Рекомендации при выборе дисплеев для мобильной аппаратуры


PDF версия

Дисплей — один из ключевых компонентов большей части электронной аппаратуры. Свыше 90% продаваемых сегодня потребительских товаров оснащено дисплеями. Они используются в телевизорах с ЖК- и плазменными экранами, мониторах компьютеров, DVD- и AV/CD-плеерах. В еще большей мере, чем в домашних применениях, дисплеи используются в современных встраиваемых системах и измерительных приборах для организации пользовательского интерфейса, предоставляя средства настройки и отображения.

В настоящее время рынок дисплеев претерпевает значительные изменения. Не так давно невозможно было даже вообразить себе портативные приборы с цветным дисплеем. Правда, при переходе с монохромных дисплеев на цветные возникает ряд ограничений. Цветной дисплей потребляет больше электроэнергии, что резко снижает продолжительность непрерывной работы от батарей. Однако и технологии батарейного электропитания тоже не стоят на месте.
При создании цветных дисплеев используется множество разнообразных технологий, для которых характерны свои особенности. Известны, например, такие технологии пассивных матриц как Color STN LCD, UFB (Ultra Fine & Bright) LCD, UFS (Ultra Fine and high speed) LCD и PM-OLED (Passive Matrix Organic Light Emitting Device). ЖК-дисплеи с пассивными матрицами — экономичные решения, но для них характерны некоторые ограничения по времени отклика, существенные для видеоприложений.

Стремительно развивается прогрессивная технология органической электролюминесценции (разработка корпорации Kodak EK), у которой следующие преимущества перед ЖК-технологиями.
– OLED-дисплеи не имеют задней подсветки, поскольку излучают собственный свет. Их энергопотребление пропорционально количеству инициированных пикселов.
– OLED-дисплеи обладают более широким углом обзора и обеспечивают более высокую по сравнению с ЖК-дисплеями яркость изображения.
– OLED-дисплеи конструктивно делаются очень тонкими (1…3 мм), что благоприятно сказывается на габаритах приборов.
В настоящее время ведутся активные работы по увеличению формата панелей и повышению их разрешения. Рынок PM-OLED ориентирован, в первую очередь, на дисплеи отображения входящих звонков или дисплеи MP3-плееров.
Главными технологиями панелей дисплеев с активными матрицами являются: a-Si-TFT (amorphous Silicon TFT), LTPS (Low Temperature Poly Silicon) и AM-OLED (Active Matrix OLED). Некоторые фирмы работают над технологиями CGS (Continuous Grain Silicon), FED (Field Emission Device) и PDP (Plasma Display Panel). Технология CGS должна обеспечить дальнейшее повышение подвижности электронов в кремнии (300 см2/Vs макс.), по сравнению с TFT и LTPS. Эта технология наилучшим образом годится для применения в панелях среднего формата для мобильных решений. Технологии FED и PDP можно использовать только в крупноформатных системах, таких как телевизоры и мониторы, поскольку для них характерно довольно высокое энергопотребление и крупный шаг пикселов. Несмотря на то, что активная матрица имеет более высокое энергопотребление, чем пассивная, панели с активными матрицами обладают такими преимуществами как хороший отклик, высокий контраст, большой угол обзора, высокая насыщенность и чистота цвета, необходимыми для мобильных применений на основе мультимедийных платформ.
Выбор индикатора для разрабатываемого прибора обусловлен, в основном, четырьмя ключевыми параметрами: технологией, размерами, его разрешением и конструкцией. Выходя на рынок с мобильным прибором, производитель вынужден оглядываться на конкурентные разработки. Очевидно, что при большом выборе сегодняшний потребитель отдаст предпочтение прибору, оснащенному цветным и более информативным дисплеем, позволяющем осуществлять вывод сложных графиков и возможность создания графического интерфейса пользователя. Кроме того, приборы с цветными индикаторами обладают значительным преимуществом, позволяя «сделать красиво». Поэтому они побеждают на рынках, несмотря на технические сложности внедрения и более высокую цену. Вывести на этот сегмент рынка изделие с монохромным дисплеем можно только в нижней ценовой категории.
Простейшая модернизация мобильного прибора — замена монохромного индикатора цветным — обычно не составляет труда. Большинство малогабаритных индикаторов разных производителей, будь то OLED или TFT, имеет встроенные контроллеры с интерфейсами I2C, SPI, параллельным, цифровым RGB. Разработчикам остается лишь немного доделать программу, благо в современных средах разработки достаточно сходных проектов.
Значительно сложнее перейти на цветной индикатор большого формата. В основном, рынок TFT-дисплеев размером более 4 дюймов представлен моделями с аналоговым RGB-интерфейсом, цифровым интерфейсом, в котором каждая цветовая составляющая пиксела задается 6-ти или 8-битным значением, или LVDS-интерфейсом.
Недостатка в микроконтроллерах (МК), которые оснащены встроенными графическими контроллерами ЖКД для поддержки STN, CSTN, TFT и AD-TFT панелей, способными напрямую управлять ЖК-панелями, нет. Например, семейства iMX/PowerPC/ColdFire фирмы Freescale, семейства LH75xxx (84-МГц ядро ARM7TDMI™)/LH79xxx (77- МГц ядро ARM720T™)/LH7А4xx (266-МГц ядро ARM922T™)/LPC2478 фирмы NXP, AT91SAM9xxx компании ATMEL и др.
Однако в этом случае для модернизации прибора требуется замена элементной базы, написание и отладка программного обеспечения, что фактически означает разработку прибора с нуля с соответствующими финансовыми затратами. Помимо всего прочего, этот процесс предполагает наличие высококвалифицированных разработчиков микропроцессорной техники, которыми располагают далеко не все российские фирмы.
Буквально за последние два года на рынке появились TFT- и OLED-дисплеи большого формата (свыше 4,0 дюймов) со встроенным графическим контроллером, которые позволяют быстро и с малыми затратами подтянуть характеристики прибора под современные требования рынка.
К ведущим фирмам, разрабатывающим решения управления дисплеями, относятся Solomon Systech, Samsung, Epson.
Рассмотрим подробнее структуру графического контроллера на примере SSD1918 (компания Solomon Systech). Он ориентирован на использование в мобильных устройствах с малым энергопотреблением как собственно графического контроллера, так и системы в целом. Встроенная в прибор энергетически экономичная SRAM обеспечивает поддержку двухпанельных дисплеев в мобильных устройствах (см. рис. 1).

Рис.1. Типовая конфигурация в мобильном телефоне

Построение прибора на основе МК с интегрированным графическим контроллером позволяет сохранить некоторую площадь на печатной плате, но не стоимость системы в целом. Для всех применений со встроенной в МК функцией графического контроллера необходимо использовать буферную память. МК таким буфером оснащаются редко и, если он все-таки имеется, то обычно не способен поддерживать достаточно большие QVGA (320×240) полноцветные дисплеи. Это связано с тем, что организованный на едином кристалле буфер снижает выход годных микроконтроллеров и, следовательно, увеличивает их стоимость. Поэтому в большинстве случаев используется внешняя SDRAM, работающая совместно с памятью программ и используемая в качестве буфера изображения для дисплея.
Для конфигурации со встроенным в МК графическим контроллером (Случай 1) характерен следующий ряд недостатков по сравнению с решением на основе внешнего графического контроллера SSD1918.
1. Высокое энергопотребление в режиме ожидания.
Дисплей, обслуживаемый графическим контроллером процессора, непрерывно обновляется в соответствии с содержимым SDRAM, то есть если необходимо поддерживать отображение, то и SDRAM, и микроконтроллер никогда не переводятся в режим ожидания. Это ведет к высокому энергопотреблению всей системы.
В Случае 2 для обеспечения работы основной панели дисплея достаточно постоянно использовать только микросхему SSD1918, тогда как другие компоненты системы, такие как SDRAM и МК, можно вывести в режим ожидания (см. табл. 1).

Таблица 1. Энергопотребление конфигураций Случай 1 и Случай 2

Компонент системы

Конфигурация Случай 1

Конфигурация Случай 2

SDRAM (4Mx32)

~250 мВт

~3 мВт (режим ожидания)

Микроконтроллер

~80 мВт

~1 мВт (режим ожидания)

SSD1918

~4 мВт (дисплей не обновляется)

2,5 дюйма, 18-bpp QVGA TFT-дисплей

~20 мВт (большинство микроконтроллеров обеспечивают только 16 bpp)

~20 мВт (полная 18-bpp

глубина цвета)

Полное энергопотребление*

~350 мВт

~28 мВт

* Типовые состояния систем, потребление которых определяется характеристиками режима ожидания. Считается, что дисплей не использует подсветку.

 

2. Снижение эффективности работы микроконтроллера.
В нормальных режимах отображения дисплей никогда не должен выключаться. Несложный подсчет показывает, что при основной панели дисплея QVGA (320×240) с глубиной цвета 16bpp, 16-разрядной шине данных SDRAM и частоте обновления TFT-панели 60 Гц для обновления одного экрана потребуется 320×240×(16bpp)/(16bit) × 60 Гц = 4608000 циклов обращения для чтения в секунду. Этим объясняется затрата впустую, приблизительно, половины времени работы процессора, поскольку процессор не может выполнять полезные вычисления, если шина занята обновлением дисплея.
Эти циклы микроконтроллера можно использовать с пользой только в случае применения внешнего графического контроллера. Это значит, что или процессор сможет выполнять некоторую полезную работу, например декомпрессию видео с помощью SDRAM в качестве рабочего буфера, или же в системе будет задействован микроконтроллер с более низкой производительностью и, соответственно, с меньшей стоимостью.

Рис. 2. Конфигурации систем на основе МК со встроенным графическим контроллером (вверху) и на основе графического контроллера SSD1918 (внизу)

Другими достоинствами использования контроллера SSD1918 являются:
– возможность точной подстройки частоты под необходимые для конкретных TFT-дисплеев частоты. Что очень важно, необходимость изменять частоту кадров панели TFT дисплея не будет отрицательно влиять на производительность микроконтроллера;
– уровни напряжения сигналов модулей ЖКД могут отличаться (как в случае двухпанельного дисплея), и встроенный в МК графический контроллер не может быть адаптирован к такому варианту. Внешний графический контроллер SSD1918 позволяет сформировать для каждого интерфейса собственное напряжение в пределах 1,6…3,6 В;
– графический контроллер SSD1918 позволяет управлять скоростью нарастания управляющих дисплеем сигналов, что очень редко реализуется МК со встроенными графическими контроллерами.
Еще одним фактором, влияющим на выбор варианта использования графического контроллера, является постоянное развитие технологий и алгоритмов работы дисплеев, которые повышают качество отображения. Процесс разработки МК со встроенным графическим контроллером обычно занимает больше времени, чем разработка графического контроллера, что приводит к преждевременномау моральному старению решения со встроенным контроллером, не способного реализовать некоторые новые алгоритмы. Длительность цикла разработки отдельного графического контроллера намного короче цикла разработки микроконтроллерной системы на кристалле, что позволяет сократить время вывода на рынок конечного применения.
Современные контроллеры дисплеев оснащаются механизмом ускорения двумерной графики, способным поддерживать в мобильных устройствах начертание линий, прямоугольников, кругов и копирование группы элементов. Механизм ускорения двумерной графики способствует ускорению работы всей системы применения, поскольку освобождает главный процессор системы от трафика содержимого дисплея. Команды реализуются непосредственно в контроллерах модуля дисплея и высвобождают вычислительную мощность процессора для выполнения других, не связанных с дисплеем функций.
Разгрузка системного процессора предоставит разработчикам мобильных приложений большую гибкость в выборе типа системного процессора, что также существенно снижает влияние трафика данных на дисплей и на максимальную производительность соединения и позволяет реализовать более высокое разрешение.
Последние поколения микроконтроллеров для мобильных применений, относящихся к понятию системы на кристалле, лишены части указанных выше недостатков. Эти МК имеют интегрированные 2D/3D-ускорители, JPEG/MPEG-декодеры/энкодеры, большой объем видеопамяти на кристалле и т.д. Но для большинства мобильных измерительных приборов применение подобного решения неоправданно, т.к. оно немедленно приводит к увеличению стоимости изготовления плат (поскольку, в основном, подобные СнК ставят в BGA-корпуса), а также организации довольно сложной системы питания. Подобные системы требуют установки операционной системы (Linux/Windows).
Существует еще одно решение, позволяющее провести модернизацию прибора без основательного изменения его схемотехники. Это использование графического контроллера на основе ПЛИС. К примеру, фирма КТЦ-МК разработала линейку подобных устройств. Модули видеоконтроллера СЕ310-ХХ позволяют выводить информацию на TFT-дисплеи с помощью микроконтроллера, не имеющего встроенного контроллера ЖКД.
Особенности модулей:
– параллельный 16-битный интерфейс;
– управление яркости подсветки (16 ступеней);
– одно напряжение питания;
– потребляемый ток 30/60 мА (регенерация экрана/запись + регенерация).
Интерфейс управления модулей очень прост. Для вывода точки произвольного цвета в произвольный адрес активной области TFT-панели в модуль загружается следующая последовательность из трех слов: координата точки по Х и уровень яркости подсветки; координата точки по Y; цвет точки.
В настоящий момент доступны версии видеоконтроллеров для управления 7-дюймовыми дисплеями (800×480) и 5,7-дюймовыми (640×480). Возможна разработка подобных модулей под дисплей заказчика.
При проектировании переносных приборов актуальными становятся вопросы энергосбережения и эксплуатации при неблагоприятных условиях, например низкая температура, повышенная влажность, механические воздействия и т.д.
Работа с мобильными устройствами при дневном свете — одна из актуальных проблем эксплуатации приборов при ярком солнечном свете. На данный момент, если говорить о цветных дисплеях, только reflective TFT (Reflective TFT — дисплеи, которые имеют полностью отражающий зеркальный слой. Внешний свет или излучение передней подсветки при прохождении сквозь ЖКД отражаются от зеркального слоя и снова проходит через ЖКД) с передней подсветкой является единственным вариантом, обеспечивающим удовлетворительное качество отображения в этих условиях.
У большинства фирм-производителей дисплеев в портфеле обязательно присутствуют линейки дисплеев, ориентированных на применение в мобильных устройствах (см., например, таблицу 2 с номенклатурой TFT-дисплеев фирм Powertip и Microtips формата 2,8-…7-дюймов, ориентированных на использование в мобильной аппаратуре [1]).

Таблица 2. Дисплеи со встроенными контроллерами

Диагональ, дюйм.

Название модели

Разрешение, точек

Размер модуля, мм

Яркость

(кд/м2)

Контроллер

Интерфейс

Диапазон рабочих темп./ диапазон темп. хранения

TFT-дисплеи

3,5

PH320240T-015-I-Q

320XRGBX240

76,9×63,9×8,5

180

SSD1928

16-битный параллельный (8080) или последовательный (SPI); ШИМ регулировка яркости

-20…70/-30…80

3,5

PH320240T-015-I02Q (с T/P)

76,9X 63,9X9,75

130

16-битный параллельный (8080) или последовательный (SPI); контроллер сенсорной панели, ШИМ регулировка яркости

4,3

PH480272T-005-I10Q (with T/P)

480XRGBX272

105,5×67,2×9,2

260

SSD1963

16-бит параллельный интерфейс с МК 8080 или 6800

4,3

PH480272T-005-I09Q

105,5×67,2×8,0

5,7

MTF-TQ57SN741-AV

320XRGBX240

144,0X104,6X12,8

500

SSD1926R1

Цифровой 24-бит RGB

MTF-TQ57SP741-AV (with T/P)

144,0×104,6×14,3

400

MTF-TV57NN831-AV (with T/P)

640XRGBX480

144,0×104,6×12,8

450

CPU intеrface

7,0

MTF-TW70SN911-AV (with T/P)

800XRGBX480

165,0X104,00X8,6

220

LVDS

-30…80/-40…85

OLED-дисплеи

2,0

ОМА0000000007

176XRGBX220

37,3×50,25×1,6

175

S6E63D6

Параллельный (8080) 18-/1 6-/9-/8-бит или последовательный

-20…60/-40…85

OSD020AMQCIF-C (OSD)

200

Параллельный (8080/6800) 18-/16-/9/8-бит или последовательный

-40…70/-40…80

2,4

ОМА0000000008

240XRGBX320

42,0×59,0x1,65

Параллельный (8080) 18-/16-/9-/8-бит или последовательный

-20…60/-40…85

2,8

PPT9999-A003-08 -Q

50,0x 68,0X1,8

Последовательный (3-проводной (SPI) или цифровой 24-/18-8-бит RGB

Бытует мнение, что использование в мобильных приборах OLED-индикации приводит к существенной экономии в энергопотреблении. На наш взгляд, это справедливо только в случае малоформатных монохромных дисплеев OLED
(до 2 дюймов).
Перед выбором полноцветного OLED-дисплея формата 2…3 дюйма разработчики должны проанализировать характер выводимой информации.
Если это, в основном, текст с малым количеством графической информации, то выбор в пользу OLED целесообразен. Если же основной массив выводимого изображения — графическая информация, к тому же полноцветная, то выигрыш в энергопотреблении сомнителен. Конечно, можно значительно снизить интенсивность цвета выводимого на дисплей изображения, снизив тем самым потребление, но в этом случае разработчик лишится основного преимущества OLED-дисплеев — высокой контрастности, яркости и цветонасыщения выводимого изображения.
Монохромный OLED-дисплей того же формата и разрешения, что и полноцветный, потребляет энергии минимум в три раза меньше, т.к. активная точка цветного дисплея — это три пиксела RGB. Особенно критично, с точки зрения потребления энергии, отображение белого цвета, поскольку в этом случае задействованы все три пиксела.
Один из крупных производителей OLED-дисплеев, фирма UNIVISION, Тайвань, поддерживает широкую линейку дисплеев различного формата. Имеющаяся номенклатура предоставляет производителям переносной аппаратуры подобрать оптимальную модель индикатора [3].

ЛИТЕРАТУРА

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *