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來源：富昌電子 作者：Pawel Kaczynski，嵌入式系統卓越中心經理 顯示器的選擇正在成為嵌入式開發過程中越來越重要的元素。對于伴隨智能手機觸摸屏界面長大的新一代用戶而言，傳統工業設備界面的固定功能按鈕、旋鈕和開關以及基本狀態指示燈 LED 似乎是對黑暗時代的回歸。 因此，世界各地的嵌入式開發人員通常在處理新的設計項目時期望他們需要設計比上一代產品更大、圖形更豐富的顯示界面。 這不僅對顯示器本身的規格有重要影響，而且對嵌入式系統選擇微控制器或應用處理器也有重要影響。這是因為顯示器可能擁有與主機控制器或處理器連接的大量接口之一，但嵌入式系統中最常用的 MCU 和應用處理器并不普遍支持這種接口。 這意味著設計人員的開發計劃比以往任何時候都更容易因顯示器和主機控制器之間的不匹配而受挫。為了幫助設計人員避免這種風險，本文介紹了 LCD 使用的最常見接口，以及流行的 MCU 和處理器系列對它們的支持程度。 多種顯示器接口技術 將設計人員首選的 MCU 或應用處理器與他們首選的顯示器相匹配的問題在于，雖然顯示器制造商使用的接口很多，但 MCU 或處理器通常只支持一兩種。 幸運的是，顯示器制造商對接口的選擇并不是隨機的：低頻、低數據速率的接口通常用于更小、更簡單的顯示器；更快的接口通常用于對角線尺寸超過 10 英寸的大型顯示器，如圖 1 所示。嵌入式設計人員往往希望指定支持低速接口的低端 MCU 來控制具有小顯示器的系統，以及支持高速接口的高速處理器來控制具有大顯示器的系統。 
顯示器接口與顯示器尺寸的近似關系（圖片來源：富昌電子） 然而，在遷移時通常會出現問題，例如，在使用新的、更大的圖形顯示器升級系統設計、但同時保留現有的 MCU時。MCU 可能有足夠的能力來驅動預期的顯示輸出，但它是否有正確的板載接口？ 此時，了解嵌入式顯示器中可能使用的全部接口非常重要。最常見的是： · RGB：并行接口。完整版的 RGB 接口每像素傳輸 24 位數據 (24 bpp)，或每種顏色 8 位數據。精簡版是 RGB565 (16 bpp) 和 RGB332 (8 bpp)。除了顯示數據信號外，該接口還傳輸控制信號：行和列指針（VSYNC 和 HSYNC），以及控制刷新率的時鐘信號。 · 串行外設接口(SPI)：在嵌入式系統中，SPI 最常用于傳感器、數據轉換器、存儲器和收發器等外設與主機MCU 之間的通信。然而，小型低分辨率 LCD 也可以通過 SPI 連接到 MCU。 · MCU 并行接口：該接口的多個版本正在使用中。MCU 可以使用 11 個信號（8 位并行數據）、12 個信號（9 位并行數據）或 21 個信號（18 位并行數據）。 · 低壓差分信號（LVDS）：一種高速信號接口。在15英寸的較小 LCD 中，制造商使用具有 4 或 6 路的單通道 LVDS 接口，而在大于 15英寸的 LCD 單元中使用雙通道 LVDS 接口。LVDS 接口對 EMI 具有高抗擾度，并且功耗低。但是它的高速運行需要相當多的PCB布局專業知識。 · MIPI 顯示串行接口 (MIPI-DSI)：類似于 LVDS，一種高速信號接口，但主要用于手機和平板電腦等移動設備，以及汽車和物聯網設備。它由一個用于時鐘的差分信號和至少一個用于數據的差分對組成（通常具有兩個或四個通道）。MIPI-DSI通過復雜的協議軟件運行，執行高速數據傳輸，同時功耗很低。與 LVDS 接口不同，它支持雙向通信。但與 LVDS 一樣，它需要先進的 PCB 布局技術。 事實上，涉及高速顯示接口的電路板設計的復雜性是相當大的。與僅需要控制單端走線阻抗的 SPI 或 RGB24 不同，對于MIPI-DSI 和 LVDS 接口，開發人員需要控制差分走線阻抗。需要遵守管理高速信號系統特征處理的嚴格規則，包括差分對內延遲差、參考時鐘信號的走線長度差異以及 PCB 層堆疊。在計劃實施包括大型顯示器的設計時，考慮到這些困難是很重要的。 還應該說，除了上述廣泛用于嵌入式系統的接口外，顯示器還可能支持電視和計算機顯示器等消費類設備中使用的多媒體接口：HDMI、DisplayPort 和嵌入式 DisplayPort (eDP)。一些用于嵌入式設計的 LCD 模塊也支持這些接口。例如，Winstar 使 LCD 模塊小至 5 英寸 WF50BTIFGDHTV 并帶有 HDMI 接口，旨在用于基于 Raspberry Pi™ 板的開發項目。 MCU/MPU 規格需要仔細研究 對于嵌入式開發人員來說，顯示接口的多樣性是一個問題，不僅僅是因為首選的 MCU 或處理器可能只支持單個顯示接口，而且這可能不是所選顯示器中的接口。比這更具挑戰性的是：如圖 2 所示，一些設備制造商僅支持整個產品系列中的有限的接口。許多 OEM 僅在單個 MCU 平臺上開發：這意味著他們只能從支持與該平臺相同接口的有限的顯示器范圍內進行選擇。
領先的 MCU 和嵌入式處理器制造商如何在其產品中支持顯示接口（圖片來源：富昌電子） 一般來說，高端的 MCU 為圖形顯示提供專用支持，包括支持各種顏色深度的并行 RGB24 等接口，或具有兩個或四個通道的 MIPI-DSI接口。 在非常高端的情況下，用于圖形應用的專用處理器甚至可以提供集成的 HDMI 或 eDP 接口。 當然，SPI 是任何 MCU 或處理器的標準功能，因此對于小型、低分辨率顯示器，主機控制器或處理器的選擇實際上是無限的。開發人員只需要注意包含通過 SPI 連接的許多外設的應用：這里，設計人員需要確保控制器或處理器有足夠的引腳和電路板空間，以將芯片選擇 (CS) 信號連接到顯示器，因為每個 SPI 設備（包括顯示器）都需要自己的 CS 信號。 如何處理接口不匹配 因此，本文表明，首選的 MCU 或處理器可能與首選的顯示器型號或尺寸不兼容。與其通過選擇不太適合應用的設備或顯示器來妥協，不如開發人員可以在兩個不兼容的接口之間建立一座橋梁。 實現這種橋接功能的最簡單方法是使用現成的 IC 來執行必要的轉換操作。一個例子是萊迪思半導體提供的 CrossLink 系列接口橋，如圖 3 所示。這些器件實際上是特定功能的 FPGA：它們在 MIPI-DSI、LVDS 和 RGB24 格式之間轉換信號，支持所有數據類型和任意數量的通道。
萊迪思 CrossLink 系列產品的轉換功能（圖片來源：萊迪思半導體） 而且，CrossLink 器件還執行附加功能，以從主控制器分流任務，例如 LCD 初始化、控制和排序。萊迪思為 FPGA 硬件提供特定應用 IP，因此設計人員無需使用 VHDL 或 Verilog 開發 FPGA 代碼。 CrossLink 系列中的八款產品包括一個采用小至 2.5 mm x 2.5 mm 的芯片級封裝的元器件。MIPI-DSI 接口模式下的性能足以支持 4K UHD 分辨率，并提供高達 12 Gbps 的數據速率。 雖然基于 FPGA 的 CrossLink 系列提供了在單個硬件平臺中支持多種數據格式的靈活性，但羅姆半導體還提供一系列固定功能 IC 解決方案。例如，BU90T82 串行器 IC 執行 RGB24 到 LVDS 的轉換，而 BU90R102 執行相反方向的轉換。 有時，情況不利于開發人員，并且不可能使用分立橋接 IC，例如當主控制器或處理器板設計完成、但營銷規格的最后一刻更改需要使用新的、具有不兼容接口的更高性能或更大的 LCD時。 如果生產運行率足夠高，天馬等一些顯示器制造商提供顯示器定制，提供支持客戶主板所需接口的獨特顯示器。 很明顯，由于主機 MCU 或應用處理器中對顯示接口的支持有限，顯示選擇問題變得復雜。恩智浦半導體、瑞薩、意法半導體和 Microchip 等制造商正在穩步增加他們提供的專業圖形顯示控制器和處理器的范圍，以響應市場不斷增長的需求，因此嵌入式設備和顯示器之間的兼容性會得到改善。 但在接口不匹配的情況下，萊迪思或羅姆半導體的接口轉換解決方案提供了一種解決方案，使開發人員能夠保留首選的顯示器和主機控制器或處理器。 |
