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來源：富昌電子 作者：Pawel Kaczynski，嵌入式系統(tǒng)卓越中心經(jīng)理 顯示器的選擇正在成為嵌入式開發(fā)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(tǒng)工業(yè)設(shè)備界面的固定功能按鈕、旋鈕和開關(guān)以及基本狀態(tài)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(fā)人員通常在處理新的設(shè)計項目時期望他們需要設(shè)計比上一代產(chǎn)品更大、圖形更豐富的顯示界面。 這不僅對顯示器本身的規(guī)格有重要影響，而且對嵌入式系統(tǒng)選擇微控制器或應(yīng)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(tǒng)中最常用的 MCU 和應(yīng)用處理器并不普遍支持這種接口。 這意味著設(shè)計人員的開發(fā)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(shè)計人員避免這種風(fēng)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(shù) 將設(shè)計人員首選的 MCU 或應(yīng)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(shù)據(jù)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(shè)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(tǒng)，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(tǒng)。 
顯示器接口與顯示器尺寸的近似關(guān)系（圖片來源：富昌電子） 然而，在遷移時通常會出現(xiàn)問題，例如，在使用新的、更大的圖形顯示器升級系統(tǒng)設(shè)計、但同時保留現(xiàn)有的 MCU時。MCU 可能有足夠的能力來驅(qū)動預(yù)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(shù)據(jù) (24 bpp)，或每種顏色 8 位數(shù)據(jù)。精簡版是 RGB565 (16 bpp) 和 RGB332 (8 bpp)。除了顯示數(shù)據(jù)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(shè)接口(SPI)：在嵌入式系統(tǒng)中，SPI 最常用于傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、存儲器和收發(fā)器等外設(shè)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(shù)據(jù)）、12 個信號（9 位并行數(shù)據(jù)）或 21 個信號（18 位并行數(shù)據(jù)）。 · 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(dāng)多的PCB布局專業(yè)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(shè)備，以及汽車和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它由一個用于時鐘的差分信號和至少一個用于數(shù)據(jù)的差分對組成（通常具有兩個或四個通道）。MIPI-DSI通過復(fù)雜的協(xié)議軟件運行，執(zhí)行高速數(shù)據(jù)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(shù)。 事實上，涉及高速顯示接口的電路板設(shè)計的復(fù)雜性是相當(dāng)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(fā)人員需要控制差分走線阻抗。需要遵守管理高速信號系統(tǒng)特征處理的嚴(yán)格規(guī)則，包括差分對內(nèi)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(shè)計時，考慮到這些困難是很重要的。 還應(yīng)該說，除了上述廣泛用于嵌入式系統(tǒng)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(shè)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(shè)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(fā)項目。 MCU/MPU 規(guī)格需要仔細(xì)研究 對于嵌入式開發(fā)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(zhàn)性的是：如圖 2 所示，一些設(shè)備制造商僅支持整個產(chǎn)品系列中的有限的接口。許多 OEM 僅在單個 MCU 平臺上開發(fā)：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(nèi)進行選擇。
領(lǐng)先的 MCU 和嵌入式處理器制造商如何在其產(chǎn)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(yīng)用的專用處理器甚至可以提供集成的 HDMI 或 eDP 接口。 當(dāng)然，SPI 是任何 MCU 或處理器的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)人員只需要注意包含通過 SPI 連接的許多外設(shè)的應(yīng)用：這里，設(shè)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(shè)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(yīng)用的設(shè)備或顯示器來妥協(xié)，不如開發(fā)人員可以在兩個不兼容的接口之間建立一座橋梁。 實現(xiàn)這種橋接功能的最簡單方法是使用現(xiàn)成的 IC 來執(zhí)行必要的轉(zhuǎn)換操作。一個例子是萊迪思半導(dǎo)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(zhuǎn)換信號，支持所有數(shù)據(jù)類型和任意數(shù)量的通道。
萊迪思 CrossLink 系列產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換功能（圖片來源：萊迪思半導(dǎo)體） 而且，CrossLink 器件還執(zhí)行附加功能，以從主控制器分流任務(wù)，例如 LCD 初始化、控制和排序。萊迪思為 FPGA 硬件提供特定應(yīng)用 IP，因此設(shè)計人員無需使用 VHDL 或 Verilog 開發(fā) FPGA 代碼。 CrossLink 系列中的八款產(chǎn)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(dá) 12 Gbps 的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式的靈活性，但羅姆半導(dǎo)體還提供一系列固定功能 IC 解決方案。例如，BU90T82 串行器 IC 執(zhí)行 RGB24 到 LVDS 的轉(zhuǎn)換，而 BU90R102 執(zhí)行相反方向的轉(zhuǎn)換。 有時，情況不利于開發(fā)人員，并且不可能使用分立橋接 IC，例如當(dāng)主控制器或處理器板設(shè)計完成、但營銷規(guī)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(chǎn)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(yīng)用處理器中對顯示接口的支持有限，顯示選擇問題變得復(fù)雜。恩智浦半導(dǎo)體、瑞薩、意法半導(dǎo)體和 Microchip 等制造商正在穩(wěn)步增加他們提供的專業(yè)圖形顯示控制器和處理器的范圍，以響應(yīng)市場不斷增長的需求，因此嵌入式設(shè)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(dǎo)體的接口轉(zhuǎn)換解決方案提供了一種解決方案，使開發(fā)人員能夠保留首選的顯示器和主機控制器或處理器。 |
