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技术专题
嵌入式電(diàn)子显示器简介
嵌入式電(diàn)子显示器简介
如果您的新(xīn)产品需要電(diàn)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為(wèi)其最明显的方面之一直接影响您的产品的用(yòng)户體(tǐ)验。显示器也可(kě)能(néng)是您产品中最昂贵的组件之一，也是最耗電(diàn)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(néng)选择最佳显示器。
大多(duō)数显示器被归类為(wèi)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(yǒu)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(kě)以选择性地通过白色背光的红色、绿色和蓝色部分(fēn)。
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(kě)以创建全彩色图像。
色域是衡量显示器中可(kě)用(yòng)颜色范围有(yǒu)多(duō)宽的指标。另一方面，单色显示器只有(yǒu)一种可(kě)用(yòng)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(yǒu)各种强度的原色的各种组合可(kě)以再现逼真的全彩显示。
颜色深度指定每个颜色分(fēn)量的强度级别数。甲颜色深度的N，意味着每个颜色可(kě)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為(wèi) N，因此可(kě)以有(yǒu) N x N x N 种可(kě)能(néng)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(fēn)段显示
如果您需要简单地显示一些数字，比如一小(xiǎo)组字母，那么您应该考虑分(fēn)段显示。在数字时钟中可(kě)以找到分(fēn)段显示的典型示例。
每个数字由七段组成，可(kě)以单独打开或关闭。它可(kě)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(fēn)段显示器有(yǒu)七个以上的段，因此可(kě)以显示更广泛的图案。
通常，这些类型的显示器為(wèi)每个段使用(yòng) LED（发光二极管），它们的颜色通常是红色。但是，也可(kě)以使用(yòng)分(fēn)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(fēn)段显示器的特性。
|
特征 |
评分(fēn) |
筆(bǐ)记 |
|
色域 |
单色 |
通常是红色的。 |
|
颜色深度 |
2 |
段為(wèi) ON 或 OFF。 |
|
显示类型 |
自发光 |
可(kě)以在阳光下或弱光下阅读。 |
|
更新(xīn)速度 |
高的 |
数字可(kě)以非常快地更新(xīn)。 |
|
温度范围 |
高的 |
在很(hěn)宽的温度范围内工作。 |
|
接口复杂度 |
中等的 |
即使使用(yòng)合适的驱动芯片，此类显示器也可(kě)以使用(yòng)大量处理(lǐ)器 IO 線(xiàn)来正确寻址。 |
|
能(néng)量消耗 |
中 – 可(kě)变 |
取决于当前打开的段数。 |
|
尺寸 |
多(duō)变的 |
可(kě)以从大约 0.2 英寸高到几英寸高。 |
|
成本 |
低 – 可(kě)变 |
几乎与使用(yòng)的位数成正比。 |
表 1 – 分(fēn)段显示一览
字母数字显示
显示器的下一级功能(néng)是字母数字显示器。该显示由一行或多(duō)行字符单元组成。每个字符单元实际上由一个固定大小(xiǎo)的像素阵列组成，可(kě)以显示预定义的和一些用(yòng)户定义的字符或符号。
每行可(kě)以有(yǒu)许多(duō)这样的字符单元。这种类型的显示器有(yǒu) 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(yǒu)两行每行 16 个字符的单元格。
这些类型最常用(yòng)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(fēn) |
筆(bǐ)记 |
|
色域 |
单色 |
在各种彩色背景上可(kě)以是灰色、白色或黄色。 |
|
颜色深度 |
2 |
段為(wèi) ON 或 OFF。 |
|
显示类型 |
反光的 |
只能(néng)在强光下阅读。一些显示器还具有(yǒu)小(xiǎo)型前置侧灯。 |
|
更新(xīn)速度 |
低的 |
如果用(yòng)户没有(yǒu)看到一些视觉伪像，显示就无法快速更新(xīn)。 |
|
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(yòng)至少六个或更多(duō) IO 線(xiàn)来正确寻址。 |
|
能(néng)量消耗 |
低的 |
如果使用(yòng)前侧灯，会显着增加功耗。 |
|
尺寸 |
多(duō)变的 |
有(yǒu)多(duō)种尺寸可(kě)供选择。可(kě)以非常小(xiǎo)，也可(kě)以宽至 6 英寸或更多(duō)。 |
|
成本 |
低 - 中 |
合理(lǐ)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(kě)单独寻址的像素组成。它们能(néng)够显示从简单文(wén)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(yǒu)相当多(duō)的品种具有(yǒu)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(kě)以单独寻址的离散 LED 矩阵组成。这种类型的显示器有(yǒu)单色、多(duō)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。此显示器最好从遠(yuǎn)处观看；否则单个像素将清晰可(kě)见。
全彩 LED 矩阵显示屏的图片如图 3 所示。
图 3 – 小(xiǎo)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。
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特征 |
评分(fēn) |
筆(bǐ)记 |
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色域 |
单色、多(duō)色或全 RGB |
可(kě)以只有(yǒu)一种颜色，一小(xiǎo)组颜色，或者在全 RGB 的情况下任何颜色。 |
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颜色深度 |
通常為(wèi) 2 到 64 |
可(kě)以显示有(yǒu)限范围的灰度。 |
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显示类型 |
自发光 |
可(kě)在任何光線(xiàn)条件下阅读。 |
|
更新(xīn)速度 |
低的 |
低速主要是由于可(kě)用(yòng)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(kě)能(néng)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(xiǎo)，可(kě)能(néng)需要很(hěn)多(duō) IO 線(xiàn)。 |
|
能(néng)量消耗 |
高的 |
取决于点亮的像素数，但通常很(hěn)高。 |
|
尺寸 |
多(duō)变的 |
种类繁多(duō)，可(kě)达到竞技场大小(xiǎo)。 |
|
成本 |
中等偏上 |
取决于尺寸和像素分(fēn)辨率。 |
表 3 – LED 矩阵显示一览
電(diàn)子墨水显示器
電(diàn)子墨水或電(diàn)子纸显示器是非常低功耗的显示器，适用(yòng)于不需要快速更新(xīn)速度的特定应用(yòng)。它们有(yǒu)多(duō)种尺寸可(kě)供选择。通常它们是单色的，但有(yǒu)些可(kě)以显示有(yǒu)限的颜色组合。
由于它们使用(yòng)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，即使关闭電(diàn)源，图像也会留在屏幕上。在某些应用(yòng)中，这可(kě)以实现极低的功耗。
图 4 显示了一个典型的小(xiǎo)型单色電(diàn)子墨水显示屏。
图 4 – 小(xiǎo)型電(diàn)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。
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特征 |
评分(fēn) |
筆(bǐ)记 |
|
色域 |
单色到多(duō)色。 |
只有(yǒu)一种颜色或一小(xiǎo)组颜色。 |
|
颜色深度 |
通常為(wèi) 2 到 16 |
可(kě)以显示有(yǒu)限范围的灰度。 |
|
显示类型 |
反光的 |
只能(néng)在强光下阅读。 |
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更新(xīn)速度 |
非常低 |
从半秒(miǎo)到四秒(miǎo)以上，具體(tǐ)取决于型号。 |
|
温度范围 |
低的 |
大多(duō)数電(diàn)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(yǒu) SPI 或 I 2 C 的型号。 |
|
能(néng)量消耗 |
非常低 |
渲染后，此显示器不使用(yòng)電(diàn)源来保留屏幕上的内容。 |
|
尺寸 |
多(duō)变的 |
对角線(xiàn)長(cháng)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(xīn)，根据所需的功能(néng)，成本可(kě)能(néng)会很(hěn)高。 |
表 4 – 電(diàn)子纸显示一目了然
有(yǒu)两种标准串行通信协议通常用(yòng)于与中等复杂度的显示器连接。
I 2 C是一些显示器使用(yòng)的速度相对较低但简单的界面。这个接口只需要两条線(xiàn)，加上一条回線(xiàn)，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(yòng)的中速接口。这个接口通常需要三到四根線(xiàn)，加上一条回線(xiàn)。虽然数据也是逐个像素发送的，但它通常比 I 2 C 总線(xiàn)快。
OLED显示器
OLED（有(yǒu)机 LED）显示器与之前描述的 LED 矩阵显示器有(yǒu)些相似，不同之处在于像素密度或 DPI（每英寸点数）可(kě)能(néng)非常高。
这是因為(wèi)有(yǒu)机 LED 技术与常规 LED 有(yǒu)很(hěn)大不同，这使得制造过程可(kě)以生产密集的像素。
请注意，OLED 显示器有(yǒu)两个子类：无源矩阵和有(yǒu)源矩阵 OLED，分(fēn)别缩写為(wèi) 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）运行的控制線(xiàn)矩阵的交叉点处。控制像素然后涉及為(wèi)适当的行和列線(xiàn)供電(diàn)。
下面的图 5 显示了一个小(xiǎo)型 PMOLED 显示屏。
图 5 – 小(xiǎo)型 PMOLED 显示屏图片
在 PMOLED 驱动方案中，一旦给定的行/列不再通電(diàn)，OLED 在其结点处关闭。
因此，每个像素只获得刷新(xīn)整个显示區(qū)域所需总时间的一小(xiǎo)部分(fēn)。因此，这种 OLED 驱动方案通常仅限于相当低分(fēn)辨率的屏幕。
在 AMOLED 中，每个颜色子像素都由充当電(diàn)子开关的晶體(tǐ)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(fēn)辨率 OLED 是 PMOLED，而高分(fēn)辨率 OLED 是 AMOLED。大多(duō)数现代高端智能(néng)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。
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特征 |
评分(fēn) |
筆(bǐ)记 |
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色域 |
单色、多(duō)色或全色 |
可(kě)以只有(yǒu)一种颜色，或一小(xiǎo)组颜色，或全色。 |
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颜色深度 |
每个原色 2 到 256 及更多(duō) |
简单的显示可(kě)以是黑白的。然而，这些显示器中最复杂的可(kě)以再现数百万种颜色。 |
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显示类型 |
自发光 |
可(kě)以在阳光下或黑暗中观看。 |
|
更新(xīn)速度 |
高的 |
适用(yòng)于视频或全速动画。 |
|
温度范围 |
高的 |
可(kě)在广泛的环境温度下使用(yòng)。 |
|
接口复杂度 |
从低到高 |
带有(yǒu) SPI 或 I 2 C 的型号可(kě)用(yòng)于更简单的显示器。高分(fēn)辨率显示器具有(yǒu)复杂的接口，例如数字并行接口或 MIPI。 |
|
能(néng)量消耗 |
中 – 可(kě)变 |
功耗取决于点亮的像素数。 |
|
尺寸 |
多(duō)变的 |
对角線(xiàn)長(cháng)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(néng)，这种显示技术的成本可(kě)能(néng)会很(hěn)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(yǒu)时称為(wèi)数字视频端口或 DVP）或称為(wèi)移动工业处理(lǐ)器接口(MIPI)的专用(yòng)串行端口进行连接。
MIPI 是一种标准的高速接口，广泛用(yòng)于现代消费電(diàn)子产品，包括智能(néng)手机、平板電(diàn)脑和筆(bǐ)记本電(diàn)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(lǐ)器支持，并且在大多(duō)数微控制器上不可(kě)用(yòng)。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(kě)以具有(yǒu)非常高的像素密度，并且可(kě)以以全动态功能(néng)显示全范围的颜色。
它们还有(yǒu)多(duō)种尺寸可(kě)供选择，从 2 英寸到对角線(xiàn)長(cháng)度為(wèi) 100 英寸的高清電(diàn)视。
这种性能(néng)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(yòng)的控制器芯片。另请注意，许多(duō)中小(xiǎo)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(yǒu)无源和有(yǒu)源矩阵两种版本。
有(yǒu)源矩阵 LCD 通常使用(yòng)薄膜晶體(tǐ)管 (TFT) 技术实现。為(wèi)了制造 TFT 显示器，将硅薄膜沉积在玻璃面板上以形成晶體(tǐ)管。
下面的表 6 显示了 LCD 显示器的一些特性。
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特征 |
评分(fēn) |
筆(bǐ)记 |
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色域 |
饱满的色彩 |
大多(duō)数是全系列的颜色。 |
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颜色深度 |
每原色 2 至 256 个 |
简单的显示器可(kě)以是单色的。然而，这些显示器中的大多(duō)数都可(kě)以再现数百万种颜色。 |
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显示类型 |
透射式 |
可(kě)以在柔和的阳光下或黑暗中观看。需要背光。 |
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更新(xīn)速度 |
中等偏上 |
适用(yòng)于视频或全速动画。 |
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温度范围 |
中等偏上 |
可(kě)在广泛的环境温度下使用(yòng)。 |
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接口复杂度 |
从低到高 |
具有(yǒu) SPI 或 I 2 C 的型号可(kě)用(yòng)于较低分(fēn)辨率的显示器。高分(fēn)辨率显示器具有(yǒu)复杂的接口，例如数字并行接口、HDMI 或 MIPI。 |
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能(néng)量消耗 |
中 – 可(kě)变 |
功耗主要取决于背光的类型和强度，以及显示控制器。 |
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尺寸 |
多(duō)变的 |
对角線(xiàn)長(cháng)度从大约 1.2" 到超过 100" 的范围很(hěn)广。 |
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成本 |
中等偏上 |
这种显示技术的成本可(kě)能(néng)很(hěn)高，主要取决于尺寸。 |
表 6 – LCD 显示一览
您為(wèi)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(yòng)户最常使用(yòng)的组件，而且它通常也是产品中最昂贵和最耗電(diàn)的组件。
选择显示器时，最好先将选择范围缩小(xiǎo)到一种显示器类型。选择显示类型后，您可(kě)以使用(yòng)特定的显示模型微调您的选择以满足您的要求。