Внешние интерфейсы TFT панелей. Часть I. Параллельный интерфейс и TMDS.

LCD-мониторы становятся основными устройства воспроизведения информации, а это значит, что их применение носит поистине массовый характер. Все это означает, что в соответствии с законом больших чисел, количество отказов мониторов и их наиболее сложной части – LCD-панелей, происходит все чаще, т.е. все чаще перед специалистами сервисных служб стает вопрос о методах диагностики жидкокристаллических матриц. Одним из первых, в этом случае, диагностируется внешний интерфейс, через который на LCD-матрицу передаются все данные. Именно обзору этих интерфейсов посвящен данный материал.

Сейчас уже ни для кого не секрет, что топология абсолютно любого жидкокристаллического (ЖК) экрана представляет собой матрицу, образованную системой строковых и столбцовых электродов. При этом каждый элемент изображения находится на пересечении строки и столбца (рис.1).

Рис.1 Каждая ячейка матрицы адресуется номером строки и номером столбца

Для включения соответствующего пиксела (точки) должен быть выбран столбец и должна быть указана строка, в которой находится этот пиксел. В результате, к ЖК-ячейке прикладывается напряжение, величина которого определяет яркость точки. Выборка строк и столбцов осуществляется переключением ключевых транзисторов, которые образуют так называемые, драйверы столбцов (Column Driver-CD или Source Driver-SD) и драйверы строк (Row Driver-RD или Gate Driver-GD). Естественно, что количество транзисторов, содержащихся в столбцовых драйверах должно точно соответствовать количеству столбцов, а количество ключевых транзисторов строковых драйверов должно равняться количеству строк на экране. Непосредственную коммутацию ЖК-ячейки осуществляет TFT (тонкопленочный транзистор). Количество TFT-транзисторов равно количеству ЖК-ячеек. Напомним, что напряжение, прикладываемое к ЖК-ячейке, формируется столбцовым драйвером, а драйверы строк формируют сигнал открывания/запирания TFT-транзистора (рис.2).

Рис.2 Эквивалентная схема управления ЖК-ячейками

Так, например, в цветной панели 1024х768 точек, имеется 1024 столбца и 768 строк, при этом, так как панель цветная, то и каждый элемент изображения состоит еще из трех элементов – красного, зеленого и синего. Поэтому такая панель содержит 3072 столбца (1024х3) и 768 строк. Таким образом, для управления этой панелью требуется 3072+768=3840 транзисторов. Естественно, что все эти транзисторы размещаются в интегральных микросхемах, образующих вместе с ЖК-панелью единую неразборную конструкцию.

Информация о градации цвета, т.е. о яркости цветной точки передается в формате R/G/B. Эти данные должны поступать на столбцовые драйверы в цифровом виде. И уже столбцовыми драйверами эти цифровые данные преобразуются в аналоговое напряжение, прикладываемое к ЖК-ячейкам. Строковые драйверы никаких преобразований не выполняют, и поэтому обеспечивают лишь «перебор» строк, указывая ту строку, ЖК-ячейки которой засвечиваются в данный момент времени. Таким образом, строковые драйверы должны получать только лишь управляющие сигналы позволяющие осуществлять перебор строк. В то же самое время, столбцовые драйверы управляются сигналами, позволяющими осуществлять перебор точек строки, и одновременно с этим получают еще и сигналы цвета R/G/B (рис.3).

Рис.3 Сигналы, необходимы для управления столбцовыми и строковыми драйверами

Сигналы цвета в формате R/G/B, как известно, приходят на вход монитора от персонального компьютера. Эти сигналы обрабатываются графическим контроллером монитора, получившим название скалер (Scaler). Скалер осуществляет преобразование изображения, масштабируя его из любого входного формата в формат, соответствующий разрешению матрицы. Таким образом, данные, передаваемые на LCD-панель, формируются на основной (микропроцессорной) плате монитора, а именно, на выходе микросхемы скалера и передаются на панель с использованием соответствующего интерфейса (рис.4). Этот интерфейс представляет значительный практический интерес для специалиста, осуществляющего диагностику монитора, так как позволяет достаточно точно определить местоположение проблемы – на главной плате монитора или внутри LCD-панели.

Рис.4 Общая архитектура LCD-монитора

Существует несколько способов (несколько интерфейсов) соединения ЖК-панели с главной платой микропроцессора:

– параллельный цифровой интерфейс;

– интерфейс TMDS;

– интерфейс LVDS;

– интерфейс RSDS.

У производителей LCD-панелей эти интерфейсы пользуются различной популярностью – какие-то интерфейсы безоговорочно доминируют, а применение других является, скорее, экзотикой, чем правилом. Но, тем не менее, с каждым из этих типов интерфейсов встречался любой специалист, имеющий за плечами богатый практический опыт. Поэтому мы и рассмотрим все перечисленные интерфейсы.

Параллельный цифровой интерфейс

Это самый первый из внешних интерфейсов для LCD-панелей. На сегодняшний день он встречается крайне редко, да и то лишь в устаревших моделях мониторов. У этого типа соединения много недостатков:

–слишком большое количество соединительных проводов, в результате чего шлейф получается громоздким и негибким;

– сложность синхронизации при передаче данных на высоких частотах, т.е. в режимах с высоким разрешением;

– более высокая стоимость;

– сложность масштабирования и наращивания интерфейса при изменении модели LCD-панели (печатный монтаж главной платы разводится под определенный тип панели);

– слабая помехозащищенность и др.

Все это и привело к постепенному вытеснению параллельного интерфейса другими интерфейсами с последовательной передачей данных.

В случае параллельного интерфейса, все сигналы, необходимые для управления столбцовыми и строковыми драйверами формируются на главной плате. Внутри LCD-панели имеются лишь столбцовые и строковые драйверы, которые, фактически, управляются напрямую микросхемой скалера (рис.5).

Рис.5 При использовании параллельного интерфейса, столбцовые и строковые драйверы напрямую управляются микросхемой скалера

Параллельный интерфейс в документации чаще всего обозначают как цифровой интерфейс (Digital), или как TTL интерфейс. И это справедливо, т.к. все сигналы на нем соответствуют TTL-уровням. Наибольшее количество контактов интерфейса соответствует шинам данных цвета. Эти шины, традиционно, бывают двух типов:

– 6-разрядные;

– 8-разрядные.

В первом случае для передачи цвета задействовано 18 цифровых линий (6 бит х 3 цвета), а во втором – 24 цифровых линии (8 бит х 3 цвета). В некоторых случаях можно встретиться с двухканальным исполнением цифрового интерфейса. В данном варианте, цветовые данные могут передаваться либо по 36 линиям (в случае 6-битного кодирования цвета), либо по 48 линиям (в случае 8-битного кодирования цвета) (см. рис.6).

Рис.6 Увеличение пропускной способности интерфейса обеспечивается введением второго канала передачи данных

Всего же, на параллельном цифровом интерфейсе можно найти следующие информационные и управляющие сигналы:

– шина данных красного цвета: 6-разрядная (R0-R5) или 8-разрядная (R0-R7);

– шина данных зеленого цвета: 6-разрядная (G0-G5) или 8-разрядная (G0-G7);

– шина данных синего цвета: 6-разрядная (B0-B5) или 8-разрядная (B0-B7);

– сигнал разрешения данных LCD-панели (DE – Data Enable);

– сигнал тактовой частоты (частота пикселов PCLK – Pixel Clock);

– сигнал строчной синхронизации (HSYNC);

– сигнал кадровой синхронизации (VSYNC).

Естественно, могут присутствовать и другие специальные управляющие сигналы, характерные для отдельных LCD-панелей. В результате, количество соединительных линий цифрового интерфейса обычно колеблется от 25 до 60, в зависимости от разрядности цвета, количества каналов и количества управляющих сигналов, т.е. в конструктивном плане разъемы интерфейса могут быть самыми разнообразными.

Такое полное отсутствие каких-либо спецификаций на цифровой интерфейс является еще одним отрицательным фактором, определившим отказ разработчиков от его применения. Каждый разработчик LCD-панели использовал цифровой интерфейс с таким количеством контактов и с таким их расположением, которое казалось ему удобным и оптимальным. И зачастую, при появлении новой LCD-панели, тот же самый разработчик мог использовать интерфейс совершенно другой конфигурации. В результате, желание использовать новую модель LCD-панели, приводило к необходимости полностью переделывать главную плату монитора и разводить печатный монтаж заново. Именно поэтому не имеет смысла даже пытаться систематизировать параллельные интерфейсы – все они имеют разное количество контактов, контакты могут располагаться как в один ряд, так и в два ряда, соединительный шлейф может быть как ленточным, так и состоящим из отдельных проводов и т.д. и т.п. Также стоить обратить внимание, что количество и тип управляющих сигналов, таких как сигналы строчной и кадровой синхронизации, тактовой частоты, разрешения и т.п. также не подвергаются спецификации и поэтому наличие всех этих сигналов и их количество является уникальным для каждой модели LCD-панели. Для получения информации о цоколевке внешнего разъема соответствующей LCD-панели, необходимо обратиться к ее документации, благо, что Data Sheet почти на любую модель LCD-панели любого производителя можно найти в Internet’е.

Цифровой интерфейс является очень простым для диагностики. Достаточно загрузить на экран изображение «белое поле», чтобы добиться активности абсолютно всех сигналов интерфейса, в чем можно убедиться с помощью осциллографа. При этом, все активные сигналы будут иметь регулярную структуру, и их амплитуда будет соответствовать уровням TTL (см. рис.7). Если же требуется активизировать сигналы какого-то одного цветового канала, то необходимо загрузить на экран соответствующее «цветовое поле».

Рис.7 Осциллограмы основных сигналов параллельного интерфейса при работе монитора с тестовым изображением “белое поле”

В качестве примера использования параллельного интерфейса, можно упомянуть монитор Sony SDMM50, цифровой интерфейс которого представлен на рис.8. Этот интерфейс является 41-контактным, одноканальным и с 6-разрядным кодированием цвета. Все сигналы интерфейса являются сигналами TTL и формируются микросхемой АЦП/Скалера (IC10).

Рис.8 Параллельный интерфейс монитора Sony SDMN-50

На сегодняшний день, цифровой параллельный интерфейс чаще можно встретить в малогабаритных жидкокристаллических дисплеях, например, для сотовых телефонов и цифровых фотокамер. При этом наряду с параллельным интерфейсом, в подобных дисплеях, чаще всего, используется еще и микропроцессорный интерфейс, состоящий из шины адреса, шины данных и соответствующих управляющих сигналов, но эти интерфейсы не являются темой настоящего обзора.

Интерфейс TMDS

Наибольшее распространение интерфейс TMDS приобрел в качестве внешнего интерфейса, используемого для передачи данных от компьютера на монитор. Чтобы убедиться в этом, можно лишь вспомнить, что TMDS является основой таких внешних интерфейсов, как P&D, DFP, DVI, HDMI. Однако TMDS применялся в свое время и для передачи данных между скалером и LCD-панелью.

Достаточно часто в сервисных руководствах LCD-мониторов упоминается интерфейс Panel Link, как интерфейс, используемый для подключения LCD-панели к главной плате. Но при более детальном рассмотрении интерфейса Panel Link обнаруживается, что у него очень много общего с интерфейсом TMDS. Да это и не удивительно.

Дело в том, что спецификация с торговой маркой Panel Link была изначально разработана компанией Silicon Image. Целью разработки являлось создание интерфейса, позволяющего разработчику оборудования объединять любую микропроцессорную систему с любой LCD-панелью. Впоследствии этот интерфейс был зарегистрирован ассоциацией VESA под названием TMDS (Transition Minimized Differential Signal). В результате, на сегодняшний день принято считать, что TMDS – это внешний интерфейс для подключения монитора к источнику сигнала, в то время как Panel Link – это интерфейс для подключения LCD-панели, хотя такое деление является, в общем-то, условным. Достаточно широкому упоминанию спецификации Panel Link способствует то обстоятельство, что компания Silicon Image является ведущим и одним из крупнейших разработчиков элементной базы для LCD-мониторов, и, в частности, микросхем скалеров. Поэтому, вполне естественно, что компания Silicon Image при описании своих микросхем упоминает именно интерфейс Panel Link (ничем не отличающийся от TMDS). В данной публикации мы будем считать эти два интерфейса абсолютно идентичными и будем упоминать чаще всего TMDS, хотя все сказанное будет, в равной степени, относится и к Panel Link.

Интерфейс TMDS является интерфейсом с последовательной передачей цифровых данных. Интерфейс является синхронным, т.е. передача данных осуществляется строго по тактам, в соответствии с тактовыми сигналами, формируемыми на отдельной линии. Передача данных осуществляется по дифференциальным парам (т.е. источник тока включен между двумя проводниками – рис.9), что обеспечивает высокую помехозащищенность интерфейса, позволяя добиться высокой пропускной способности.

Рис.9  Дифференциальный способ передачи данных повышает помехозащищенность соединения

Интерфейс TMDS имеет следующие основные электрические характеристики и технические параметры:

– пропускная способность свыше 1 Гб/с;

– длина соединения до 15 метров, в зависимости от типа и мощности приемо-передатчиков;

– напряжение питания элементов интерфейса: 4В;

– размах дифференциальных сигналов: от 400 мВ до 600 мВ;

– сопротивление терминаторов: 50 Ом.

На интерфейсе TMDS допускается два варианта сигналов:

– несимметричный сигнал, формируемый только на одной из двух дифференциальных линий (либо на «+», либо на «-»);

– дифференциальный сигнал.

Высокому уровню несимметричного сигнала соответствует питающее напряжение AVcc, номинальное значение которого составляет 3.3В, а максимальное – 4.0В. Низкий уровень несимметричного сигнала равен AVcc-Vswing, где Vswing – это напряжение размаха сигнала и составляет от 400мВ до 600мВ.

Дифференциальный сигнал находится в диапазоне между +Vswing и –Vswing, т.е. от +600мВ до -600мВ (в максимальном варианте). Разницу между дифференциальным сигналом и несимметричным сигналом, передаваемым по дифференциальным линиям TMDS, демонстрирует рис.10.

Рис.10 Симметричный и несимметричный дифференциальные сигналы

Существует два типа TMDS-интерфейсов:

– одноканальный TMDS;

– двухканальный TMDS.

Использование двухканального TMDS обусловлено необходимостью обеспечения большой пропускной способности интерфейса в случае использования крупногабаритных LCD-панелей и режимов с высоким разрешением. Использование двух каналов TMDS целесообразно при работе в режимах, имеющих полосу пропускания видеосигналов свыше 165 МГц.

Сначала рассмотрим одноканальный TMDS. Одноканальный (классический TMDS) состоит из четырех дифференциальных пар:

– трех дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных;

– одной дифференциальной пары, предназначенной для передачи тактовых сигналов.

Таким образом, одноканальный TMDS состоит из восьми линий – четырех 4 пар (рис.11), по которым передаются и сигналы цвета R/G/B, и сигналы строчной и кадровой синхронизации, и другие управляющие сигналы.

Рис.11 Итерфейс TMDS

Так как данные по TMDS передаются в последовательном виде, а на выходе скалера эти же данные формируются в параллельном виде, возникает необходимость преобразования параллельного кода в последовательный с одновременным преобразованием TTL-сигналов в дифференциальные сигналы. Такое преобразование должно осуществлять передающее устройство. Устройство же, принимающие данные по TMDS, наоборот, должно осуществлять преобразование дифференциальных последовательных данных в параллельные данные TTL-уровня. Таким образом, в системе передачи данных появляются два устройства:

– передатчик – трансмиттер (Transmitter);

– приемник – ресивер (Receiver).

Трансмиттер осуществляет преобразование параллельного кода в последовательный, а ресивер, наоборот – последовательного кода в параллельный. Таким образом, со стороны главной платы монитора находится Transmitter, а на LCD-панели размещается Receiver (рис.12).

Рис.12 Полная архитектура TMDS-интерфейса

Трансмиттер представляет собой микросхему, состоящую из трех 10-разрядных сдвиговых регистров, умножителя частоты и выходных дифференциальных усилителей (рис.13).

Рис.13 Внутренняя архитектура транисмиттера TMDS

Входной сигнал CLK представляет собой сигнал пиксельной частоты (Pixel Clock) и он определяет частоту формирования сигналов R/G/B на входе трансмиттера. Умножитель частоты умножает частоту CLK в 10 раз. Полученный тактовый сигнал (10CLK) используется для тактирования сдвиговых регистров, а также передается по дифференциальным линиям CX+/-.

Сдвиговые регистры трансмиттера по каждому такту сигнала 10CLK поочередно «выталкивают» свои входные биты на соответствующую выходную дифференциальную линию. Таким образом, на каждой из трех дифференциальных линий данных (RX0+/-, RX1+/-, RX2+/-) формируется 10-разрядный последовательный код, передаваемый синхронно с тактовыми сигналами на линии CX+/-. Трансмиттер TMDS не только производит преобразование параллельного кода в последовательный, но и обеспечивает преобразование 8-битного кода в 10-битовый с целью уменьшения количества фронтов и одновременно с целью обеспечения баланса сигнала по постоянной составляющей. Для кодирования используется фирменный запатентованный метод.

Обратное преобразование последовательного кода в параллельный осуществляется ресивером, входящим в состав LCD-панели, т.е. ресивер является зеркальным отражением трансмиттера.

Итак, на LCD-панель, необходимо передать 24-разрядный цветовой код (три по 8 бит), сигналы HSYNC и VSYNC, а также сигнал разрешения данных – сигнал DE. Итого, 27 сигналов. При этом у трансмиттера имеется 30 входных контактов. То, как распределяются упомянутые сигналы по входам трансмиттера, демонстрируется на том же рис.13, из которого видно, что каждому базовому цвету соответствует своя дифференциальная пара TMDS:

– по линиям первой пары (RX0+/-) передается синий цвет;

– по линиям второй пары (RX1+/-) передается зеленый цвет;

– по линиям третьей пары (RX2+/-) передается красный цвет.

Сигналы синхронизации подмешиваются к синему цвету, т.е. передаются по линиям первого канала. Такое четкое распределение сигналов цвета по каналам интерфейса TMDS дает возможность достаточно легко диагностировать интерфейс при загрузке на экран изображения «цветное поле» (красное, синее или зеленое), а также изображения «белое поле». Интересно отметить, что на принципиальных схемах LCD-мониторов, можно встретить, например, такое обозначение дифференциальных пар интерфейса TMDS, как REDTMDS +/-, GREENTMDS+/-, BLUETMDS+/-, что говорит само за себя.

Это нами был описан классический вариант интерфейса TMDS. Однако в спецификации TMDS упоминается и другой вариант кодирования данных, который очень часто используется для передачи данных именно на LCD-панель. Этот второй вариант кодирования подразумевает, что сигналы HSYNC и VSYNC должны передаваться по другим отдельным линиям в виде TTL-сигналов, т.е. эти сигналы не подмешиваются в дифференциальный поток данных синего цвета. Дифференциальные линии, в данном случае, используются, исключительно, для передачи 8-разрядных данных, т.е. для передачи цвета и при этом 8-разрядный цветовой код преобразуется в избыточный 10-разрядный последовательный код. Разницу между двумя вариантами кодирования данных в TMDS, демонстрирует рис.14.

Рис.14 Сдвиговые регистры TMDS-трансмиттера могут быть как 8-разрядными, так и 10-разрядными

Двухканальный TMDS, как уже говорилось выше, позволяет увеличить пропускную способность интерфейса. В двухканальный TMDS вводится еще три дифференциальных пары для передачи данных. При этом линия синхронизации остается единой, и она тактирует передачу данных уже по шести линиям данных (см. рис.15).

Рис.15 Двухканальный TMDS позволяет значительно увеличить пропускную способность интерфейса

Таким образом, получается два канала передачи данных по три дифференциальные линии в каждом. Увеличение пропускной способности осуществляется за счет того, что один канал используется для передачи данных о цвете четных точек экрана (канала Even), а второй – для передачи данных цвета нечетных точек (Odd). Т.е. за один цикл (один такт CLK) предаются данные, описывающие сразу две точки экрана, т.е. передается 48 разрядов вместо 24 при одноканальном TMDS.

Канал, образованный парами RX0+/-, RX1+/-, RX2+/-, предназначен для передачи данных о цвете нечетных точек. Второй канал, образованный парами RX3+/-, RX4+/-, RX5+/-, предназначен для передачи данных о цвете четных точек экрана.

Интерфейс TMDS, использующийся для связи LCD-панели с главной платой монитора, не подвергался какой-либо спецификации, т.е. точного описания конструктивного исполнения разъемов, количества необходимых контактов на этих разъемах, а также распределения сигналов по контактам разъема, в природе не существует. Каждый производитель LCD-панели, решивший использовать интерфейс TMDS, самостоятельно выбирает конструктив разъема. Однако попытка систематизировать интерфейс TMDS нами все-таки была предпринята. Из описаний того небольшого количества LCD-панелей, в которых используется интерфейс Panel Link, удалось выяснить, что соединительный разъем, чаще всего, является 21-контактным (разъем типа FI-WE21P-HF), и контакты в нем размещены в два ряда со сдвигом (рис.16).

Рис.16   21-контактный разем TMDS-интерфейса

Распределение сигналов интерфейса по контактам такого разъема представлено в табл.1 (обратите внимание, что сигналам HSYNC и VSYNC соответствуют отдельные контакты).

Таблица 1. Сигналы 21-контактного разъема интерфейса TMDS

В табл.2 представлено описание интерфейса Panel Link монитора LG LB570 (в этой таблице мы намеренно оставили такое же обозначение сигналов, которое используется компанией LG). В этом мониторе LCD-панель также подключается через 21-контактный разъем, но сигналы HSYNC и VSYNC на интерфейсе отсутствуют, т.е. отдельно не передаются. Это означает, что управляющие сигналы, в том числе и HSYNC/VSYNC, передаются в 10-битовом потоке данных по дифференциальным линиям. Сравнение таблиц 1 и 2 показывает, что эти интерфейсы практически идентичны и разнятся они только сигналами HSYNC/VSYNC, да еще буквенным обозначением сигналов.

Таблица 2. Назначение контактов разъема интерфейса Panel Link vонитора LG LB570

Но еще раз отмечаем, что единого стандарта не существует и это только один из возможных вариантов разъема, хотя и наиболее распространенный. Уточнить тип используемого интерфейса и выяснить распределение сигналов по контактам соединительного разъема, как всегда, можно в Data Sheet’е на LCD-панель.

Но, тем не менее, при использовании TMDS появляется некоторая универсальность соединения LCD-панели с главной платой монитора. Для обеспечения такой унификации, главная плата монитора должна оснащаться универсальным трансмиттером, совместимым с любым ресивером LCD-панели. Кстати сказать, компания Silicon Image является лидером в разработке TMDS трансмиттеров/ресиверов, и их крупнейшим поставщиком, что, в общем-то, и неудивительно. Широкое распространение, в свое время, получили такие пары трансмиттеров/ресиверов, как SIL100/SIL101, SIL150/SIL151, SIL160/SIL161 и др. Если в мониторе используется интерфейс TMDS, то смена LCD-панели не приводит к необходимости переработки всей главной платы – достаточно будет согласовать лишь соединительный шлейф или разъем. В крайнем случае, потребуется замена TMDS-трансмиттера.

В случае использования интерфейса TMDS, в составе LCD-панели появляется специальная микросхема – контроллер синхронизации TCON (Timing CONtroller). Контроллер TCON осуществляет преобразование входных сигналов (R/G/B, HSYNC, VSYNC) в сигналы управления столбцовыми и строковыми драйверами. Внутренняя архитектура LCD-панели при использовании интерфейса TMDS представлена на рис.17. Необходимо отметить, что многие контроллеры TCON интегрированы с TMDS-ресивером. В этом случае входными сигналами TCON являются дифференциальные пары TMDS.

Рис.17 Внутренняя архитектура LCD-панели с внешним интерфейсом TMDS

Цветовые данные R/G/B от контроллера TCON к столбцовым драйверам передаются по внутреннему интерфейсу, в качестве которого, чаще всего, используется интерфейс RSDS (реже MLVDS).

Анализ огромного количества LCD-панелей показал, что интерфейс TMDS (Panel Link) использовался и используется крайне редко и его применение, в большинстве случаев, характерно для 14-15 дюймовых моделей.

Перейти ко второй части статьи: Внешние интерфейсы TFT панелей. Часть II. LVDS

Перейти к третьей части статьи: Внешние интерфейсы TFT панелей. Часть III. RSDS