Technologie | 30 kwietnia 2021

Przegląd popularnych interfejsów do transmisji obrazów – cz. 1

Firma Unisystem w cyklu artykułów prezentuje 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 640x480 – interfejs RGB, zaś dla rozwiązań większych niż 800x480 – interfejs LVDS. Jednak ciągły rozwój technologii powoduje, że te granice ulegają przesunięciu. Obecnie przyjmuje się dla RGB rozdzielczości mniejsze niż 1280x800 px, zaś dla LVDS rozdzielczości większe niż 320x240 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.

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 3840x2160 px przy 60 FPS i 24 bpp, przy czym najlepsze rezultaty uzyskuje się przy różnych wartościach poszczególnych parametrów – tj. 240 FPS przy rozdzielczości 1920x1080 i 24 bpp oraz 48 bpp przy rozdzielczości 2560x1600 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.

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

Wraz z wprowadzeniem na rynek wyświetlaczy o rozdzielczościach FHD (1920x1080) czy UHD (3840x2160) 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. Jedną z firm, która dostarcza rozwiązania LCD-TFT z interfejsem Vx1, jest Litemax.