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顯示器

目前的產品越來越豐富,使用者體驗增強,嵌入的顯示器更新且更大,而老式的分段式顯示器正在被低彩和高彩顯示器取代。

本章將重點介紹在為嵌入式GUI產品選擇合適的顯示器時應考慮的一些注意事項。

顯示器的不同類型

Note
總體而言,TouchGFX可以在任何類型的顯示器上運行,不受顯示技術、介面、視角、亮度等因素的影響。

顯示器範例

由於每種顯示器的關鍵因素不同,因此選擇合適的顯示技術可能並不那麼容易。 下面一章將詳細介紹不同技術,也許能幫助您找到正確的方向。

每一種顯示器都包含像素行和像素列(它們的驅動方式可能不同),都具有內部和/或外部顯示控制器和影像緩衝RAM。 與其他技術相比,有些技術需要頻繁地更新每個像素,但由於只在GUI中發生變化時才更新,因此並沒有必要更新每個像素。

目前有大量不同的顯示技術。 下面將介紹一些最常用的顯示技術。

LCD-TFT

TFT是指薄膜電晶體,是LCD顯示器的一種變型,採用主動矩陣。 LCD-TFT有各種不同的解析度、尺寸、介面和價格區間等,被廣泛應用在嵌入式產品中。

TFT-LCD的一些變型包括TN和IPS面板。 以IPS TFT-LCD為例,STM32F769 DISCO和STM32H747 DISCO二者都採用800*480 MIPI-DSI TFT IPS LCD顯示器。 TFT-LCD TN顯示器的例子有STM32F746G DISCO和STM32H7B3I-DK。 兩種技術帶來不同畫質,有些差異可能源於顏色的呈現及視角,IPS面板通常是最好的。

LCD-TFT層次範例

MIP

MIP表示像素記憶體,它使用的像素技術只在螢幕圖像發生變化時才需要使用電源及資料。 MIP顯示器是一種低功耗顯示器,功耗小於全彩GUI。

ePaper/eInk

eInk顯示器是低彩顯示器,它是低功耗、寬視角和易讀型應用的理想選擇。 TouchGFX Implementer SDATAWAY示範了在STM32F412上執行TouchGFX應用的eInk顯示器,詳情見網址:https://www.touchgfx.com/cases/e-ink/

E-Ink

顯示器介面總覽

顯示器通過不同類型的介面連接到MCU。 顯示器介面的參數各不相同,下一節將介紹圖像相關參數,例如需要的引腳數和支援不同解析度的最大頻寬。

TouchGFX可使用任何顯示介面,STM32微控制器提供可連接Motorola 6800、Intel 8080、SPI、RGB-TFT和MIPI-DSI的各種顯示介面。

介面引腳數量目標解析度最大頻寬優點缺點
SPI4*最高480*27216 MHz簡單硬體介面,比I2C快,
平行8080/6800 (FMC)8/16*最高480*272
RGB-TFT (LTDC)8/18/24*最高1280*800高性能,低成本引腳數量多,平行通信可能導致EMC問題,可能需要更高時脈頻率
MIPI-DSI (LTDC)4/10最高1280*80080Mbps-1.5Gbps高性能,引腳數量少,複雜的協定和驅動程式
LVDS**1366*768低EMC/干擾,速度快需要橋接
    • 可能需要額外的引腳用於:觸控、電源、控制信號等。
  • ** 連接LVDS顯示器時需要進行橋接。

亮度和背光

亮度單位通常使用坎德拉/m²。 背光是顯示器最耗電的部分。 在陽光下,顯示器需要約600 cd/M2的亮度。 較高的亮度通常會使溫度上升,從而縮短LED的使用壽命。

觀看位置和顏色反轉

在將顯示器嵌入產品時,必須預測並瞭解用戶可能處於的觀看位置。 一些顯示器在從特定位置觀看時,可能發生顏色反轉。 這意味著,想要將顯示器安裝在合適位置,並使用戶能夠在操作和體驗GUI的同時還能看到畫面設計師設計的正確顏色,並沒有那麼容易。

TN面板可能發生顏色反轉。 添加一層SWV膜有助於增大視角。

從不同觀看位置看到的顏色

顯示器使用壽命

使用壽命的定義是顯示器在25℃條件下降至一半亮度所經歷的時間。 如果產品的生命週期長,則必須考慮此參數。

像素密度

像素密度定義了每英寸或平方英寸顯示的像素數。 可根據最終使用者、環境和設計需求等因素選擇合適的像素密度。 具體來說,一部高階手機的2340x1080像素、6.1英寸螢幕的像素密度為每平方英寸178,500個像素,而常用的800x480像素、5英寸TFT顯示器的像素密度為每平方英寸34,816個像素。

低、中、高像素密度

一些標準解析度、顯示器尺寸和像素密度是用每平方英寸像素數(PPI2)來衡量的:

QVGA 320*2402.4” (27,777 PPI2)3.5” (13,061 PPI2)
WQVGA 480*2724,3” (16,462 PPI2)5” (12,175 PPI2)
HVGA 480*3203.5” (27,167 PPI2)
VGA 640*4805,7” (19,698 PPI2)6.4 (15,625 PPI2)
WVGA 800*4804” (54,400 PPI2)5” (34,816 PPI2)
WSVGA 1024*6007” (28,746 PPI2)10,1” (13,808 PPI2)

就某些應用而言,除非觀看時與顯示器之間的距離非常近,否則,可能難以看出任何差異。 圖元密度範例:STM32F476DISCO為16,462 PPI2,STM32F769DISCO為54,400 PPI2

某些情況下,上述範例中的不同圖元密度可能會影響動態色域和反鋸齒效果:

動態色域

動態色域是指兩種對比色(如黑色和白色)之比。 在上面的範例中,藍色和白色包含不同層次的白色和藍色。 圖像左側的像素密度較低,而圖像右側為了顯示所有顏色,包含的像素更多,因此不同顏色與邊緣之間更加平滑。

反鋸齒

當像素密度過低時,可能產生階梯效應。 在應用中使用反鋸齒技術可使圖像中的這些階梯邊緣變得平滑。 可以看到,前兩個藍色圓圈顯示出階梯效應,這是因為像素密度不允許顯示器顯示足夠多的像素,以致沒有足夠高的色域來實現足夠高的反鋸齒效果。

反鋸齒

環境

在決定使用哪種顯示器時,必須考慮環境因素。 因此請思考以下問題:

  • 顯示器是否受到陽光直射?
  • 是否在需要抗衝擊的惡劣環境?
  • 操作員是否會戴手套操作?
  • 是否需要防止惡意破壞?
  • 是否只需通過物理按鈕操作?

回答這些問題將有助於您更好地理解要選擇哪種觸控技術,甚至是否需要觸控。

Note
TouchGFX可在觸控和非觸控顯示器上運行,TouchGFX GUI亦可通過按鈕、手勢和聲音進行控制。

觸控/非觸控顯示器

目前市場上有不同的觸控技術,例如:電阻式、電容式(表面、投影)、SAW觸控和紅外觸控。 本節將只介紹其中的某些技術:

電容式觸控

這是最流行的觸控技術之一。 它有兩種感應技術:

  • 自容式用於單指觸控
  • 互容式允許多指觸控,但暴露在水中或潮濕環境中時會面臨困難(TouchGFX不支持多指觸控)。

大多數STM32 DISCO板使用電容式觸控,如STM32H7B3I DISCO、STM32H750 DISCO和STM32F746G DISCO。

電阻式觸控

電阻式觸控是一種通過機械壓力啟動的簡單技術,只需要ADC或簡單的觸摸控制器。 由於技術成熟,價格通常較低。 電阻式觸控有較佳的表面的防刮擦和防撕裂保護,但防止惡意破壞的能力較差。 此外,在陽光下的可讀性較低。 STM32F429 DISCO板使用電阻式觸控,具有TouchGFX應用。

非觸控

一般情況下,如果通過按鈕控制GUI,且只需顯示影像/影片,或通過另一個設備進行外部控制時,是否為產品添加觸控功能將無關緊要。 不為顯示器增加觸控層可以降低顯示器價格。

具有RAM的顯示器

採用Motorla 6800、Intel 8080、SPI或MIPI-DSI介面的顯示器通常內置RAM(GRAM),其大小為1個完整的影像緩衝。 這些類型的顯示器可通過SPI、FMC或DSI主機(LTDC)連接到MCU。 顯示器RAM需要另一個外部RAM(幀緩衝),它可以位於MCU中或外部RAM中。

MIPI-DSI顯示器

在某些情況下,不需要外部RAM(MCU以外)來存儲幀緩衝,因此使用MCU中可用的內部RAM。 如果MCU RAM小於1個完整的影像緩衝,則可以使用TouchGFX部分影像緩衝特性,這樣可使影像緩衝的空間占用量維持在極低水準。

SPI 顯示器

非正方形像素/像素寬高比

最常見的像素形狀是正方形,但某些顯示器使用非正方形像素。 像素寬高比是像素寬度與像素高度之比。 因此,像素寬度和高度均為100的正方形像素的寬高比為1/1。 非正方形圖元則有不同的圖元寬高比。 如果畫面設計師不考慮這一點,則顯示的點陣圖可能被拉伸,如下圖所示。

被拉伸的點陣圖

表面蓋板

由於顯示器是嵌入式圖形化使用者介面產品的表層,增加表面蓋板可以改善外觀和觸感。 表面蓋板可以改善設計效果、抗刮擦性、抗衝擊性和顏色等。