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嵌入式电子显示器简介

2021-08-05

嵌入式电子显示器简介

如果您的新产品需要电子显示器，那么您必须选择正确的显示器类型。

您对显示器的选择只是作为其最明显的方面之一直接影响您的产品的用户体验。显示器也可能是您产品中最昂贵的组件之一，也是最耗电的组件之一。

因此，让我们更仔细地看看如何平衡各种权衡，以选择最适合您产品的显示技术。

显示基础知识

在我们继续之前，您需要了解一些技术术语才能选择最佳显示器。

大多数显示器被归类为反射式、透射式或发射式。反射式显示器依赖于从显示器正面反射的光。这种显示器的背景通常是反射性的，显示的图案有选择地阻挡了反射。

透射式显示器取决于允许或阻挡背光来显示图像。背光通常是白色的，每个像素实际上由三个子像素组成，这些子像素可以选择性地通过白色背光的红色、绿色和蓝色部分。

发光显示器实际上自己发光。每个像素以三种主要的 R、G、B 颜色发出自己的光。通过改变发射光的强度，可以创建全彩色图像。

色域是衡量显示器中可用颜色范围有多宽的指标。另一方面，单色显示器只有一种可用颜色。

全彩色显示器通常由三基色组成——红、绿和蓝 (RGB)。这些具有各种强度的原色的各种组合可以再现逼真的全彩显示。

颜色深度指定每个颜色分量的强度级别数。甲颜色深度的N，意味着每个颜色可以在N个不同的强度来显示。

例如，RGB 显示器，每种颜色的颜色深度为 N，因此可以有 N x N x N 种可能的颜色组合。最简单的颜色深度是二。也就是说，一个段或一个像素要么全开，要么全关。

简单的分段显示

如果您需要简单地显示一些数字，比如一小组字母，那么您应该考虑分段显示。在数字时钟中可以找到分段显示的典型示例。

每个数字由七段组成，可以单独打开或关闭。它可以显示数字 0 到 9，以及一些字母，如 A、C、E、F、H、h、L、P、r、t 和 U。

一些分段显示器有七个以上的段，因此可以显示更广泛的图案。

通常，这些类型的显示器为每个段使用 LED（发光二极管），它们的颜色通常是红色。但是，也可以使用分段式 LCD 显示器。典型的七段 LED 显示屏的图片如下图 1 所示。

图 1 – 典型的 7 段显示器

下面的表 1 总结了简单分段显示器的特性。

特征	评分	笔记
色域	单色	通常是红色的。
颜色深度	2	段为 ON 或 OFF。
显示类型	自发光	可以在阳光下或弱光下阅读。
更新速度	高的	数字可以非常快地更新。
温度范围	高的	在很宽的温度范围内工作。
接口复杂度	中等的	即使使用合适的驱动芯片，此类显示器也可以使用大量处理器 IO 线来正确寻址。
能量消耗	中 – 可变	取决于当前打开的段数。
尺寸	多变的	可以从大约 0.2 英寸高到几英寸高。
成本	低 – 可变	几乎与使用的位数成正比。

表 1 – 分段显示一览

字母数字显示

显示器的下一级功能是字母数字显示器。该显示由一行或多行字符单元组成。每个字符单元实际上由一个固定大小的像素阵列组成，可以显示预定义的和一些用户定义的字符或符号。

每行可以有许多这样的字符单元。这种类型的显示器有 16 x 1、16 X 2、24 X 1、24 x 2、16 X 4 等。这些是指显示器中此类单元格的数量。例如，一个 16 X 2 的显示器有两行每行 16 个字符的单元格。

这些类型最常用的显示器是反射式 LCD（液晶显示器）。LCD 字母数字显示器的图片如下图 2 所示。

图 2 – 典型的字母数字显示

下面的表 2 给出了字母数字显示器的一些重要特性。

特征	评分	笔记
色域	单色	在各种彩色背景上可以是灰色、白色或黄色。
颜色深度	2	段为 ON 或 OFF。
显示类型	反光的	只能在强光下阅读。一些显示器还具有小型前置侧灯。
更新速度	低的	如果用户没有看到一些视觉伪像，显示就无法快速更新。
温度范围	中等的	显示在低温下会变得迟钝。
接口复杂度	中等的	显示器使用至少六个或更多 IO 线来正确寻址。
能量消耗	低的	如果使用前侧灯，会显着增加功耗。
尺寸	多变的	有多种尺寸可供选择。可以非常小，也可以宽至 6 英寸或更多。
成本	低 - 中	合理的低成本。

表 2 – 字母数字显示一览

图形显示

此类别中的显示器由可单独寻址的像素组成。它们能够显示从简单文本到完整静态、从动画图像到全动态视频的任何内容。

不出所料，它们比之前类别的显示器成本更高。即便如此，仍有相当多的品种具有不同的成本效益比。本节将探讨一些最常见的品种。

LED矩阵显示

LED 矩阵显示器由可以单独寻址的离散 LED 矩阵组成。这种类型的显示器有单色、多色和全色品种。

该显示器的像素密度或每英寸点数 (DPI) 非常低。此显示器最好从远处观看；否则单个像素将清晰可见。

全彩 LED 矩阵显示屏的图片如图 3 所示。

图 3 – 小型全彩 LED 矩阵显示器

下面的表 3 总结了 LED 矩阵显示器的特性。

特征	评分	笔记
色域	单色、多色或全 RGB	可以只有一种颜色，一小组颜色，或者在全 RGB 的情况下任何颜色。
颜色深度	通常为 2 到 64	可以显示有限范围的灰度。
显示类型	自发光	可在任何光线条件下阅读。
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。
温度范围	中等的	在较高温度下，显示器可能会过热。然后需要主动冷却（通常是风扇）。
接口复杂度	中等的	根据显示器的大小，可能需要很多 IO 线。
能量消耗	高的	取决于点亮的像素数，但通常很高。
尺寸	多变的	种类繁多，可达到竞技场大小。
成本	中等偏上	取决于尺寸和像素分辨率。

表 3 – LED 矩阵显示一览

电子墨水显示器

电子墨水或电子纸显示器是非常低功耗的显示器，适用于不需要快速更新速度的特定应用。它们有多种尺寸可供选择。通常它们是单色的，但有些可以显示有限的颜色组合。

由于它们使用反射技术，因此这些显示器在强光环境下观看效果最佳。

这种显示器的一个独特特征是，一旦渲染，即使关闭电源，图像也会留在屏幕上。在某些应用中，这可以实现极低的功耗。

图 4 显示了一个典型的小型单色电子墨水显示屏。

图 4 – 小型电子纸显示器

下面的表 4 给出了 E-Ink 显示器的一些重要特性。

特征	评分	笔记
色域	单色到多色。	只有一种颜色或一小组颜色。
颜色深度	通常为 2 到 16	可以显示有限范围的灰度。
显示类型	反光的	只能在强光下阅读。
更新速度	非常低	从半秒到四秒以上，具体取决于型号。
温度范围	低的	大多数电子墨水显示器在冰点以下无法正常工作。
接口复杂度	低的	提供带有 SPI 或 I 2 C 的型号。
能量消耗	非常低	渲染后，此显示器不使用电源来保留屏幕上的内容。
尺寸	多变的	对角线长度从大约 1.2 英寸到超过 40 英寸不等。
成本	中等偏上	这种显示技术相对较新，根据所需的功能，成本可能会很高。

表 4 – 电子纸显示一目了然

有两种标准串行通信协议通常用于与中等复杂度的显示器连接。

I 2 C是一些显示器使用的速度相对较低但简单的界面。这个接口只需要两条线，加上一条回线，数据是一个像素一个像素地发送出去的。

SPI是一些显示器使用的中速接口。这个接口通常需要三到四根线，加上一条回线。虽然数据也是逐个像素发送的，但它通常比 I 2 C 总线快。

OLED显示器

OLED（有机 LED）显示器与之前描述的 LED 矩阵显示器有些相似，不同之处在于像素密度或 DPI（每英寸点数）可能非常高。

这是因为有机 LED 技术与常规 LED 有很大不同，这使得制造过程可以生产密集的像素。

请注意，OLED 显示器有两个子类：无源矩阵和有源矩阵 OLED，分别缩写为 PMOLED 和 AMOLED。

在 PMOLED 中，每个子像素，即 R、G 和 B 子像素，位于水平（按行）和垂直（按列）运行的控制线矩阵的交叉点处。控制像素然后涉及为适当的行和列线供电。

下面的图 5 显示了一个小型 PMOLED 显示屏。

图 5 – 小型 PMOLED 显示屏图片

在 PMOLED 驱动方案中，一旦给定的行/列不再通电，OLED 在其结点处关闭。

因此，每个像素只获得刷新整个显示区域所需总时间的一小部分。因此，这种 OLED 驱动方案通常仅限于相当低分辨率的屏幕。

在 AMOLED 中，每个颜色子像素都由充当电子开关的晶体管单独控制。制造工艺比 PMOLED 更复杂，但显示速度更快且更均匀。

通常，低分辨率 OLED 是 PMOLED，而高分辨率 OLED 是 AMOLED。大多数现代高端智能手机都提供 AMOLED 显示屏。

下面的表 5 给出了 OLED 图形显示器的一些更关键的特性。

特征	评分	笔记
色域	单色、多色或全色	可以只有一种颜色，或一小组颜色，或全色。
颜色深度	每个原色 2 到 256 及更多	简单的显示可以是黑白的。然而，这些显示器中最复杂的可以再现数百万种颜色。
显示类型	自发光	可以在阳光下或黑暗中观看。
更新速度	高的	适用于视频或全速动画。
温度范围	高的	可在广泛的环境温度下使用。
接口复杂度	从低到高	带有 SPI 或 I 2 C 的型号可用于更简单的显示器。高分辨率显示器具有复杂的接口，例如数字并行接口或 MIPI。
能量消耗	中 – 可变	功耗取决于点亮的像素数。
尺寸	多变的	对角线长度从大约 1.2 英寸到超过 40 英寸不等。
成本	中等偏上	根据所需的功能，这种显示技术的成本可能会很高。

表 5 – OLED 显示屏一览

更复杂的显示器通常通过数字并行端口（有时称为数字视频端口或 DVP）或称为移动工业处理器接口(MIPI)的专用串行端口进行连接。

MIPI 是一种标准的高速接口，广泛用于现代消费电子产品，包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑。MIPI 相对于 DVP 的优势在于所需的引脚更少。

请注意，MIPI 通常仅受更高级的微处理器支持，并且在大多数微控制器上不可用。一个例外是ST Microelectronics的STM32F469 微控制器，它确实提供了 MIPI 显示接口。

液晶显示器

最后一类图形显示器是 LCD。这些显示器可以具有非常高的像素密度，并且可以以全动态功能显示全范围的颜色。

它们还有多种尺寸可供选择，从 2 英寸到对角线长度为 100 英寸的高清电视。

这种性能使得驱动它们变得非常复杂，除了最简单的模型之外，任何东西都需要专用的控制器芯片。另请注意，许多中小型 LCD 显示器也提供触摸屏覆盖层。

与 OLED 显示器一样，LCD 显示器有无源和有源矩阵两种版本。

有源矩阵 LCD 通常使用薄膜晶体管 (TFT) 技术实现。为了制造 TFT 显示器，将硅薄膜沉积在玻璃面板上以形成晶体管。

下面的表 6 显示了 LCD 显示器的一些特性。

特征	评分	笔记
色域	饱满的色彩	大多数是全系列的颜色。
颜色深度	每原色 2 至 256 个	简单的显示器可以是单色的。然而，这些显示器中的大多数都可以再现数百万种颜色。
显示类型	透射式	可以在柔和的阳光下或黑暗中观看。需要背光。
更新速度	中等偏上	适用于视频或全速动画。
温度范围	中等偏上	可在广泛的环境温度下使用。
接口复杂度	从低到高	具有 SPI 或 I 2 C 的型号可用于较低分辨率的显示器。高分辨率显示器具有复杂的接口，例如数字并行接口、HDMI 或 MIPI。
能量消耗	中 – 可变	功耗主要取决于背光的类型和强度，以及显示控制器。
尺寸	多变的	对角线长度从大约 1.2" 到超过 100" 的范围很广。
成本	中等偏上	这种显示技术的成本可能很高，主要取决于尺寸。

表 6 – LCD 显示一览

您为产品选择的显示器是您将要做出的最重要的设计决策之一。

显示器不仅是您的用户最常使用的组件，而且它通常也是产品中最昂贵和最耗电的组件。

选择显示器时，最好先将选择范围缩小到一种显示器类型。选择显示类型后，您可以使用特定的显示模型微调您的选择以满足您的要求。

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