Entwicklung

LC Design entwickelt Schaltungen zum Betrieb von elektronischen Displays unabhängig von der Anzeigetechnologie. Für alle gängigen Displaytechnologien, wie Liquid Crystal Displays (LCD) mit passiver Ansteuerung, LCD mit aktiver Ansteuerung (TFT), Vacuum Fluoreszenz Anzeigen (VFD), Plasma (PDP) oder Elektrolumineszenz‑Displays (EL), LED‑, OLED‑, AMOLED‑ und ePaper‑Displays hat LC Design elektronische Ansteuerungen entwickelt.

Die Entwicklungen sind dabei meist kundenspezifisch.

  • autarke Systeme auf Mikroprozessorbasis, die auf Tasten oder Sensoren reagieren und hinterlegte Texte oder Grafiken auf einem oder mehreren Displays anzeigen.
  • Controllerboards, die einen speziellen Displaycontroller tragen und sonst alle Komponenten, die das Display zum Betrieb benötigt. Dabei arbeiten wir mit allen aktuell bekannten Schnittstellen.
  • Testgeräte für Langzeittests, die Schwachstellen von Anzeigen aufdecken können, oder Testgerate für den Wareneingang oder für die Produktion.

Viele Entwicklungen, speziell aktuelle, können hier nicht aufgezeigt werden. Im Folgenden finden Sie eine Liste von ausgewählten Projekten, die LC Design ausgeführt hat. Dabei kann ein Einblick in die Komplexität einiger Projekte gewonnen werden.

Gerne können wir Projekte in ähnlichem Umfang für Sie übernehmen.

Projekt-Beispiele

Zur Darstellung von Bildern und Videos in einer Applikation wurde eine Übertragungsstrecke über FPD‑Link III (FlatPanelLink) aufgebaut, die von einem PC gespeist, Displays mit verschiedenen Auflösungen versorgt. Diese besteht aus einer HDMI/DVI zu FPD‑Link III Konverter Box in PC‑Nähe, die das Display mit einer jeweils dafür entwickelten Schaltung über ein bis zu 10m langes Kabel mit Bilddaten versorgt.

TFT Modul 1: 800x480, 18bit RGB

Das FPD‑Link III Receiver‑IC stellt dem TFT‑Display das Bildsignal zur Verfügung und übernimmt auch die Aufgabe FRC/Dithering zur Anpassung der 24bit Bilddaten an das 18bit TFT‑Modul, so dass der volle Farbumfang von 16,7 Millionen Farben darstellbar wird. Weiterhin ermöglicht das IC eine Anpassung der Graustufen mittels einer Tabelle um einen individuellen Gamma- und Weißabgleich für jedes Display durchführen zu können. Diese Werte werden in einem externen EEPROM abgelegt und beim Einschalten von einem Mikrocontroller automatisch in das IC geladen. Das verwendete TFT‑Display benötigt für die korrekte Funktion eine timingkritische Sequenz beim Einschalten der Versorgungsspannung, Anlegen der Bild‑ und Timing‑Signale, sowie weiterer Steuerleitungen. Um diese Bedingungen erfüllen zu können, überwacht der Mikrocontroller das Bildsignal und führt selbständig die Ein‑ und Ausschaltsequenz durch, wenn er Änderungen am Bildsignal erkennt. Zusätzlich beinhaltet die Schaltung auch eine 3‑Kanalstromquelle für die Versorgungen der 3 Stränge der LED‑Hinterleuchtung sowie eine Messung der Platinen‑ sowie LED‑Temperatur.

TFT Modul 2: 1920x720, 2x 24bit RSDS RGB, ohne TCON

Ein FPGA übernimmt die Funktionen des TCONs sowie eines Testbildgenerators und bietet die Möglichkeit von Weißabgleich und Gammakorrektur. Zunächst durchlaufen die vom FPD‑Link III Receiver bereitgestellten 24bit‑RGB Bilddaten im FPGA optional die Gamma/Weißabgleich‑Tabellen, sowie eine Dithering/FRC Stufe. Anschließend werden die Bilddaten in Signale für die linke und rechte Bildhälfte aufgesplittet, da das Display aus Sicht der Ansteuerung aus 2 nebeneinander liegenden 960x720 Displays besteht. Danach werden beide Datenströme parallel über ein RSDS‑Interface zusammen mit den aus den Sync‑Signalen abgeleiteten Timingsignalen für die Source‑ und Gatetreiber an das TFT weitergeleitet.

Weiterhin ist auch ein Testbildgenerator mit mehreren Testbildern und jeweils frei wählbaren Farben implementiert um eine nahezu unbegrenzte Anzahl an möglichen Testbildern zu generieren und das Display auch ohne FPD‑Link III Verbindung in Betrieb nehmen und testen zu können. Neben der Generierung und Umsetzung der Bilddaten übernimmt die Schaltung auch die Erzeugung aller analogen Betriebsspannungen (VGH, VGL, Vsource) für das TFT‑Modul, sowie VCOM und der Gammateilspannungen, die per Software einstellbar sind.
Für die Ansteuerung der 6 LED‑Stränge der Hinterleuchtung wurde eine 6‑Kanalstromquelle mit Dimmung mittels PWM verwendet. Die PWM‑Schaltung verwendet eine Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Ausgängen um Flimmererscheinungen zu unterdrücken und eine gleichmäßige Stromaufnahme zu gewährleisten. Zur Vermeidung von Interferenzen mit dem TFT‑Display ist die PWM mit der Bildrate synchronisiert. Zusätzlich überwacht die Schaltung die Display‑ und LED‑Temperatur und reduziert gegebenenfalls die LED‑Helligkeit.

HDMI/DVI zu FPD‑Link III Konverter Box

Für die Ansteuerung der Displaymodule mit einem PC wurde HDMI/DVI als Eingang gewählt, da die Displays dadurch als normaler Monitor genutzt werden können und somit keinerlei Einschränkungen bei der bilderzeugenden Software entstehen. Die Umsetzung von HDMI/DVI zu FPD‑Link III geschieht in 2 Stufen: Zunächst wird das Eingangssignal in ein 24bit‑RGB Signal umgesetzt und danach in den seriellen Datenstrom über FPD‑Link III umgewandelt. Der Umweg über RGB‑Signale erlaubt es leicht verfügbare Standard-ICs verwenden zu können. Neben den Bildsignalen ermöglicht die Schaltung auch die Einspeisung der Versorgungsspannung für das TFT‑Modul, sowie die Fernsteuerung der Helligkeit der Hinterleuchtung. Alles wird zusammen mit den Bilddaten über ein FPD‑Link III Kabel übertragen. Die gewünschte Auflösung kann in Form von EDID‑Daten einprogrammiert werden. Sollte das vom PC gelieferte Timing nicht dem gewünschten entsprechen, wird es gegebenenfalls leicht angepasst oder bei großen Abweichungen der Ausgang komplett deaktiviert, so dass sichergestellt ist, dass das Display nur mit dem korrekten Timing angesteuert wird und keinen Schaden nimmt.

Displaytasten über Ethernet

Für die Bedienung einer komplexen Maschine wurde eine Tastenmatrix mit einem 128x128 TFT‑Display in jeder Taste entwickelt, die über Ethernet in das System eingebunden wird.

Die Bedieneinheit besteht aus einer Tastenmatrix mit 4x6 Tasten zwischen denen jeweils Metallstege angebracht sind um eine versehentliche Betätigung von 2 nebeneinander liegenden Tasten zu vermeiden. Die Tastenmatrix ist mit einer Steuerplatine verbunden, die, neben der Spannungsversorgung für alle Tasten, das Ethernet‑Interface und den Steuerprozessor enthält. Dieser fragt selbständig alle Tasten ab und stellt die Daten über einen integrierten TCP/IP‑Server zur Verfügung. Durch das TFT‑Display in jeder Taste kann die Bedieneinheit gleichermaßen zur Eingabe als auch zur Anzeige von Informationen genutzt werden. Ebenso können die Funktionen der Taster durch eine Änderung der auf den Displays angezeigten Beschriftungen jederzeit modifiziert werden.

Für die Ansteuerung der Displays über TCP/IP‑Datenpakete stellt die Software neben der Übertragung von Bilddaten mehrere Highlevel‑Befehle wie Text, Punkte, Linien, Kreis und vieles mehr zur Verfügung, so dass sich die Bildinhalte auch ohne die Übertragung großer Datenmengen ändern lassen. Die Befehle werden ausgeführt und über eine rückgesandte Bestätigung verifiziert, um den Displayinhalt abzusichern.

LVDS für Kleindisplays

Ein Kunde wollte einen Teil seiner Displaypalette über eine LVDS‑Schnittstelle ansteuern.

Eine Wandlerplatine erzeugt alle notwendigen Spannungen für die diversen Displaymodule inklusive Backlight‑Versorgung und wandelt die Daten des LVDS‑Eingangs auf die unterschiedlichen Display‑Interfaces.
Die Wandlerplatinen für die unterschiedlichen Displaymodule haben dabei jeweils den gleichen Aufbau und weitgehend die gleiche Bestückung.
Ein Mikrocontroller bestimmt das jeweilige Setting für die einzelnen Displaymodule und eine Adapterplatine sorgt für die Anpassungen der Leitungen und trägt den passenden Gegenstecker zum Displaymodul.

MIPI-Interface

In einer Applikation sollten über einen PC gleichzeitig mehrere Displays mit MIPI-Interface angesteuert werden. MIPI ist ein serielles Hochfrequenzinterface, das vornehmlich in Tablets und Smartphones eingesetzt wird und unter anderem mit sehr wenigen Leitungen auskommt.
5 bis 6 Displays mit einer Auflösung von je 1080x1920 sollten von dem PC bedient werden. Eine Quadro‑Grafikkarte kann aber nur 4 Ausgänge bereitstellen.

Daher wurden Ansteuerungen entwickelt, die über einen HDMI‑Eingang je 2 der Displays treiben können. Die zu übertragene Auflösung erhöht sich damit auf 2160x1920 je Ausgang der 4‑fach Grafikkarte.
Am Ausgang der Ansteuerung werden die Datenströme aufgeteilt und den beiden Displays mit der Auflösung von je 1080x1920 mit dem passenden Timing angeboten.

Da kein passender MIPI‑Controller zur Verfügung stand, wurde ein HDMI‑nach‑MIPI‑Konverter mit Splitterfunktion auf Basis eines FPGAs entwickelt.

Scaler

Um ein abgekündigtes Display durch ein mechanisch kompatibles ersetzen zu können, war es notwendig die Displayauflösung von 1280x768 auf 1920x1080 zu konvertieren, da das neue Display nur mit einer höheren Auflösung verfügbar war, aber die vorhandene Hardware die hohe Auflösung nicht unterstützte.

Wir entwickelten eine Schaltung, die alle notwendigen Anpassungen vornimmt, um das neue Display ohne zusätzliche Änderungen an Hard‑ oder Software anschließen zu können (Plug and Play). Dies umfasst einerseits die Skalierung des Bildsignals mittels eines hochwertigen Scaler‑ICs, das die Auflösung um rund 40% vergrößert, ohne sichtbare Artefakte zu erzeugen. Dazu ist es notwendig, das Eingangssignal mit einer Auflösung von 1280x768 zunächst von LVDS in 24bit‑RGB zu konvertieren, um es dem Scaler‑IC zuführen zu können. Dieses liefert am Ausgang die Bilddaten mit 1920x1080 Pixel Auflösung, die einem Dual‑Pixel‑LVDS‑ Transmitter zugeführt werden und dann an das Display übertragen werden. Da 1920x1080 einem Seitenverhältnis von 16:9, 1280x768 jedoch einem von 15:9 entspricht, werden zusätzlich rechts und links schwarze Balken, gemäß Kundenwunsch, in die Bilddaten eingefügt.

Weiterhin übernimmt die Schaltung auch die Anpassung der Versorgungsspannung von 24V auf 12V/3A für die Hinterleuchtung. Zusätzlich wandelt die Schaltung das analoge 0-3V Dimmsignal für den CCFL‑Inverter der Hinterleuchtung im alten Display in ein digitales PWM‑Signal für die LED‑Hinterleuchtung im neuen Display um. Dabei werden die PWM‑Werte angepasst um den gleichen Helligkeitsverlauf wie beim alten Display zu erhalten.

Inzwischen wurde das eingesetzte Scaler‑IC vom Markt genommen.
In einem Redesign wurden Scaler‑IC und LVDS‑Transmitter durch einen selbst programmierten FPGA ersetzt.

Display-Langzeittest

Um die Eigenschaften und vor allem die Stabilität von einer speziellen Displaytechnologie mit einem speziellen Display‑Treiber‑IC in einem Dauerlaufversuch zu testen, haben wir eine Ansteuer‑ und Auswerteelektronik entwickelt, die bis zu 30 Prüflinge gleichzeitig ansteuern und überwachen kann.
Jedem Display wurde eine Platine zugeordnet, die die notwendigen Spannungen und Signale für das Display bereitstellt. 2 Ströme und die jeweilige Temperatur am Display werden gemessen und aufgezeichnet. Unabhängig von den Testbildern wird in definierbaren Zeitabständen ein Speichertest des im Displaytreiber integrierten Speichers durchgeführt.

Über eine Steuereinheit können alle Prüflinge periodisch angesprochen werden, um Ströme und Stati abzufragen. Testbilder können an einzelne Displays oder an alle Displays gleichzeitig geschickt werden. Ein Dienstprogramm für den PC zeigt die jeweiligen Werte der Displaymodule online an. Über Masken lassen sich Testabläufe und Grenzwerte der zu überwachenden Parameter definieren. Überschreitungen werden online optisch und akustisch am PC angezeigt. Sämtliche Daten werden mitgeschrieben und stehen in einer CSV‑Datei zur Verfügung.

VGA-TFT

Zur Darstellung des Monitorbildes eines PCs auf einem 640x640 TFT‑Display wurde ein Controllerboard zur Umsetzung eines VGA‑Eingangs auf die Ansteuersignale für das TFT‑Display entwickelt.

Ein TFT‑Display mit einer Auflösung von 640x640 zählt nicht zu den Standardtypen, daher wird diese Auflösung sowohl bei den einstellbaren Auflösungen einer Grafikkarte als auch von erhältlichen Monitor‑Controllerboards nicht unterstützt. Deshalb haben wir eine kundenspezifische Platine entwickelt, die neben dem Displaycontroller mit ADC‑Wandler auch die Spannungsversorgung für das Display und die Ansteuerung der Hinterleuchtung des TFT‑Displays mit einer Mehrkanal‑Stromquelle mit PWM‑Dimmung beinhaltet. Das VGA‑Signal wird skaliert und auf das Displaytiming umgesetzt.

Um das Display mit einer Nicht‑Standard‑Auflösung an jedem PC betreiben zu können, wurde eine Unterstützung für mehrere Standardauflösungen wie 640x480, 800x600 und 1024x768 implementiert, die auf die Displayhöhe skaliert und anschließend das PC‑Bild auf der rechten Seite abschneidet, sodass ein quadratischer Bildausschnitt, beginnend mit der linken oberen Ecke des PC‑Bildes, auf dem TFT dargestellt wird.

Neben einer automatischen Erkennung des VGA‑Timings ist eine manuelle Anpassung an abweichende Auflösungen über ein Bildschirmmenü auf dem TFT‑Display möglich.

3.5″ Display-Controller-Platine

Zu einem 3.5“ TFT-Displaymodul konnte für eine moderate Stückzahl keine Lieferverfügbarkeit von 10 Jahren vom Hersteller garantiert werden. Daher wurde die Displayansteuerung zusammen mit dem Display von der Hauptelektronik getrennt und auf eine separate Leiterplatte gepackt. Die Leiterplatte trägt neben dem Displaycontroller eine Anpassung der Timingsignale an das spezielle Display, sowie eine Spannungsgenerierung für alle vom Displaymodul benötigten Spannungen sowie die Backlightversorgung.

Das sollte einen Ersatz des Displays bei Beibehaltung der elektrischen und mechanischen Schnittstelle zum Host und der mechanischen Kompatibilität ermöglichen. Inzwischen, nach mehr als 10 Jahren, wurde das Display ersetzt.

Der gewählte Aufbau ermöglicht jetzt nicht nur den Neuaufbau von Geräten ohne Modifikation von Hard- und Software, sondern auch eine einfache Reparatur von im Feld befindlichen Geräten.

Displaykonfigurator

Bei vielen Elektronik‑Entwicklungen, vor allem im KFZ-Bereich war und ist die Erfüllung der Anforderung an die vielen Eingänge und die Umsetzung der Software auf dem ausgewählten Prozessor in den ersten Entwicklungsphasen an erster Stelle. Erst später und oft zu spät wurde ein meist kundenspezifisches Display, häufig auch noch mit einen neuen LCD‑Treiber an die Elektronik angeschlossen und das Ergebnis der Prozessoraktivitäten visualisiert.

Ein neuer LCD‑Treiber mit einer Palette von Einstellmöglichkeiten wurde dann so schnell wie möglich mit der ersten Softwareroutine, die ein Bild darstellen kann, in Aktion gesetzt ohne Zeit für eine genauere Betrachtung der Einstellungen bzw. auf die optische Performance des Displays in Zusammenspiel mit den LCD‑Treibersettings.

Bei den passiven, meist monochromen, Displays ist aber die Ansteuerung sehr stark mit der Erscheinung verbunden. Übersprechen, schlechte Schaltzeiten, Image Sticking und Farbverschiebung sind nur einige Punkte, die auch von der Ansteuerung abhängen.

LC Design hatte dazu ein modulares, flexibles Testsystem aufgebaut um ohne viel Software‑Aufwand die Einstellmöglichkeiten eines LCD‑Treibers durchspielen und die Auswirkungen auf das Ziel‑Display schon vor Fertigstellung der Applikationshardware testen zu können.

Neue LCD‑Treiber für monochrome Displays werden zwar kaum noch entwickelt, die Testgeräte sind aber immer noch in Betrieb.

Heutige TFT‑Displays sind zwar weit weniger empfindlich auf die Ansteuerung und erlauben auch kaum relevante Settings. Hier verschiebt sich der Aufwand zu Gamma‑Einstellungen und Weißabgleich. Auch dazu kann LC Design Ansteuerungen liefern.

Aktuelle Testgeräte sind spezieller auf die Bedürfnisse einzelner Kunden und die Einbindung in deren vernetzte Testlandschaft ausgerichtet. Analyse von übertragenen Daten oder Verifikation von Speicherdaten über Framegrabber kommen vermehrt zum Einsatz.

USB-Display-Interface

Bis vor wenigen Jahren verfügte noch jeder PC über min. eine parallele Schnittstelle. Diese Schnittstelle ist aus mehreren Gründen nicht mehr aktuell. Die serielle Schnittstelle RS232 ist auch nicht mehr verbreitet. Stattdessen wird vornehmlich die USB‑Schnittstelle eingesetzt.

Charakter‑Module, das sind Displaymodule, die Texte in einer oder mehreren Zeilen darstellen, meist als 5x8 Charakter mit 8 bis 20 Charaktern pro Zeile und das in bis zu
4 Zeilen. Diese Module haben typisch eine parallele Datenschnittstelle zur Verbindung mit einem Mikrocontroller. Die Schnittstelle konnte auch einfach an die parallele PC‑Schnittstelle adaptiert werden um Statusmeldungen auf dem Display anzeigen zu können.

Für Industrieapplikationen, die zwar die Performance eines PCs benötigen, aber nur wenige Rückmeldungen an den Bediener bedürfen, wurde eine Schaltung entwickelt, über die ein Charaktermodul über USB an einen PC angeschlossen werden kann, um Statusinformationen auf dem Display anzeigen zu können.

Über Kommandos vom PC können Texte und Semigrafiken angezeigt, der Kontrast des Displays evtl. angepasst und die Hinterleuchtung gesteuert werden. Ein Begrüßungsbildschim kann definiert und während des Bootens des PCs angezeigt werden.

Bei einer Erweiterung können auch Taster mit eingelesen werden.

In einer Neuauflage können nun Displays mit farbvariabler Hinterleuchtung verwendet werden.