控制器和显示器接口之间的不匹配：开发者指南

作者：Pawel Kaczynski，嵌入式系统卓越中心经理

显示器的选择正在成为嵌入式开发过程中越来越重要的元素。对于伴随智能手机触摸屏界面长大的新一代用户而言，传统工业设备界面的固定功能按钮、旋钮和开关以及基本状态指示灯 LED 似乎是对黑暗时代的回归。

因此，世界各地的嵌入式开发人员通常在处理新的设计项目时期望他们需要设计比上一代产品更大、图形更丰富的显示界面。

这不仅对显示器本身的规格有重要影响，而且对嵌入式系统选择微控制器或应用处理器也有重要影响。这是因为显示器可能拥有与主机控制器或处理器连接的大量接口之一，但嵌入式系统中最常用的 MCU 和应用处理器并不普遍支持这种接口。

这意味着设计人员的开发计划比以往任何时候都更容易因显示器和主机控制器之间的不匹配而受挫。为了帮助设计人员避免这种风险，本文介绍了 LCD 使用的最常见接口，以及流行的 MCU 和处理器系列对它们的支持程度。

多种显示器接口技术

将设计人员首选的 MCU 或应用处理器与他们首选的显示器相匹配的问题在于，虽然显示器制造商使用的接口很多，但 MCU 或处理器通常只支持一两种。

幸运的是，显示器制造商对接口的选择并不是随机的：低频、低数据速率的接口通常用于更小、更简单的显示器；更快的接口通常用于对角线尺寸超过 10 英寸的大型显示器，如图 1 所示。嵌入式设计人员往往希望指定支持低速接口的低端 MCU 来控制具有小显示器的系统，以及支持高速接口的高速处理器来控制具有大显示器的系统。

显示器接口与显示器尺寸的近似关系（图片来源：富昌电子）

然而，在迁移时通常会出现问题，例如，在使用新的、更大的图形显示器升级系统设计、但同时保留现有的 MCU时。MCU 可能有足够的能力来驱动预期的显示输出，但它是否有正确的板载接口？

此时，了解嵌入式显示器中可能使用的全部接口非常重要。最常见的是：

· RGB：并行接口。完整版的 RGB 接口每像素传输 24 位数据 (24 bpp)，或每种颜色 8 位数据。精简版是 RGB565 (16 bpp) 和 RGB332 (8 bpp)。除了显示数据信号外，该接口还传输控制信号：行和列指针（VSYNC 和 HSYNC），以及控制刷新率的时钟信号。

· 串行外设接口(SPI)：在嵌入式系统中，SPI 最常用于传感器、数据转换器、存储器和收发器等外设与主机MCU 之间的通信。然而，小型低分辨率 LCD 也可以通过 SPI 连接到 MCU。

· MCU 并行接口：该接口的多个版本正在使用中。MCU 可以使用 11 个信号（8 位并行数据）、12 个信号（9 位并行数据）或 21 个信号（18 位并行数据）。

· 低压差分信号（LVDS）：一种高速信号接口。在15英寸的较小 LCD 中，制造商使用具有 4 或 6 路的单通道 LVDS 接口，而在大于 15英寸的 LCD 单元中使用双通道 LVDS 接口。LVDS 接口对 EMI 具有高抗扰度，并且功耗低。但是它的高速运行需要相当多的PCB布局专业知识。

· MIPI 显示串行接口 (MIPI-DSI)：类似于 LVDS，一种高速信号接口，但主要用于手机和平板电脑等移动设备，以及汽车和物联网设备。它由一个用于时钟的差分信号和至少一个用于数据的差分对组成（通常具有两个或四个通道）。MIPI-DSI通过复杂的协议软件运行，执行高速数据传输，同时功耗很低。与 LVDS 接口不同，它支持双向通信。但与 LVDS 一样，它需要先进的 PCB 布局技术。

事实上，涉及高速显示接口的电路板设计的复杂性是相当大的。与仅需要控制单端走线阻抗的 SPI 或 RGB24 不同，对于MIPI-DSI 和 LVDS 接口，开发人员需要控制差分走线阻抗。需要遵守管理高速信号系统特征处理的严格规则，包括差分对內延迟差、参考时钟信号的走线长度差异以及 PCB 层堆叠。在计划实施包括大型显示器的设计时，考虑到这些困难是很重要的。

还应该说，除了上述广泛用于嵌入式系统的接口外，显示器还可能支持电视和计算机显示器等消费类设备中使用的多媒体接口：HDMI、DisplayPort 和嵌入式 DisplayPort (eDP)。一些用于嵌入式设计的 LCD 模块也支持这些接口。例如，Winstar 使 LCD 模块小至 5 英寸 WF50BTIFGDHTV 并带有 HDMI 接口，旨在用于基于 Raspberry Pi™ 板的开发项目。

MCU/MPU 规格需要仔细研究

对于嵌入式开发人员来说，显示接口的多样性是一个问题，不仅仅是因为首选的 MCU 或处理器可能只支持单个显示接口，而且这可能不是所选显示器中的接口。比这更具挑战性的是：如图 2 所示，一些设备制造商仅支持整个产品系列中的有限的接口。许多 OEM 仅在单个 MCU 平台上开发：这意味着他们只能从支持与该平台相同接口的有限的显示器范围内进行选择。

领先的 MCU 和嵌入式处理器制造商如何在其产品中支持显示接口（图片来源：富昌电子）

一般来说，高端的 MCU 为图形显示提供专用支持，包括支持各种颜色深度的并行 RGB24 等接口，或具有两个或四个通道的 MIPI-DSI接口。

在非常高端的情况下，用于图形应用的专用处理器甚至可以提供集成的 HDMI 或 eDP 接口。

当然，SPI 是任何 MCU 或处理器的标准功能，因此对于小型、低分辨率显示器，主机控制器或处理器的选择实际上是无限的。开发人员只需要注意包含通过 SPI 连接的许多外设的应用：这里，设计人员需要确保控制器或处理器有足够的引脚和电路板空间，以将芯片选择 (CS) 信号连接到显示器，因为每个 SPI 设备（包括显示器）都需要自己的 CS 信号。

如何处理接口不匹配

因此，本文表明，首选的 MCU 或处理器可能与首选的显示器型号或尺寸不兼容。与其通过选择不太适合应用的设备或显示器来妥协，不如开发人员可以在两个不兼容的接口之间建立一座桥梁。

实现这种桥接功能的最简单方法是使用现成的 IC 来执行必要的转换操作。一个例子是莱迪思半导体提供的 CrossLink 系列接口桥，如图 3 所示。这些器件实际上是特定功能的 FPGA：它们在 MIPI-DSI、LVDS 和 RGB24 格式之间转换信号，支持所有数据类型和任意数量的通道。

莱迪思 CrossLink 系列产品的转换功能（图片来源：莱迪思半导体）

而且，CrossLink 器件还执行附加功能，以从主控制器分流任务，例如 LCD 初始化、控制和排序。莱迪思为 FPGA 硬件提供特定应用 IP，因此设计人员无需使用 VHDL 或 Verilog 开发 FPGA 代码。

CrossLink 系列中的八款产品包括一个采用小至 2.5 mm x 2.5 mm 的芯片级封装的元器件。MIPI-DSI 接口模式下的性能足以支持 4K UHD 分辨率，并提供高达 12 Gbps 的数据速率。

虽然基于 FPGA 的 CrossLink 系列提供了在单个硬件平台中支持多种数据格式的灵活性，但罗姆半导体还提供一系列固定功能 IC 解决方案。例如，BU90T82 串行器 IC 执行 RGB24 到 LVDS 的转换，而 BU90R102 执行相反方向的转换。

有时，情况不利于开发人员，并且不可能使用分立桥接 IC，例如当主控制器或处理器板设计完成、但营销规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时。

如果生产运行率足够高，天马等一些显示器制造商提供显示器定制，提供支持客户主板所需接口的独特显示器。

很明显，由于主机 MCU 或应用处理器中对显示接口的支持有限，显示选择问题变得复杂。恩智浦半导体、瑞萨、意法半导体和 Microchip 等制造商正在稳步增加他们提供的专业图形显示控制器和处理器的范围，以响应市场不断增长的需求，因此嵌入式设备和显示器之间的兼容性会得到改善。

但在接口不匹配的情况下，莱迪思或罗姆半导体的接口转换解决方案提供了一种解决方案，使开发人员能够保留首选的显示器和主机控制器或处理器。