Wie funktioniert ein eingebettetes Anzeigesystem?

Ein Ein eingebettetes Anzeigesystem ist mehr als ein mit einem Gerät verbundener Bildschirm. Es handelt sich um eine Kombination aus einem Anzeigefeld, einem Anzeigecontroller, einem Speicher, einem Prozessor und einer Kommunikationsschnittstelle, die zusammenarbeiten, um digitale Daten in sichtbare Informationen umzuwandeln.

In einem typischen eingebetteten System generiert oder empfängt der Prozessor Bilddaten, speichert sie im Speicher und sendet diese Daten über einen Anzeigecontroller und eine Schnittstelle an das Anzeigefeld. Die genaue Architektur variiert je nach Gerät, der grundlegende Datenfluss bleibt jedoch ähnlich.

Prozessor / SoC → Framebuffer → Display Controller → Display Interface → Display Panel

Bei der Auswahl eines eingebetteten Displays ist es wichtig, diesen Datenpfad zu verstehen, da Displayauflösung, Schnittstelle, Speicher, Verarbeitungskapazität und Stromverbrauch alle zusammenarbeiten müssen.

Schlüsselkomponenten eines eingebetteten Anzeigesystems

1. Anzeigefeld

Das Anzeigefeld ist der Teil, der Bilddaten in sichtbare Inhalte umwandelt. Zu den gängigen Technologien gehören TFT-LCD , OLED und, in spezielleren Low-Power-Anwendungen, E-Ink.

Für Industrie- und Embedded-Geräte wird TFT-LCD nach wie vor häufig verwendet, da es in vielen Größen, Auflösungen, Helligkeitsstufen und Schnittstellenkonfigurationen erhältlich ist.

Die Panelspezifikation bestimmt wichtige Eigenschaften wie:

• Auflösung

• Helligkeit

• Betrachtungswinkel

• Farbleistung

• Betriebstemperatur

• Stromverbrauch

• Physikalische Dimensionen

Das Anzeigepanel verarbeitet jedoch normalerweise keine Anwendungsdaten selbst. Es hängt von der umgebenden Elektronik ab, ob sie die Bildinformationen korrekt empfängt und weiterleitet.

2. Display-Controller

Der Display-Controller verwaltet die Übertragung der Bilddaten an das Panel.

Abhängig von der Systemarchitektur kann der Display-Controller in die MCU oder den SoC integriert, in einem separaten Controller-IC enthalten oder in das Display-Modul integriert sein.

Zu seinen Aufgaben können gehören:

• Pixeldaten aus dem Speicher lesen

• Generieren des erforderlichen Anzeige-Timings

• Senden von Bilddaten über die ausgewählte Schnittstelle

• Steuern von Aktualisierungsvorgängen

• Anzeigespezifische Signale verwalten

Für ein einfaches eingebettetes Display kann eine MCU mit integriertem Display-Controller ausreichend sein. Größere oder höher auflösende Displays erfordern möglicherweise einen leistungsfähigeren Prozessor oder eine dedizierte Grafikhardware.

3. Framebuffer: Wo die Bilddaten gespeichert werden

Bevor Bilddaten das Display erreichen, müssen sie normalerweise in einem Framebuffer gespeichert werden.

Ein Framebuffer ist ein Speicherabschnitt, der die Pixelinformationen enthält, die das aktuelle Bildschirmbild darstellen. Die benötigte Speichermenge hängt hauptsächlich von der Auflösung und Farbtiefe ab.

Für eine 320 × 240-Anzeige mit 16-Bit-Farbe ist beispielsweise Folgendes erforderlich:

320 × 240 × 2 Byte = 153.600 Byte

Die gleiche Berechnung kann für andere Auflösungen verwendet werden:

Diese Zahlen stellen den Speicherbedarf für einen einzelnen Framebuffer dar und beinhalten keinen zusätzlichen Speicher, der möglicherweise vom Betriebssystem, der Grafik-Engine, der Doppelpufferung oder der Anwendungssoftware benötigt wird.

Diese Unterscheidung ist im Embedded-Design wichtig. Ein Display ist möglicherweise elektrisch mit einem Prozessor kompatibel, das System kann jedoch bei der Verarbeitung höherer Auflösungen oder komplexerer Grafiken dennoch an Leistungs- oder Speicherbeschränkungen stoßen.

4. Mikrocontroller oder SoC

Der MCU oder SoC stellt die Rechenleistung hinter dem Anzeigesystem bereit.

Es kann die Benutzeroberfläche generieren, Sensordaten verarbeiten, Informationen von anderen Geräten empfangen und bestimmen, was auf dem Bildschirm angezeigt werden soll.

Bei einem einfachen Bedienfeld muss der Prozessor möglicherweise nur wenige Werte oder Grafikelemente gleichzeitig aktualisieren. Eine fortschrittlichere Benutzeroberfläche erfordert möglicherweise deutlich mehr Rechenleistung für Animationen, Videos, 3D-Grafiken oder ein vollständiges Betriebssystem.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl der Anzeige nicht unabhängig vom Systemprozessor erfolgen.

Ein 7-Zoll-Display und ein 7-Zoll-Display können je nach Auflösung, Schnittstelle, Bildwiederholfrequenz, Grafikinhalt und beabsichtigter Anwendung völlig unterschiedliche Systemanforderungen haben.

Wie Daten vom Prozessor zum Display gelangen

Der grundlegende Prozess kann in mehrere Schritte vereinfacht werden:

1. Der Prozessor generiert Bildinhalte

Die MCU, CPU oder SoC bestimmt basierend auf Anwendungsdaten und Benutzereingaben, was angezeigt werden soll.

2. Pixeldaten werden im Speicher gespeichert

Das Bild wird in einen Framebuffer oder einen anderen Grafikspeicherbereich geschrieben.

3. Der Display-Controller liest die Daten

Der Controller ruft Pixelinformationen ab und organisiert sie entsprechend dem für die Anzeige erforderlichen Timing und Format.

4. Die Datenübertragung erfolgt über die Display-Schnittstelle

Abhängig von der Display-Architektur können Schnittstellen wie RGB, LVDS, MIPI DSI oder SPI verwendet werden.

5. Das Anzeigefeld wandelt die elektrischen Signale in ein Bild um

Das Panel empfängt die Pixeldaten und aktualisiert die entsprechenden Pixel, um das endgültige Bild zu erzeugen.

Dieser gesamte Vorgang läuft kontinuierlich ab, während das Display in Betrieb ist. Die eigentliche Implementierung kann deutlich komplexer sein, insbesondere wenn es um Grafikbeschleunigung, Videoverarbeitung, Touch-Eingabe oder ein Betriebssystem geht.

Warum die Auswahl der Anzeigeschnittstelle wichtig ist

Die Schnittstelle ist die Verbindung zwischen dem Display-Controller und dem Panel und beeinflusst Bandbreite, Verkabelung, Systemarchitektur und Integrationskomplexität.

Zu den gängigen Schnittstellen gehören:

Die richtige Schnittstelle hängt nicht nur von der Displaygröße ab.

Beispielsweise benötigt ein hochauflösendes Display mit einer hohen Bildwiederholfrequenz deutlich mehr Datenbandbreite als ein kleines Panel, das relativ statische Informationen anzeigt. Prozessor und Controller müssen außerdem die erforderliche Schnittstelle und das erforderliche Timing unterstützen.

Dies ist einer der Gründe, warum ein eingebettetes Display als Teil des Gesamtsystems und nicht als isoliertes Panel bewertet werden sollte.

Eine einfache eingebettete Display-Architektur

Ein typisches eingebettetes Anzeigesystem kann daher als fünf verbundene Schichten verstanden werden:

Anwendung / Benutzeroberfläche

Legt fest, welche Informationen angezeigt werden müssen.

↓

MCU / CPU / SoC

Verarbeitet Anwendungsdaten und generiert Grafiken.

↓

Framebuffer / Grafikspeicher

Speichert Pixeldaten.

↓

Display-Controller + Schnittstelle

Konvertiert und überträgt die Daten entsprechend den Panel-Anforderungen.

↓

Anzeigefeld

Wandelt die eingehenden Signale in das sichtbare Bild um.

Sobald diese Architektur klar ist, wird die Wahl zwischen LCD, OLED, verschiedenen Schnittstellen, Touch-Technologien und Energiesparansätzen viel einfacher zu beurteilen.

Gängige Anzeigetechnologien in eingebetteten Systemen

Sobald der grundlegende Datenpfad verstanden ist, ist die nächste Überlegung die Anzeigetechnologie selbst. LCD, OLED und E-Ink verhalten sich unterschiedlich und eignen sich daher für unterschiedliche eingebettete Anwendungen.

TFT-LCD: Die praktische Wahl für viele eingebettete Systeme

TFT-LCD ist nach wie vor eine der am weitesten verbreiteten Anzeigetechnologien in eingebetteten Geräten. Es bietet eine breite Palette an Größen, Auflösungen, Helligkeitsstufen, Schnittstellen und Betriebstemperaturoptionen.

Für Industrieanlagen kann TFT-LCD mit folgenden Funktionen konfiguriert werden:

• Hintergrundbeleuchtung mit hoher Helligkeit

• Betrieb bei weitem Temperaturbereich

• Große Betrachtungswinkel

• Optisches Bonden

• Blendschutz- oder Antireflexionsbehandlungen

• Kundenspezifische mechanische Abmessungen

Dadurch eignet sich TFT-LCD für HMIs, Messgeräte, medizinische Geräte, Automobilsysteme und andere eingebettete Anwendungen, bei denen es auf langfristige Verfügbarkeit und vorhersehbare Leistung ankommt.

OLED: Dünn und kontrastreich

OLED-Pixel erzeugen ihr eigenes Licht, sodass ein OLED-Display keine herkömmliche LCD-Hintergrundbeleuchtung benötigt.

Dadurch können OLED-Module Folgendes erreichen:

• Hoher Kontrast

• Tiefe Schwarzwerte

• Dünne Konstruktion

• Schnelle Reaktion

• Geringer Stromverbrauch bei der Anzeige dunklerer Inhalte

Allerdings ist OLED nicht automatisch für jedes Embedded-System die bessere Wahl. Langfristige Helligkeitsanforderungen, Betriebstemperatur, Lebensdauer, Überlegungen zum Einbrennen und Kosten müssen alle für die spezifische Anwendung bewertet werden.

E-Ink: Entwickelt für statische Inhalte mit geringem Stromverbrauch

E-Ink-Displays unterscheiden sich grundlegend von LCD und OLED. Sie sind besonders nützlich, wenn sich die angezeigten Informationen selten ändern und ein extrem niedriger Stromverbrauch wichtig ist.

Zu den typischen Anwendungen gehören elektronische Etiketten, E-Reader und andere Geräte mit geringem Stromverbrauch.

Der Kompromiss ist die Aktualisierungsgeschwindigkeit. E-Ink eignet sich im Allgemeinen nicht für Schnittstellen, die kontinuierliche Animationen, schnelle Videos oder schnelle Bildschirmaktualisierungen erfordern.

Touchscreen-Integration

Viele eingebettete Anzeigesysteme verfügen auch über einen Touchscreen. In diesem Fall verfügt das Anzeigesystem zusätzlich zum Bildpfad über einen weiteren Datenpfad.

Eine vereinfachte Architektur sieht so aus:

Anzeige:
Prozessor → Anzeigecontroller → Anzeigefeld

Berührung:
Berührungssensor → Touch-Controller → MCU / SoC

Die beiden Systeme arbeiten zusammen, erfüllen jedoch unterschiedliche Funktionen.

A Das kapazitive Touchpanel erkennt durch eine Berührung verursachte Änderungen der elektrischen Eigenschaften und sendet die erkannte Position an das Hostsystem. Resistive Touchpanels erkennen stattdessen den physischen Druck zwischen leitenden Schichten.

Die Wahl hängt von der Anwendung ab.

PCAP Touch wird im Allgemeinen bevorzugt, wenn das System Folgendes erfordert:

• Multi-Touch

• Leichte Bedienung

• Hohe optische Klarheit

• Gesteninteraktion

• Eine Oberfläche auf Glasbasis

Resistive Touch kann von Vorteil sein, wenn das System Folgendes erfordert:

• Bedienung mit Handschuh oder Stift

• Eingabe mit nichtleitenden Gegenständen

• Einfache Single-Touch-Interaktion

• Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen

Bei Industriegeräten hängt die Touch-Leistung auch von Faktoren ab, die über den Sensor selbst hinausgehen. Die Dicke des Deckglases, die Verbindung, die Erdung, elektromagnetische Störungen, Feuchtigkeit, die Abstimmung des Controllers und das Gehäusedesign können das Endergebnis beeinflussen.

Stromverbrauch in eingebetteten Anzeigesystemen

Der Stromverbrauch wird nicht allein durch die Displaygröße bestimmt.

Das Gesamtstrombudget kann Folgendes umfassen:

• Anzeigefeld

• LCD-Hintergrundbeleuchtung oder OLED-Pixel

• Display-Controller

• MCU oder SoC

• Touch-Controller

• Hintergrundbeleuchtungstreiber

• Kommunikationsschnittstellen

Bei einem LCD ist die Hintergrundbeleuchtung häufig einer der größten Faktoren für den Stromverbrauch des Displays. Eine Erhöhung der Helligkeit kann daher den Strombedarf des Systems erhöhen.

OLEDs verhalten sich anders, da ihre Pixel Licht direkt abstrahlen. Der Stromverbrauch variiert je nach angezeigtem Inhalt.

E-Ink ist wiederum anders: Es verbraucht nur sehr wenig Strom, um ein statisches Bild aufrechtzuerhalten, benötigt jedoch Energie, wenn sich das Bild ändert.

Das bedeutet, dass die richtige Technologie vom tatsächlichen Betriebsmuster des Geräts abhängt und nicht einfach die Technologie mit dem niedrigsten Nennstromverbrauch ausgewählt werden muss.

Eingebettete Displays in industriellen Anwendungen

Bei Industrieanlagen sind eingebettete Displays oft stärker eingeschränkt als bei Konsumgütern.

Ein Display muss möglicherweise kontinuierlich betrieben werden, während es folgenden Einflüssen ausgesetzt ist:

• Große Temperaturschwankungen

• Vibration und Schock

• Staub oder Feuchtigkeit

• Elektromagnetische Störungen

• Direktes Sonnenlicht

• Begrenzter Installationsraum

Aus diesem Grund, Bei der Auswahl industrieller Displays geht es oft um mehr als nur um die Auswahl von Auflösung und Bildschirmgröße.

Beispielsweise erfordert ein Steuerterminal für den Außenbereich möglicherweise ein hochhelles TFT-LCD, optisches Bonden, eine Anti-Glare-Behandlung und einen Touch-Controller, der mit Feuchtigkeit und Handschuhen zurechtkommt.

Eine werkseitige HMI kann stattdessen den Betrieb bei weiten Temperaturen, langfristige Verfügbarkeit, zuverlässige Touch-Leistung und Kompatibilität mit dem Host-Controller priorisieren.

Eingebettete Displays für Medizin und Automobil

Medizinische Geräte können eine hohe Lesbarkeit, einen stabilen Betrieb und eine sorgfältig kontrollierte mechanische und elektrische Integration erfordern. Je nach Gerät können Faktoren wie Helligkeitskonsistenz, Betrachtungswinkel, Berührungsreaktion, Reinigungsanforderungen und Betriebstemperatur von Bedeutung sein.

Automobilsysteme führen zu weiteren Einschränkungen, darunter Temperaturschwankungen, Vibrationen, Sonneneinstrahlung, elektromagnetische Verträglichkeit und mechanische Integration.

In beiden Fällen sollte das Display als Teil des Gesamtgeräts und nicht als eigenständige Komponente betrachtet werden.

Was sollten Sie prüfen, bevor Sie sich für ein eingebettetes Display entscheiden?

Bevor Sie sich für ein eingebettetes Display entscheiden, ist es sinnvoll, zunächst die Systemanforderungen zu definieren.

Anzeigeanforderungen

Überprüfen:

• Bildschirmgröße

• Auflösung

• Helligkeit

• Betrachtungswinkel

• Kontrast

• Betriebstemperatur

• Mechanische Abmessungen

Schnittstellenanforderungen

Stellen Sie sicher, dass die Anzeigeschnittstelle mit dem Hostsystem kompatibel ist.

Zu den gängigen Optionen gehören:

• RGB

• LVDS

• MIPI DSI

• SPI

Die verfügbare Bandbreite sollte zudem für die erforderliche Auflösung, Bildwiederholfrequenz und Farbtiefe ausreichen.

Berühren Sie Anforderungen

Wenn Berührung erforderlich ist, geben Sie Folgendes an:

• Kapazitiv oder ohmsch

• Anzahl der Berührungspunkte

• Handschuhoperation

• Wassertoleranz

• Dicke des Deckglases

• Oberflächenbehandlung

• Touch-Controller und Kommunikationsschnittstelle

Umweltanforderungen

Berücksichtigen Sie bei Industrieanlagen auch Folgendes:

• Betriebs- und Lagertemperatur

• Luftfeuchtigkeit

• Vibration und Schock

• Staub- und Wassereinwirkung

• ESD und EMI

• Lesbarkeit bei Sonnenlicht

• Erforderliche Lebensdauer

Diese Anforderungen sollten vor der Auswahl des Panels definiert werden, da eine spätere Änderung der Anzeige Auswirkungen auf die mechanische Struktur, den Controller, die Firmware, das Stromversorgungsdesign und das Gehäuse haben kann.

Abschluss

Ein eingebettetes Anzeigesystem ist eine Kombination aus Hardware und Software und nicht nur ein Anzeigefeld.

Der Prozessor generiert den Inhalt, der Speicher speichert Pixeldaten, der Display-Controller verwaltet das Timing und die Datenübertragung und die Display-Schnittstelle liefert diese Informationen an das Panel. Wenn Touch enthalten ist, verarbeiten ein separater Touch-Sensor und ein Controller die Benutzereingaben.

Die Anzeigetechnologie bestimmt dann, wie das System diese Informationen darstellt und welche Kompromisse hinsichtlich Stromverbrauch, optischer Leistung, Haltbarkeit und Integration erforderlich sind.

Für eingebettete Produkte ist daher nicht unbedingt das Display mit der höchsten Auflösung oder der fortschrittlichsten Technologie das am besten geeignete Display. Es ist dasjenige, das zur gesamten Systemarchitektur und Betriebsumgebung passt.

Bei FANNAL entwickeln wir maßgeschneiderte Display- und Touch-Lösungen für eingebettete, industrielle, medizinische, Automobil- und andere anwendungsspezifische Systeme, einschließlich kundenspezifischer Panel-Spezifikationen, Touch-Integration, Bonding und Schnittstellenkonfigurationen.

FAQ

Was ist ein eingebettetes Anzeigesystem?

Ein eingebettetes Anzeigesystem ist ein Display, das direkt in ein elektronisches Gerät integriert ist. Es kombiniert typischerweise ein Anzeigefeld mit einem Prozessor oder Controller, einem Speicher, einer Kommunikationsschnittstelle und bei Bedarf einem Touchscreen.

Wie funktioniert ein eingebettetes Display?

Der Prozessor generiert Bilddaten und speichert sie im Speicher. Ein Display-Controller liest die Daten und sendet sie über eine entsprechende Schnittstelle an das Display-Panel, das die Signale in das sichtbare Bild umwandelt.

Welche Komponenten werden für ein Embedded Display benötigt?

Ein typisches System umfasst ein Anzeigefeld, einen Prozessor oder SoC, einen Anzeigecontroller, einen Framebuffer oder Grafikspeicher und eine Anzeigeschnittstelle. Wenn eine Berührungseingabe erforderlich ist, können ein Berührungssensor und ein Berührungscontroller hinzugefügt werden.

Welche Schnittstelle sollte ich für ein eingebettetes Display verwenden?

Die geeignete Schnittstelle hängt von Auflösung, Bildwiederholfrequenz, Bandbreite, Prozessorunterstützung und Systemarchitektur ab. SPI ist für kleinere Displays üblich, während RGB, LVDS und MIPI DSI in Systemen mit unterschiedlichen Leistungs- und Integrationsanforderungen verwendet werden.

Wie wähle ich ein eingebettetes Display für Industrieanlagen aus?

Beginnen Sie mit der tatsächlichen Betriebsumgebung und den Systemanforderungen. Berücksichtigen Sie Helligkeit, Temperaturbereich, Betrachtungswinkel, Schnittstelle, Touch-Methode, Stromverbrauch, mechanische Abmessungen, EMI/ESD-Anforderungen und erwartete Lebensdauer, anstatt eine Entscheidung allein aufgrund der Bildschirmgröße oder Auflösung zu treffen.