嵌入式電子顯示器簡介

2021-08-05

嵌入式電子顯示器簡介

如果您的新產品需要電子顯示器，那么您必須選擇正確的顯示器類型。

您對顯示器的選擇只是作為其最明顯的方面之一直接影響您的產品的用戶體驗。顯示器也可能是您產品中最昂貴的組件之一，也是最耗電的組件之一。

因此，讓我們更仔細地看看如何平衡各種權衡，以選擇最適合您產品的顯示技術。

顯示基礎知識

在我們繼續之前，您需要了解一些技術術語才能選擇最佳顯示器。

大多數顯示器被歸類為反射式、透射式或發射式。反射式顯示器依賴于從顯示器正面反射的光。這種顯示器的背景通常是反射性的，顯示的圖案有選擇地阻擋了反射。

透射式顯示器取決于允許或阻擋背光來顯示圖像。背光通常是白色的，每個像素實際上由三個子像素組成，這些子像素可以選擇性地通過白色背光的紅色、綠色和藍色部分。

發光顯示器實際上自己發光。每個像素以三種主要的 R、G、B 顏色發出自己的光。通過改變發射光的強度，可以創建全彩色圖像。

色域是衡量顯示器中可用顏色范圍有多寬的指標。另一方面，單色顯示器只有一種可用顏色。

全彩色顯示器通常由三基色組成——紅、綠和藍 (RGB)。這些具有各種強度的原色的各種組合可以再現逼真的全彩顯示。

顏色深度指定每個顏色分量的強度級別數。甲顏色深度的N，意味著每個顏色可以在N個不同的強度來顯示。

例如，RGB 顯示器，每種顏色的顏色深度為 N，因此可以有 N x N x N 種可能的顏色組合。最簡單的顏色深度是二。也就是說，一個段或一個像素要么全開，要么全關。

簡單的分段顯示

如果您需要簡單地顯示一些數字，比如一小組字母，那么您應該考慮分段顯示。在數字時鐘中可以找到分段顯示的典型示例。

每個數字由七段組成，可以單獨打開或關閉。它可以顯示數字 0 到 9，以及一些字母，如 A、C、E、F、H、h、L、P、r、t 和 U。

一些分段顯示器有七個以上的段，因此可以顯示更廣泛的圖案。

通常，這些類型的顯示器為每個段使用 LED（發光二極管），它們的顏色通常是紅色。但是，也可以使用分段式 LCD 顯示器。典型的七段 LED 顯示屏的圖片如下圖 1 所示。

圖 1 – 典型的 7 段顯示器

下面的表 1 總結了簡單分段顯示器的特性。

特征	評分	筆記
色域	單色	通常是紅色的。
顏色深度	2	段為 ON 或 OFF。
顯示類型	自發光	可以在陽光下或弱光下閱讀。
更新速度	高的	數字可以非?？斓馗?。
溫度范圍	高的	在很寬的溫度范圍內工作。
接口復雜度	中等的	即使使用合適的驅動芯片，此類顯示器也可以使用大量處理器 IO 線來正確尋址。
能量消耗	中 – 可變	取決于當前打開的段數。
尺寸	多變的	可以從大約 0.2 英寸高到幾英寸高。
成本	低 – 可變	幾乎與使用的位數成正比。

表 1 – 分段顯示一覽

字母數字顯示

顯示器的下一級功能是字母數字顯示器。該顯示由一行或多行字符單元組成。每個字符單元實際上由一個固定大小的像素陣列組成，可以顯示預定義的和一些用戶定義的字符或符號。

每行可以有許多這樣的字符單元。這種類型的顯示器有 16 x 1、16 X 2、24 X 1、24 x 2、16 X 4 等。這些是指顯示器中此類單元格的數量。例如，一個 16 X 2 的顯示器有兩行每行 16 個字符的單元格。

這些類型最常用的顯示器是反射式 LCD（液晶顯示器）。LCD 字母數字顯示器的圖片如下圖 2 所示。

圖 2 – 典型的字母數字顯示

下面的表 2 給出了字母數字顯示器的一些重要特性。

特征	評分	筆記
色域	單色	在各種彩色背景上可以是灰色、白色或黃色。
顏色深度	2	段為 ON 或 OFF。
顯示類型	反光的	只能在強光下閱讀。一些顯示器還具有小型前置側燈。
更新速度	低的	如果用戶沒有看到一些視覺偽像，顯示就無法快速更新。
溫度范圍	中等的	顯示在低溫下會變得遲鈍。
接口復雜度	中等的	顯示器使用至少六個或更多 IO 線來正確尋址。
能量消耗	低的	如果使用前側燈，會顯著增加功耗。
尺寸	多變的	有多種尺寸可供選擇?？梢苑浅Ｐ?，也可以寬至 6 英寸或更多。
成本	低 - 中	合理的低成本。

表 2 – 字母數字顯示一覽

圖形顯示

此類別中的顯示器由可單獨尋址的像素組成。它們能夠顯示從簡單文本到完整靜態、從動畫圖像到全動態視頻的任何內容。

不出所料，它們比之前類別的顯示器成本更高。即便如此，仍有相當多的品種具有不同的成本效益比。本節將探討一些最常見的品種。

LED矩陣顯示

LED 矩陣顯示器由可以單獨尋址的離散 LED 矩陣組成。這種類型的顯示器有單色、多色和全色品種。

該顯示器的像素密度或每英寸點數 (DPI) 非常低。此顯示器最好從遠處觀看；否則單個像素將清晰可見。

全彩 LED 矩陣顯示屏的圖片如圖 3 所示。

圖 3 – 小型全彩 LED 矩陣顯示器

下面的表 3 總結了 LED 矩陣顯示器的特性。

特征	評分	筆記
色域	單色、多色或全 RGB	可以只有一種顏色，一小組顏色，或者在全 RGB 的情況下任何顏色。
顏色深度	通常為 2 到 64	可以顯示有限范圍的灰度。
顯示類型	自發光	可在任何光線條件下閱讀。
更新速度	低的	低速主要是由于可用的控制器，而不是 LED 本身。
溫度范圍	中等的	在較高溫度下，顯示器可能會過熱。然后需要主動冷卻（通常是風扇）。
接口復雜度	中等的	根據顯示器的大小，可能需要很多 IO 線。
能量消耗	高的	取決于點亮的像素數，但通常很高。
尺寸	多變的	種類繁多，可達到競技場大小。
成本	中等偏上	取決于尺寸和像素分辨率。

表 3 – LED 矩陣顯示一覽

電子墨水顯示器

電子墨水或電子紙顯示器是非常低功耗的顯示器，適用于不需要快速更新速度的特定應用。它們有多種尺寸可供選擇。通常它們是單色的，但有些可以顯示有限的顏色組合。

由于它們使用反射技術，因此這些顯示器在強光環境下觀看效果最佳。

這種顯示器的一個獨特特征是，一旦渲染，即使關閉電源，圖像也會留在屏幕上。在某些應用中，這可以實現極低的功耗。

圖 4 顯示了一個典型的小型單色電子墨水顯示屏。

圖 4 – 小型電子紙顯示器

下面的表 4 給出了 E-Ink 顯示器的一些重要特性。

特征	評分	筆記
色域	單色到多色。	只有一種顏色或一小組顏色。
顏色深度	通常為 2 到 16	可以顯示有限范圍的灰度。
顯示類型	反光的	只能在強光下閱讀。
更新速度	非常低	從半秒到四秒以上，具體取決于型號。
溫度范圍	低的	大多數電子墨水顯示器在冰點以下無法正常工作。
接口復雜度	低的	提供帶有 SPI 或 I 2 C 的型號。
能量消耗	非常低	渲染后，此顯示器不使用電源來保留屏幕上的內容。
尺寸	多變的	對角線長度從大約 1.2 英寸到超過 40 英寸不等。
成本	中等偏上	這種顯示技術相對較新，根據所需的功能，成本可能會很高。

表 4 – 電子紙顯示一目了然

有兩種標準串行通信協議通常用于與中等復雜度的顯示器連接。

I 2 C是一些顯示器使用的速度相對較低但簡單的界面。這個接口只需要兩條線，加上一條回線，數據是一個像素一個像素地發送出去的。

SPI是一些顯示器使用的中速接口。這個接口通常需要三到四根線，加上一條回線。雖然數據也是逐個像素發送的，但它通常比 I 2 C 總線快。

OLED顯示器

OLED（有機 LED）顯示器與之前描述的 LED 矩陣顯示器有些相似，不同之處在于像素密度或 DPI（每英寸點數）可能非常高。

這是因為有機 LED 技術與常規 LED 有很大不同，這使得制造過程可以生產密集的像素。

請注意，OLED 顯示器有兩個子類：無源矩陣和有源矩陣 OLED，分別縮寫為 PMOLED 和 AMOLED。

在 PMOLED 中，每個子像素，即 R、G 和 B 子像素，位于水平（按行）和垂直（按列）運行的控制線矩陣的交叉點處?？刂葡袼厝缓笊婕盀檫m當的行和列線供電。

下面的圖 5 顯示了一個小型 PMOLED 顯示屏。

圖 5 – 小型 PMOLED 顯示屏圖片

在 PMOLED 驅動方案中，一旦給定的行/列不再通電，OLED 在其結點處關閉。

因此，每個像素只獲得刷新整個顯示區域所需總時間的一小部分。因此，這種 OLED 驅動方案通常僅限于相當低分辨率的屏幕。

在 AMOLED 中，每個顏色子像素都由充當電子開關的晶體管單獨控制。制造工藝比 PMOLED 更復雜，但顯示速度更快且更均勻。

通常，低分辨率 OLED 是 PMOLED，而高分辨率 OLED 是 AMOLED。大多數現代高端智能手機都提供 AMOLED 顯示屏。

下面的表 5 給出了 OLED 圖形顯示器的一些更關鍵的特性。

特征	評分	筆記
色域	單色、多色或全色	可以只有一種顏色，或一小組顏色，或全色。
顏色深度	每個原色 2 到 256 及更多	簡單的顯示可以是黑白的。然而，這些顯示器中最復雜的可以再現數百萬種顏色。
顯示類型	自發光	可以在陽光下或黑暗中觀看。
更新速度	高的	適用于視頻或全速動畫。
溫度范圍	高的	可在廣泛的環境溫度下使用。
接口復雜度	從低到高	帶有 SPI 或 I 2 C 的型號可用于更簡單的顯示器。高分辨率顯示器具有復雜的接口，例如數字并行接口或 MIPI。
能量消耗	中 – 可變	功耗取決于點亮的像素數。
尺寸	多變的	對角線長度從大約 1.2 英寸到超過 40 英寸不等。
成本	中等偏上	根據所需的功能，這種顯示技術的成本可能會很高。

表 5 – OLED 顯示屏一覽 

更復雜的顯示器通常通過數字并行端口（有時稱為數字視頻端口或 DVP）或稱為移動工業處理器接口(MIPI)的專用串行端口進行連接。

MIPI 是一種標準的高速接口，廣泛用于現代消費電子產品，包括智能手機、平板電腦和筆記本電腦。MIPI 相對于 DVP 的優勢在于所需的引腳更少。

請注意，MIPI 通常僅受更高級的微處理器支持，并且在大多數微控制器上不可用。一個例外是ST Microelectronics的STM32F469 微控制器，它確實提供了 MIPI 顯示接口。

液晶顯示器

最后一類圖形顯示器是 LCD。這些顯示器可以具有非常高的像素密度，并且可以以全動態功能顯示全范圍的顏色。

它們還有多種尺寸可供選擇，從 2 英寸到對角線長度為 100 英寸的高清電視。

這種性能使得驅動它們變得非常復雜，除了最簡單的模型之外，任何東西都需要專用的控制器芯片。另請注意，許多中小型 LCD 顯示器也提供觸摸屏覆蓋層。

與 OLED 顯示器一樣，LCD 顯示器有無源和有源矩陣兩種版本。

有源矩陣 LCD 通常使用薄膜晶體管 (TFT) 技術實現。為了制造 TFT 顯示器，將硅薄膜沉積在玻璃面板上以形成晶體管。

下面的表 6 顯示了 LCD 顯示器的一些特性。

特征	評分	筆記
色域	飽滿的色彩	大多數是全系列的顏色。
顏色深度	每原色 2 至 256 個	簡單的顯示器可以是單色的。然而，這些顯示器中的大多數都可以再現數百萬種顏色。
顯示類型	透射式	可以在柔和的陽光下或黑暗中觀看。需要背光。
更新速度	中等偏上	適用于視頻或全速動畫。
溫度范圍	中等偏上	可在廣泛的環境溫度下使用。
接口復雜度	從低到高	具有 SPI 或 I 2 C 的型號可用于較低分辨率的顯示器。高分辨率顯示器具有復雜的接口，例如數字并行接口、HDMI 或 MIPI。
能量消耗	中 – 可變	功耗主要取決于背光的類型和強度，以及顯示控制器。
尺寸	多變的	對角線長度從大約 1.2" 到超過 100" 的范圍很廣。
成本	中等偏上	這種顯示技術的成本可能很高，主要取決于尺寸。

表 6 – LCD 顯示一覽

您為產品選擇的顯示器是您將要做出的最重要的設計決策之一。

顯示器不僅是您的用戶最常使用的組件，而且它通常也是產品中最昂貴和最耗電的組件。

選擇顯示器時，最好先將選擇范圍縮小到一種顯示器類型。選擇顯示類型后，您可以使用特定的顯示模型微調您的選擇以滿足您的要求。