1050 und eine Farbtiefe von sechs Bits. Die Stromversorgung und das Backlight sind nicht berücksichtigt.

V-by-One

Tabelle 6: Beispiel für die Steckerbelegung eines VbyOne-Interfaces für ein 4k-Display mit 10 Bit Farbtiefe.
Tabelle 6: Beispiel für die Steckerbelegung eines VbyOne-Interfaces.

V-by-One ist eine von der THine Corporation entwickelte interne Schnittstelle für hochauflösende Dis­plays. Die Motivation für die Entwicklung war, auch Displays mit großen Diagonalen, hoher Auflösung und Farbtiefe zuverlässig mit nur wenigen Leitungen ansteuern zu können. Dafür setzt VbyOne ähn­lich wie Embedded DisplayPort auf die Übertragung serialisierter Signale mit eingebettetem Takt und Datenpakete, die mit bis zu 16 Mbps gesendet werden. Die Zahl der Lanes kann den Anforderungen gemäß angepasst werden; im Vergleich zu LVDS sind nur 1/6 der Leitungen nötig. Auch hier spielt die geringe Abstrahlung eine Rolle: Die Ausgangsstufen des Transmitters sind optimiert, und das Nutz­signal wird verwürfelt und im Spread Spectrum-Verfahren übertragen. Dank der Wechsel­spannungs­kopplung spielen Potentialdifferenzen keine Rolle, bis zu 10m können so überbrückt werden. Tabelle 6 zeigt die Steckerbelegung eines Displays, das eine Auflösung von 4k = 3840 x 2160 Bild­punkten bei 10 Bit Farbtiefe hat. Gemäß Abbildung 3 fällt hier eine Netto-Datenrate von 1,7 Gigabyte pro Sekunde = 13.6 Gbps an.

MIPI

Tabelle 7: MIPI-Interface.
Tabelle 7: MIPI-Interface.

Die Abkürzung „MIPI“ steht für Mobile Industry Processor Interface und ist speziell für den Einsatz innerhalb mobiler Geräte gedacht. Sie bindet nicht nur Displays an den Prozessor an, sondern auch Kameras. Wie einige andere bereits vorgestellte Schnittstellen arbeitet sie mit differentiellen seriali­sierten Signalen. Die Datenübertragung verläuft auf einem Bus, dessen Teilnehmer adressier­bar sind. Dementsprechend ist die Schnittstelle bidirektional, der Prozessor kann also sowohl Informationen an Displays übertragen als auch von Kameras entgegennehmen. Die Zahl der Lanes ist nicht begrenzt, es können zur Steigerung der Bandbreite mehrere parallelgeschaltet werden. Der Einsatz in mobilen Ge­räten erfordert besondere Maßnahmen zur Einhaltung der EMV-Richtlinien und bietet bei be­schränktem Leistungsbudget in batteriebetriebenen Geräten eine hohe Bandbreite. Sie ist nur für kurze Dis­tanzen geeignet, wie sie in mobilen Geräten vorzufinden sind. Tabelle 7 zeigt die Belegung eines typischen MIPI-Displays.

Im zweiten Teil deises Beitrags werden die externen Display-Schnittstellen beschrieben.

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