Integration eines LCD Display Panels in QSeven basierende Embedded-Systeme
Zusammenspiel von
LCD Panels und QSeven

Um eine komplette Lösung zu realisieren, integrieren heutzutage bereits zahlreiche Embedded-Systeme ein leistungsfähiges Display. In der Regel kommt statt eines Standard Displays ein kostengünstiges LCD Panel, das sich zudem relativ leicht einbauen lässt, zum Einsatz.
Das LCD Panel bietet dem Systemhersteller eine hohe Flexibilität in der Realisierung seiner speziellen Lösung, jedoch ist ein zusätzlicher Aufwand nötig, um das „nackte“ Display Panel Interface zu unterstützen. Im Gegensatz zu Standard Monitor Displays, die VGA oder seit neuem DVI und Display Port Interfaces nutzen, bietet die Schnittstelle für LCD Panels dem Systemintegrator zusätzliche Möglichkeiten. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Zusammenspiel von LCD Panels und QSeven Systeme, die als auf einem Carrier Baseboard aufgesetzte Computer-On-Module (COM) bestehen.

Die LCD Panel-Technologie

LCD Display Panels sind dank ihres vielfachen Einsatzes in Laptops und als Flat Panel Display Monitore für PCs heute weit verbreitet. Die Datenschnittstelle der LCD Panels ist üblicherweise ein paralleles TTL Interface, das aus jeweils sechs oder 8Bit für R, G und B Daten sowie den Kontrollsignalen Hsync, Vsync, DE und einem Clock besteht. Die Mehrzahl der heutigen LCD Panels nutzen jedoch eine serielle LVDS-Schnittstelle, wodurch sich die Kabelverbindung vereinfacht. Der Serial LVDS-Datenstrom wird dann von einem lokalen, im Panel integrierten Controller zu parallelen Daten rückgewandelt, um damit das Display zu treiben. Die direkte TTL-Schnittstelle wird nach wie vor von einigen sehr kleinen Displays (unter 5 Zoll) genutzt.

Das LVDS-Interface

In diesem Artikel steht LVDS für die wesentlich korrekteren Ausdrücke FPDI und (Open) LDI. Die LVDS-Schnittstelle ist ein extrem schnelles Differential Serial Interface, bei dem die RGB Pixel-Daten in drei oder vier serielle Ströme oder Links gepackt werden. Jeder Link beinhaltet 7Bit Daten pro Pixel Clock, sodass sich mit drei Links 21Bit übertragen lassen. Diese 21Bits umfassen jeweils 6Bit R, G und B Daten plus die drei Kontrollsignale Hsync, Vsync und DE (Bild 2). Für den Takt ist ein separater Link vorgesehen, der für je 7 Bit Daten einen Puls auf den anderen Links generiert – das ist die Pixel Clock-Frequenz. Damit lassen sich mit drei Links + Clock 18Bit RGB-Information per Pixel senden. Um mehr Farbtiefe zu erreichen, ist optional ein vierter Link vorgesehen, der weitere 7Bit (2Bit rot, 2Bit grün, 2Bit blau und ein zusätzliches Bit) zur Verfügung stellt. Damit lässt sich eine Farbtiefe von bis zu 24Bit per Pixel (bpp) erreichen. Es gibt zwei unterschiedlich definierte Standards, die Daten in das 24bpp-Format zu packen. Die erste Möglichkeit ist, die LS Bits der RGB-Daten im vierten Link zu konzentrieren (nicht konventionell oder OpenLDI bekannt). Die zweite Option reserviert den vierten Link für die MS Bit (als konventionell, auch VESA oder FPDI bekannt) (Bild 2). Typischerweise liegt die LVDS Pixel Clock-Frequenz im Bereich von 25MHz bis 112MHz (programmierbar). Mit einer maximalen Pixel Taktfrequenz von 112MHz können Panels bis zu einer Auflösung von 1280 x 800 (WXGA)

Das Panel Daten-Interface

Standardmonitore verfügen über exakt definierte Steckerschnittstellen, wie VGA, DVI-x, HDMI und Display Port. Im Gegensatz dazu sind LCD Panel Interfaces nicht standardisiert, weder auf der Controllerbaugruppe noch auf dem Panel. Jeder Panel-Anbieter nutzt unterschiedliche Steckertypen und Pinning. Allerdings wird von den Embedded Baugruppen-und Modulherstellern ein Schnittstellentyp favorisiert: das JILI Interface, und im besonderen der JILI30-Standard mit 30-fachem Kabelanschluss. MSC liefert vorkonfigurierte JILI30-Kabel für ihre QSeven Lösungen, die für eine breite Palette an unterschiedlichen LCD Panels passen (Bild 3).

Das Backlight Interface

LCD Displays benötigen ein Backlight als Lichtquelle, die heute überwiegend in CCFL-Technologie (cold cathode fluorescent lamp) realisert wird. LED Backlight getriebene Displays setzen sich dank ihres geringen Leistungsverbrauchs jedoch immer mehr durch – gerade für kleinere, bis zu 15 Zoll große Displays. Die CCFL Backlight-Systeme arbeiten mit einer AC-Hochspannung von etwa 800Vrms, die von einer zusätzlichen kleinen Inverter-Board generiert wird. Der Inverter benötigt Power und Ground, Backlight ein/aus-Steuerung und Helligkeitssteuerung. Das Q7 Modul liefert ein PWM Signal, die über dem Baseboard in einen analogen Level konvertiert werden kann oder direkt (auch invertiert) an das Inverter geht. Der CCFL Inverter mit dem Stromversorgungskabel befindet sich typischerweise auf der Rückseite des LCD Panel (Bild 3). Für LED Backlight Panels wird der Inverter durch eine LED-Treiberbaugruppe ersetzt, die oftmals im Display integriert ist. Die fehlende Standardisierung der Inverter/LED-Treiberschnittstelle führt zu einigen Schwierigkeiten bei dem erstmaligen Anschluss eines LCD Panels. Dabei bringt das Q7 Modul und das MSC Q7-MB-EP1 Baseboard zusätzliche Flexibilität über Jumper und BIOS-Settings, um unterschiedliche Lösungen zu unterstützen.

EDID/EPI

Gängige PC-Monitore verfügen über einen Display Datenkanal (DDC), der über einen auf einem I2C-Bus basierenden, seriellen Link die Verbindung zum Grafikcontroller herstellt. LCD Panels hingegen unterstützen in der Regel DDC nicht. Die wenigen Panel-Typen, die DDC anbieten, integrieren ein EEPROM, das über I2C ausgelesen werden kann und die gewünschte Auflösung und die Timing-Paramter für den Bildschirm enthält. Nach der Auswahl des Panels einschließlich der benötigten Kabel muss das Panel an das COM und das Baseboard angeschlossen werden. Das System-BIOS des Moduls umfasst ein Video BIOS, das eine Auswahl an 16 verschiedene LCD Panels enthält. Im 9 von 10 Fälle, ist es wahrscheinlich, dass das gewählte Panel durch eines der 16 im Standard-BIOS gespeicherten Werte unterstützt wird. In dem Fall, das Display nicht in der Default Liste vorkommt ist es möglich, anstelle der Entwicklung eines kundenspezifischen BIOS ein programmierbares EEPROM auf der Controller-Baugruppe zu nutzen. Das 128Byte große EEPROM kann sich auf dem Baseboard befinden. Zum Beispiel das MSC Q7-MB-EP1 klein Form-factor Baseboard enthält so ein EEPROM. Der Inhalt und das Format des EEPROMs werden in unterschiedlichen Standards (EDID 1.x, EDID 2.x, Enhanced EDID) definiert. Eine Reihe von Modulherstellern, unter anderem die MSC schlossen sich damals zu dem EPI-Konsortium zusammen (http://www.epi-standard.org/) und entwickelten den EPI-Standard. Dieser Standard ergänzt die EDID-Daten mit detaillierten Informationen zum Timing des Panels, die benötigt werden, um die unterschiedlichen angebotenen Panel-Modelle zu treiben. Die EPI-Organisation bietet auch ein Windows basierendes Utility-Programm an, das kostenfrei von der Webseite heruntergeladen werden kann. Die für das TFT Panel auszuwählenden Parameter umfassen die Farbtiefe (18/24 bpp), die Anzahl der LVDS-Kanäle, die LVDS-Zuordnung (Mapping) des vierten Links, die Signalpolaritäten usw. Bild 4 zeigt ein Screenshot dieses Programms. Nach der Eingabe der Parameter lassen sich die Daten mit speichern. Anschließend wird automatisch ein Binary Data File erzeugt, das in das Baseboard EDID/EPI EEPROM geladen werden kann.

Zusammenfassung

Die Integration eines LCD Panels in eine QSeven Embedded-Lösung ist relativ einfach, wenn die grundlegenden Konzepte und Terminologien bekannt sind. Das QSeven System bietet wegen sein sehr kompakte Grosse und niedrige Stromverbrauch eine kostengünstige Lösung für embedded Lösungen in Digital Signage, POS/POI, HMI und viele andere Bereiche. Die MSC Vertriebs GmbH unterstützt ihre Kunden bei der Integration mit ihren Computer-On-Modulen und Referenzdesign-Baseboards sowie einer breiten Palette an LCD Panels inklusive vorkonfigurierter Daten- und Inverter-Stromversorgungskabeln.

Autor: Tony Hearn, MSC Vertriebs GmbH