LCD, TFT und Touchpanel. Ausgabe Pierre Käser

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Jörg Messner
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1 1 LCD, TFT und Touchpanel Ausgabe Pierre Käser

2 2 Inhaltsübersicht 1. Passive und Aktive LCD Technologien 2. TFT & Leistung 3. Schnittstellen 3.1 RGB-Schnittstelle 3.2 LVDS-Schnittstelle 3.3 SPI-Schnittstelle 3.4 MCU-Schnittstelle 3.5 Capactive Touchpanel Schnittstelle 4. Mutual / Self-Capacitance 5. Waterproof 6. Sichtwinkel / Gray-Scale Inversion 7. G+G Capacitive Touch-Panel 8. Air-Bond vs. Optical Bonding 9. Anti-Glare, Anti-Reflective 10. Future

Passive und Aktive LCD Technologien 3 Liquid Crystal Displays (LCD) Passive LCD + Hohe

(Temperaturbereich, Mechanik etc.) + Stromaufnahme + Preiswert - max.

«Thin Film Transistor» + sehr hohe Auflösungen und Grössen möglich + RGB Pixel, 16M Farben +

(oft nur <3Jahre) - eher teurer Technologien Technologien TN (twisted nematic) STN (super

3 Passive und Aktive LCD Technologien 3 Liquid Crystal Displays (LCD) Passive LCD + Hohe Langzeit-Verfügbarkeit (>10Jahre) + Kann vollständig kundenspezifisch hergestellt werden (Temperaturbereich, Mechanik etc.) + Stromaufnahme + Preiswert - max. QVGA (320x240 Pixel) - Crosstalk - Nur limitierte Farben darstellbar Active LCD / TFT LCD mit «Thin Film Transistor» + sehr hohe Auflösungen und Grössen möglich + RGB Pixel, 16M Farben + modern (Smartphones) - meist nur teilweise kundenspezifisch anpassbar - Langzeit-Verfügbarkeit (oft nur <3Jahre) - eher teurer Technologien Technologien TN (twisted nematic) STN (super twisted nematic) VA (Vertical Alignment TN (twisted nematic) IPS (In-Plane Switching) MVA / PVA (Multi-Domain / Patterned Vertical Alignment

4 2. TFT & Leistung TFT s und damit steigende Pixel-Auflösungen

Schnittstelle / Bandbreite Leitungslänge Störfestigkeit Signalhub

1024(RGB)x600 Pixel und RGB888(24-Bit Farbtiefe): -minimum

4 4 2. TFT & Leistung TFT s und damit steigende Pixel-Auflösungen benötigen mehr Leistung: Embedded/Grafikprozessor Einheit Schnittstelle / Bandbreite Leitungslänge Störfestigkeit Signalhub EMV Beispiel Display benötigte Bandbreite / Taktfrequenz 7 TFT mit 1024(RGB)x600 Pixel und RGB888(24-Bit Farbtiefe): -minimum benötigte Schnittstellen-Bandbreite: 884 Mbps* -benötigte Taktfrequenz RGB-Schnittstelle ca. 37MHz -benötigte Taktfrequenz LVDS-Schnittstelle ca. 31MHz *Vergleich durchschnittliche Bandbreite Internetleitung: 40 Mbps

5 5 2. TFT & Leistung Berechnung Bandbreite / Taktfrequenz (7 TFT-Beispiel): INFO: 1 Pixel hat immer 3 Subpixel => rot, grün, blau (RGB) RGB888 bedeutet 24bit Farbtiefe => 3x8bit d.h. 8bit Farbtiefe je für rot, grün und blau Ein Subpixel mit 8bit Farbtiefe (2^8=256) kann folgende Zustände haben: voll ON, voll OFF und 254 «Helligkeits-Stufen» Mit 24bit Farbtiefe sind 2^24 = 16.7 Millionen Farben darstellbar 1024 x 600 x 3 Subpixel (rot, grün, blau) = SubPixel für ein Bildwiederholrate von 60Hz sind das SubPixel pro Sekunde * 8bit Farbtiefe Subpixel = Bits pro Sekunde bzw. 884Mbps 24bit RGB Schnittstelle hat 24 Datenleitungen => 884/24 = ca. 37MHz LVDS Schnittstelle hat 4 Datenleitungen, kann aber pro Takt 7bits übertragen => 884/4/7 = ca. 31MHz

6 6 3. Schnittstellen Welche Interfaces kennen wir bei TFT-Displays? RGB (DPI) Red, Green, Blue (Display Parallel Interface) z.b. 18, 24 Bit, parallel LVDS Low Voltage Differential Signaling n-kanäle, seriell edp Embedded Display Port n-kanäle, seriell MIPI-DSI Mobile Industry Processor Interface n-kanäle, seriell MCU Micro Controller Unit(8080/6080-series) parallel SPI Serial Peripheral Interface 3- oder 4 Line, seriell

7 7 3. Schnittstellen Welche Interfaces kennen wir bei Capacitiven Touch Panels (CTP)? I 2 C Inter-Integrated Circuit seriell USB Universal Serial Bus seriell SPI Serial Peripheral Interface 3- oder 4 Line, seriell

8 RGB-Schnittstelle Wie sieht ein typisches RGB-Schnittstelle (parallel) aus? Benötigt externen Grafik-Prozessor Typisch ab 3.5 bis 8 und bis 1024x600 Leitungslänge zwischen 20 und 50cm Signal HSYNC YSYNC PCLK DE Beschreibung Synchronisierung der Linien Synchronisierung der Frames Pixel Clock Daten Enable R0-7 Daten Rot 8x G0-7 Daten Grün 8x B0-7 Daten Blau 8x

9 LVDS-Schnittstelle Wie sieht eine typische LVDS-Schnittstelle (seriell) aus? Benötigt externen Grafik-Prozessor Typisch ab x600 bis 1920x1080 Pixel Leitungslänge bis 100 und 200cm Vorteile gegenüber RGB-Interface Höhere Bandbreite Wenig Datenleitungen Kleinerer Signalhub Grössere Leitungslänge möglich Störsicher Besseres EMV Verhalten

10 SPI-Schnittstelle Wie sieht ein typisches SPI-Interface (seriell) aus? Integrierter Grafik-Prozessor/Memory Typisch bis 3.5 und bis 320x240 Pixel Nur eine Datenleitung SPI 4-Wire (8bit) = SDA(MOSI/MISO) + CLK + CS + A0/RS/DC SPI 3-Wire (9bit) = SDA(MOSI/MISO) + CLK + CS Display GPU (GRAM, Memory) SPI

11 3.4. MCU-Schnittstelle Wie sieht ein typisches MCU-Interface (parallel) aus? Integrierter Grafik-Prozessor/Memory Typisch bis 3.5 und bis 320x240 Pixel schneller als SPI Min.

11 MCU-Schnittstelle Wie sieht ein typisches MCU-Interface (parallel) aus? Integrierter Grafik-Prozessor/Memory Typisch bis 3.5 und bis 320x240 Pixel schneller als SPI Min. 8 Datenleitungen MCU-18bit = D0-D17, RD, WR, CS, DC MCU-16bit = D0-D15, RD, WR, CS, DC MCU-9bit = D0-D8, RD, WR, CS, DC MCU-8bit = D0-D7, RD, WR, CS, DC Display GPU (GRAM, Memory) MCU

12 3.5. Capacitive Touchpanel-Schnittstelle 12 I 2 C Schnittstelle Clock und Datenleitung Speed bis ca. 400kHz Standard-Schnittstelle Nicht Plug & Play fähig (unterschiedliche Treiber) preiswert USB Schnittstelle D- und D+ Datenleitung High Speed, ideal für grosse Module Meistens Plug & Play fähig per Standard USB-HID Treiber Eher teurer

13 CTP-Schnittstelle Capacitive Touch (I 2 C) schnell testen? Das «i2c tools» (Debug tool für Linux):

14 14 4. Mutual / Self-Capacitance Self-Capacitance Mutual-Capacitance

Benötigt nur eine Elektrode (X/Y Matrix nicht zwingend) Controller misst Kapazität zwischen

15 15 4. Mutual / Self-Capacitance Self-Capacitance Mutual-Capacitance Controller misst Kapazität zur Erde Nur Single Touch möglich Hohe Sensivität (Proximity, dicke Gläser) Benötigt nur eine Elektrode (X/Y Matrix nicht zwingend) Controller misst Kapazität zwischen zwei Elektroden Multi Touch möglich Benötigt min. zwei Elektroden (X/Y Matrix) Hohes SNR (Signal to Noise Ratio)

messbare Kapazitäten -> nur Single Touch Beispiel

16 16 4. Mutual / Self-Capacitance Self-Capacitance Mutual-Capacitance Beispiel X/Y Matrix mit Self: 8 messbare Kapazitäten -> nur Single Touch Beispiel X/Y Matrix mit Mutual: 16 messbare Kapazitäten -> Multi Touch

17 17 5. Waterproof «waterproof» Capacitive Touchpanel Anforderungen: Multitouch fähiger Controller (Mutual Capacitance) «waterproof» Firmware Software/Treiber-Anpassungen auf Kundenseite

18 18 6. Sichtwinkel / Gray-scale Inversion TN-Technologie ohne speziellem Weitwinkel-Film hat mindestens einen schlechten Sichtwinkel. An diesem Winkel tritt der sogenannte «Gray-Scale- Inversion» Effekt auf.

19 19 6. Sichtwinkel / Gray-scale Inversion Was ist Gray-scale (Inversion)? Ein Pixel kann 100% OFF oder 100% ON oder «gedimmt» sein. Alles zwischen voll ON und voll OFF nennt man «Graustufen / Gray-scale» Bereich. ON Grayscale. OFF Mit aktiven LCD s also TFT s verwendet man den gleichen Begriff. RGB-Pixel erscheinen deshalb nicht grau weil sie ein Farbfilter eingebaut haben. ON Grayscale. OFF

20 20 6. Sichtwinkel / Gray-scale Inversion Folgende 7 Farben sind keine Graustufen, da Sie durch eine Kombination von 100% oder 0% rot/grün/blau erzeugt werden. Digitaler HEX-Wert für Ansteuerung rot, grün, blauer RGB Pixel (00= 100% OFF / FF= 100% ON) Diese 7 Farben sind Sichtwinkelunabhängig und von der genannten «Gray-scale-Inversion» bei TFT s mit TN-Technologie nicht betroffen. Es kann also Sinn machen bei der GUI-Entwicklung diese Farben zu bevorzugen.

21 G+G Capacitive Touch Panels 7. G+G Capacitive Touch Panel

22 8. Air Bond vs. Optical Bonding TN IPS

Lesbarkeit - Betrachtungswinkel Oberfläche mit Interferenz Entspiegelungsschichten + Hohe

23 9. Anti-Glare, Anti-Relfective Anti-Glare Anti-Reflective Oberfläche wird 5 50um aufgeraut d.h geätzt (entspiegelt) + geringer Kostenaufwand - Lichtdurchlässigkeit - Kontrast - Lesbarkeit - Betrachtungswinkel Oberfläche mit Interferenz Entspiegelungsschichten + Hohe Lichtdurchlässigkeit + Hoher Kontrast + Hohe Lesbarkeit + Betrachtungswinkel - grosser Kostenaufwand

24 10. Future Future? Haptic Touch Hover Touch

25 Vielen Dank DMB Technics AG Bösch Hünenberg (0)

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