Как подключить lvds к hdmi

Введение

В статье пойдет речь об индустриальном и коммерческом сегментах дисплеев. Их подробное описание и сравнение характеристик дано в материале, опубликованном в одном из прошлых номеров журнала «Control Engineering Россия» . Для правильного понимания таких терминов, как «дисплей» и «монитор», рекомендую ознакомиться с упомянутой публикацией.

Для начала уточним, что дисплей, он же TFT-модуль/панель/матрица, — это лишь функциональный узел, отвечающий только за отображение информации. В то же время монитор — устройство более высокого уровня, с привычными для нас интерфейсами (VGA/DVI/HDMI), корпусом, OSD-панелью управления.

Что касается разделения «коммерческий/индустриальный», то условимся так: «коммерческие» TFT-модули — продукт для изделий массового спроса, в частности бытовой техники, мобильных устройств, телевизоров. Этому сегменту матриц свойственна высокая серийность, крайне низкая стоимость и весьма короткий срок нахождения в производстве. TFT-модули индустриального класса, напротив, стабильно изготавливаются 3–5 лет и больше, и зачастую, но не всегда имеют расширенные эксплуатационные параметры, а перед снятием их с производства обычно анонсируется модель-«преемник», близкая по характеристикам. В свою очередь, стоимость данного сегмента TFT-матриц заметно выше коммерческого класса. В дальнейшем разговор пойдет преимущественно об индустриальном сегменте матриц.

Рис. 1. Статистика eDP/LVDS/CMOS

Кабели

Соединительные кабели являются важной частью LVDS-канала. От их параметров во многом зависит скорость и надежность передачи данных

При выборе кабеля желательно соблюдать ряд рекомендаций. Всегда надо помнить, что кабель и соединительные разъемы должны образовывать согласованную систему передачи с дифференциальным сопротивлением, максимально приближенным к 100 Ом. Для передачи дифференциального интерфейса LVDS желательно использовать сбалансированные симметричные кабели типа витой пары. Такие кабели позволяют достичь лучшего качества передаваемого сигнала за счет постоянного сопротивления и идентичности влияния внешних наводок, которые подавляются на приемном конце, на витую пару. Кроме того, симметричные пары имеют меньшее излучение, что благоприятно сказывается как на общем уровне наводок системы, так и на качестве передачи за счет снижения уровня перекрестных наводок.

Стандартом LVDS тип и параметры кабеля и соединителей жестко не регламентируются. Однако в нем есть ссылки на сопутствующие документы, определяющие требования к параметрам кабеля, разъемов, разбивки по контактам и т. п.

Выбор типа кабеля во многом зависит от требуемой дальности и скорости передачи. На дистанциях до 0,5 м. подходят практически все типы кабелей. С соблюдением ряда требований, которые будут раскрыты ниже, можно использовать недорогие и популярные плоские кабели (шлейфы) и распространенные в портативных устройствах ленточные кабели.

Плоский кабель (шлейф), хотя и не является идеальным решением для высокоскоростных интерфейсов, однако имеет реальное применение. Для плоского кабеля рекомендации просты и очевидны из рисунка 8. Сигнальные линии одной дифференциальной пары должны располагаться рядом. Между разными парами помещается разделительный заземленный провод. Не рекомендуется располагать сигнальные линии крайними — для них должно быть сделано обрамление из заземленных проводов. Общая рекомендация — кабель желательно поместить в заземленный экран.

Рис. 8. Плоский кабель (а) и ленточный кабель (б)

При использовании ленточного кабеля следует соблюдать те же правила, что и для согласованной линии на печатной плате (рис. 6, a).

На дистанциях от 0,5 до 10 м. очень хорошо зарекомендовали себя широко используемые недорогие и доступные кабели типа витая пара — CAT3, CAT5 и CAT5Plus. Получаемые с использованием таких кабелей параметры линии позволяют передавать данные с удовлетворением всех требований стандарта по одной паре со скоростью до 400 Мбит/c на расстояние до 10 м. В качестве примера приведем данные по разбросу фронтов для неэкранированного кабеля CAT5.

Как видно из рисунка 9, графики дрожания фронтов для разной длины кабеля расположены близко друг от друга и практически параллельны. Очевидно, что для согласованной симметричной линии качество мало зависит от длины линии, а в гораздо большей степени от ее частотных параметров, в данном случае граничной частоты.

Рис. 9. Качество передачи сигнала по кабелю CAT5

Теперь рассмотрим доступность таких кабелей. Кабель типа CAT5 — тот самый кабель, который применяется при построении сетей Ethernet и содержит пять витых пар. Он имеется в продаже и стоит около 0,3 $ за метр. Если по одной паре можно обеспечить передачу на скорости до 400 Мбит/c, то скорость передачи по пяти парам эквивалентна практически 2 Гбит/c на расстояние 10 м. Это данные для базового типа кабеля CAT5 с параметрами, определенными до 100 МГц, а ведь уже существуют кабели CAT5+ с параметрами, определенными до 350 МГц, и кабели типа CAT6. Последний тип кабелей выпускается во всевозможных модификациях с экранированием и без, также для различных условий эксплуатации. Его использование также подразумевает наличие разнообразного и массово выпускаемого ассортимента разъемов и сопутствующих монтажных материалов и инструментов, а также наличие наработанных решений по разводке и монтажу.

Еще одним менее распространенным, но применяемым в скоростных решениях является попарно экранированный (twin-ax) кабель (рис. 10)

Рис. 10. Структура попарно экранированного (twin-ax) кабеля

Он обеспечивает большее разделение пар и лучшие условия передачи, что позволяет достигать предельно возможных для стандарта значений скорости, дальности и надежности передачи.

Приведенные данные касаются кабеля, который является важной, но одной из составляющих LVDS-канала. Следует помнить, что и остальные части — разводка платы и разъемы, должны быть выдержаны в рамках требований стандарта.

Многоточечный LVDS

Первоначальный стандарт LVDS предусматривал только передачу цифрового сигнала от одного передатчика к одному приемнику в топологии «точка-точка». Однако инженеры, использующие первые продукты LVDS, вскоре захотели управлять несколькими приемниками с помощью одного передатчика в многоточечной топологии. В результате NSC изобрела шину LVDS (BLVDS) как первую разновидность LVDS, предназначенную для управления несколькими приемниками LVDS. Он использует оконечные резисторы на каждом конце дифференциальной линии передачи для поддержания целостности сигнала. Двойная оконечная нагрузка необходима, поскольку в центре шины могут быть установлены один или несколько передатчиков, направляющих сигналы к приемникам в обоих направлениях. Отличие от стандартных передатчиков LVDS заключалось в увеличении выходного тока для управления несколькими оконечными резисторами. Кроме того, передатчики должны допускать возможность одновременного управления одной и той же шиной другими передатчиками.

Типичное многоточечное завершение

Двухточечный LVDS обычно работает при 3,5 мА. Многоточечный LVDS или шина LVDS (B-LVDS) могут работать до 12 мА.

Автобусы LVDS и LVDM (от TI ) де-факто являются стандартами многоточечных LVDS. Многоточечный LVDS ( MLVDS ) является TIA стандарт (TIA-899). Стандарт AdvancedTCA определяет MLVDS для распределения часов по объединительной плате на каждую из плат вычислительных модулей в системе.

MLVDS имеет два типа приемников. Тип 1 совместим с LVDS и использует порог +/- 50 мВ. Приемники типа 2 позволяют передавать сигналы проводным способом с устройствами M-LVDS. Для M-LVDS:

Выход Вход
Общий режим ампли- этюд
Мин. 0,3 В 0,48 В -1,4 В
Максимум. 2,1 В 0,65 В +3,8 В

Дальше нас ждет eDP

Стандарт eDP (Embedded Display Port) относительно новый, о нем заговорили только в 2010 г. eDP был разработан как альтернатива интерфейсу LVDS и стремительно завоевал популярность в сегменте коммерческих ноутбучных матриц. Довольно быстрое развитие eDP в этом сегменте TFT-модулей вызвано сразу несколькими факторами, главный из которых — битрейт, приходящийся на сигнальную пару. По сравнению с классическим LVDS-каналом он выше в 2–3 раза: до 21,6 Гбит/с вместо 7,5 Гбит/с у LVDS. Соответственно, для передачи одной и той же картинки eDP потребуется меньшее количество сигнальных пар, а значит, весь соединительный тракт упрощается. Кроме того, eDP считается более помехозащищенным и менее энергопотребляющим интерфейсом.

Стремительно покорив рынок коммерческих ноутбучных TFT-матриц, eDP замедлился в своем внедрении в другие сегменты дисплейных продуктов, однако продвигается и в них. Не стал исключением и сегмент индустриальных матриц. «Топовые» производители индустриальных TFT-модулей уже серийно выпускают дисплеи, управление которыми осуществляется по eDP. На данный момент таких TFT-матриц на рынке найдется всего пара десятков штук, но если взглянуть в «роадмапы» изготовителей индустриальных дисплеев, то можно сказать, что есть положительная тенденция увеличения доли стандарта eDP по отношению к LVDS. Конечно, LVDS еще долго будет присутствовать на рынке и вряд ли полностью себя изживет, но в ближайшие несколько лет eDP будет определенно его теснить.

Со временем и производители одноплатных компьютеров будут все чаще закладывать eDP-стандарт в базовую комплектацию своих девайсов. Сейчас эта функция преимущественно является опциональной, за разработку которой компании-изготовители чаще всего требуют дополнительную плату.

В заключение можно сказать, что в недалеком будущем мы увидим размытие границ между готовым монитором и дисплеем как узлом отображения информации. Во многом этому поспособствует развитие стандарта eDP.

Применение LVDS

LVDS стала популярна в конце 90-х годов XX века. До того времени компьютеры были слишком медленны, чтобы требовать столь высоких скоростей передачи данных, используя для передачи данных большое количество проводников (см. напр. ATA). Однако, расширение использования мультимедиа и суперкомпьютеров привело к проявлению широкого интереса к данной системе, так как подобные системы нуждались в передаче больших объёмов данных на расстояния порядка нескольких метров.

Также поддерживается в SCSI начиная с версии Ultra-2 SCSI для увеличения допустимых длин проводов и скоростей.

Современные ПЛИС (например, от Altera или Xilinx) имеют LVDS-порты, что позволяет разрабатывать любые устройства, работающие с шиной на основе LVDS-технологии.

Контроллер преобразования интерфейсов

Зачастую в применениях, не нуждающихся в особой корпусной защите устройства вывода графической информации (например, средство отображения должно быть встроено в стенку шкафа управления автоматикой), можно сократить производственные издержки, выбрав как раз дисплей с управлением по LVDS.

Предположим, в шкафу находится некий Box-PC, информацию с которого разработчик должен вывести на устройство отображения в стенке шкафа. Разработчик ограничен в бюджете и для сокращения затрат решает не переплачивать за готовый монитор, а воспользоваться более дешевым вариантом — TFT-матрицей с LVDS-интерфейсом. В таком случае незаменимой станет плата преобразования интерфейсов с привычного VGA/DVI на LVDS.

Производители плат преобразования интерфейсов, такие как Forenex, ICS Components и др., кроме самих контроллеров поставляют также необходимые аксессуары и кабели соединения всех узлов комплекта, причем делают это комплексно. В комплекс входят LED-драйверы, OSD-контроллеры, сенсорные экраны. Подобный способ избавляет разработчика от множества проблем, сокращая конечную стоимость устройства отображения до 30% по сравнению с готовым индустриальным монитором.

Однако у такого решения не может не быть недостатков. Главными минусами являются не самое удобное крепление матрицы (у TFT-панелей чаще всего монтажные отверстия находятся в торцах модуля) и компонентов и большое количество кабелей, находящихся в шкафу (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема подключения TFT-модуля

Сравнение последовательной и параллельной передачи данных

LVDS работает как в параллельной, так и в последовательной передаче данных . При параллельной передаче несколько дифференциальных пар данных переносят сразу несколько сигналов, включая тактовый сигнал для синхронизации данных. При последовательной связи несколько несимметричных сигналов преобразуются в одну дифференциальную пару со скоростью передачи данных, равной скорости всех объединенных несимметричных каналов. Например, 7-битная параллельная шина, преобразованная в одну пару, будет работать со скоростью, в 7 раз превышающей скорость передачи данных одного несимметричного канала. Устройства для преобразования между последовательными и параллельными данными — это сериализатор и десериализатор, сокращенно SerDes, когда два устройства содержатся в одной интегральной схеме.

Встроенный сериализатор часов

Например, FPD-Link фактически использует LVDS в сочетании последовательной и параллельной связи. Исходный FPD-Link, предназначенный для 18-битного RGB-видео, имеет 3 параллельные пары данных и пару часов, так что это параллельная схема связи. Однако каждая из 3 пар передает 7 сериализованных битов в течение каждого тактового цикла. Таким образом, параллельные пары FPD-Link переносят сериализованные данные, но используют параллельные часы для восстановления и синхронизации данных.

Последовательная передача данных также позволяет встроить часы в поток последовательных данных. Это устраняет необходимость в параллельных часах для синхронизации данных. Есть несколько методов для встраивания часов в поток данных. Один из методов — это вставка 2 дополнительных битов в поток данных в качестве стартового и стопового бита, чтобы гарантировать переходы битов через равные промежутки времени для имитации тактового сигнала. Другой метод — кодирование 8b / 10b.

Нетрадиционный LVDS

Многие разработчики всячески стараются избежать использования LVDS при дизайне проектов и делают это небезосновательно. По данному стандарту можно управлять 6-, 8-, 10-битным цветом. Также LVDS позволяет управлять матрицами как с RGB-, так и с RGBW-пикселем. Кроме того, есть модификации стандарта dual LVDS и V-by-One HS (для управления дисплеями с высоким разрешением). Столь высокая вариативность интерфейса, с одной стороны, дает специалистам множество возможностей для реализации поставленных технических задач, с другой — сильно затрудняет работу с ним в силу малой стандартизованности интерфейса.

Отдельной проблемой можно назвать отсутствие каких-либо стандартов в пиновке разъема в целом, да и выбор самого разъема в частности. Каждый производитель дисплейных модулей волен самостоятельно выбирать тип подсоединяемого коннектора и расположения контактов на нем. Из-за этого подключение TFT-матриц требует высокой степени кастомизации.

Дифференциальная и несимметричная сигнализация

LVDS — это система дифференциальной сигнализации , означающая, что она передает информацию как разность напряжений на паре проводов; Напряжения двух проводов сравниваются на приемнике. В типовой реализации передатчик подает в провода постоянный ток 3,5  мА , при этом направление тока определяет цифровой логический уровень. Ток проходит через согласующий резистор приблизительно от 100 до 120 Ом (согласованный с характеристическим сопротивлением кабеля для уменьшения отражений) на приемном конце, а затем возвращается в противоположном направлении по другому проводу. Из закона Ома , разность напряжений на резисторе поэтому около 350  мВ . Приемник определяет полярность этого напряжения для определения логического уровня.

Пока между двумя проводами существует тесная связь по электрическому и магнитному полю, LVDS снижает генерацию электромагнитного шума. Это уменьшение шума происходит из-за равного и противоположного тока, протекающего по двум проводам, создавая равные и противоположные электромагнитные поля, которые имеют тенденцию гасить друг друга. Кроме того, плотно связанные провода передачи уменьшают восприимчивость к электромагнитным шумовым помехам, поскольку шум в равной степени влияет на каждый провод и проявляется как синфазный шум. На приемник LVDS не влияют синфазные помехи, поскольку он воспринимает дифференциальное напряжение, на которое не влияют изменения синфазного напряжения.

Тот факт, что передатчик LVDS потребляет постоянный ток, также предъявляет гораздо меньшие требования к развязке источника питания и, таким образом, создает меньше помех в линиях питания и заземления передающей цепи. Это уменьшает или устраняет такие явления, как дребезг заземления, которые обычно наблюдаются в несимметричных линиях передачи с оконечной нагрузкой, где высокие и низкие логические уровни потребляют разные токи, или в линиях передачи без оконечной нагрузки, где ток появляется внезапно во время переключения.

Низкое синфазное напряжение (среднее значение напряжений на двух проводах) около 1,2 В позволяет использовать LVDS с широким спектром интегральных схем с напряжением питания до 2,5 В или ниже. Кроме того, существуют варианты LVDS, в которых используется более низкое синфазное напряжение. Одним из примеров является sub-LVDS (представленный Nokia в 2004 году), который использует типичное синфазное напряжение 0,9 В. Другой вариант — это масштабируемая сигнализация низкого напряжения для 400 мВ (SLVS-400), указанная в JEDEC JESD8-13 октября 2001 г., где напряжение питания может составлять всего 800 мВ, а синфазное напряжение составляет около 400 мВ.

Низкое дифференциальное напряжение, около 350 мВ, приводит к тому, что LVDS потребляет очень мало энергии по сравнению с другими технологиями передачи сигналов. При напряжении питания 2,5 В мощность для управления 3,5 мА становится 8,75 мВт по сравнению с 90 мВт, рассеиваемыми нагрузочным резистором для сигнала RS-422 .

Уровни логики:

V ee V ПР V OH V куб. V CMO
GND 1,0 В 1,4 В 2,5–3,3 В 1,2 В

LVDS — не единственная используемая система дифференциальной сигнализации с низким энергопотреблением , другие системы включают последовательный ввод / вывод Fairchild Current Transfer Logic.

Разъемы

При построении LVDS-линков можно использовать различные типы соединительных разъемов. Конкретный тип разъема определяется требуемыми параметрами линии, скоростью передачи и типом используемого кабеля.

Необходимо учитывать, что LVDS — скоростной интерфейс, использующий достаточно высокие частоты, и поэтому требуется выбирать соответствующие разъемы. Рекомендуется группировать пары LVDS-линий для уменьшения как внешних наводок на LVDS- канал, так и электромагнитных излучений. LVDS — дифференциальный интерфейс, и оба его провода должны располагаться в максимально идентичных условиях.

Далее отметим характерную именно для LVDS особенность выбора расположения сигнальных линий на контактах разъема — различные выводы разъемов могут иметь различную длину, что приводит к потенциальным искажениям LVDS-сигнала, как показано на рис. 11. При построении LVDS-линий, особенно скоростных, рекомендуется выбирать для проводов одной пары максимально идентичные по длине выводы.

Рис. 11. Расположение LVDS-линий на контактах разъема

На разъеме (см. рис. 11) LVDS-линии расположены правильно, а на нижнем разница в длине выводов разъема может вызвать потенциальные искажения. В настоящее время существуют даже специально разработанные для LVDS разъемы, у которых выводы разбиты на пары и разделены экранирующими контактами. На рис. 12 показан пример такого разъема, выпускаемого фирмой TERADYNE.

Рис. 12. Разъемы серии VHS HSD фирмы TERADYNE

Как иллюстрацию влияния приведенных выше правил приведем пример тестовых испытаний, проведенных фирмой AMP для своих разъемов серии MICTOR. При этом тестировании проводились оценки взаимовлияния LVDS-пар при различном взаимном расположении их на разъеме. На рис. 13 показаны три варианта расположения LVDS-пар на разъеме.

Рис.13. Три варианта расположения LVDS- линий на разъеме:a — рекомендованное расположениеб — две пары не разделены экраномв — максимально уплотненные пары

Для каждого из трех случаев измерялся уровень взаимных наводок на ближнем и дальнем конце кабеля, которые и показаны на рис. 14. При этом на соседние пары подавались сигналы со сдвигом 0,05 нс амплитудой 400 мВ и временем нарастания/спада (1/9) 0,25 нс.

На рис. 14, а показаны уровни наводок на ближнем и на рис. 14, б — на дальнем конце кабеля. Красным цветом выделена кривая дифференциального шума для случая расположения LVDS-линий, как показано на рис. 13, а; зеленым цветом — для случая показанного на рис. 13, б; синим цветом — на рис. 13, в.

Рис. 14. Уровень взаимных наводок

Из графиков видно, что несоблюдение рекомендаций по расположению и экранированию LVDS- линков увеличивает уровень перекрестных наводок в несколько раз, это существенно снижает возможную скорость передачи данных по каналу.

Возможно, вам также будет интересно

С момента своего появления программируемые логические устройства (PLD) начали постепенно вытеснять дискретно-логические интегральные схемы. Дальнейшее развитие PLD до сложных PLD (CPLD) ускорило данную тенденцию, а последние разработки доступных, быстрых, больших матричных кристаллов с возможностью перепрограммирования (ПЛИС) почти завершили этот процесс. Как удалось создать полноценный логический анализатор в таком компактном корпусе? PLD и CPLD устройства могут

Существуют два типа дисплейных интерфейсов — аналоговый и цифровой. В аналоговом интерфейсе информация представлена сигналами RGB основных цветов, а также сигналами строчной и кадровой развертки. Данный тип интерфейса широко используется для связи видеоконтроллера как с традиционными ЭЛТ-дисплеями, так и с TFT ЖК-мониторами. Схема транспортировки данных от видеоконтроллера до схемы управления разверткой дисплея для аналоговых и

Новая модель моноблочной электронной нагрузки АКИП-1373 от «ПриСТ»

LVDS для приложений с очень высокой пропускной способностью данных

Когда одна дифференциальная пара последовательных данных недостаточно высока, существуют методы для параллельного группирования последовательных каналов данных и добавления параллельного тактового канала для синхронизации. Это метод, используемый FPD-Link. Другими примерами параллельного LVDS с использованием нескольких пар LVDS и параллельных часов для синхронизации являются Channel Link и HyperTransport .

Существует также метод увеличения пропускной способности данных путем группирования нескольких каналов данных LVDS со встроенными часами вместе. Однако это не параллельный LVDS, потому что нет параллельных часов, и каждый канал имеет свою собственную информацию о часах. Примером этого метода является PCI Express, где 2, 4 или 8 последовательных каналов с кодировкой 8b / 10b переносят данные приложения от источника к месту назначения. В этом случае место назначения должно использовать метод синхронизации данных для выравнивания нескольких последовательных каналов данных.

Система LVDS в мониторах и матрицах

Стандартизированные интерфейсы для подключения устройств воспроизведения видеоинформации в качестве основного функционального компонента как раз задействуют разъемы. Достаточно выбрать оптимальный по характеристикам вход и будет организована соединительная линия. В подборе разъема для конкретного оборудования учитываются следующие характеристики:

  • Разрешающая способность монитора или матрицы.
  • Размер экрана.
  • Частота кадров и т. д.

Вышеупомянутая распиновка, к примеру, во многом зависит от диагонали. Так, интерфейс LVDS для 8 дюймов вполне может вводиться в инфраструктуру посредством контактора на 20-pin. Увеличение контактов может происходить не только на центральной стороне, но и по бокам. Обычно такие «пины» выполняют функцию заземления.

По налаженному интерфейсу подается напряжение для компонентов матрицы, которое тоже отличается в зависимости от размера экрана. Обычно начального значения в 3,3 В бывает достаточно для 15-дюймовых устройств и менее. Стандарт в 12 В питает матрицы на 19 дюймов и т. д. При подключении могут вводиться и трансмиттеры с ресиверами. В современных панелях они реализуются в качестве микросхем, но иногда включаются и в состав скалеров, то есть контроллеров интерфейса LVDS. Схемы подключения с таким дополнением предусматривает использование 30-контактного разъема как минимум. Распределение сигналов по «пинам» будет предусматривать классификацию на три основные группы:

  • VCC – питающее напряжение.
  • VSS – заземление.
  • RX – вход одной из дифференциальной пары.