組み込みディスプレイ システムはどのように動作しますか?

組み込み ディスプレイ システムは、デバイスに接続された画面以上のものです。これは、ディスプレイ パネル、ディスプレイ コントローラー、メモリ、プロセッサ、通信インターフェイスの組み合わせであり、連携してデジタル データを目に見える情報に変換します。

一般的な組み込みシステムでは、プロセッサが画像データを生成または受信し、それをメモリに保存し、そのデータをディスプレイ コントローラおよびインターフェイスを介してディスプレイ パネルに送信します。正確なアーキテクチャはデバイスによって異なりますが、基本的なデータ フローは同様です。

プロセッサ/SoC → フレームバッファ → ディスプレイコントローラ → ディスプレイインターフェイス → ディスプレイパネル

ディスプレイの解像度、インターフェイス、メモリ、処理能力、消費電力はすべて連携して機能する必要があるため、組み込みディスプレイを選択する際には、このデータ パスを理解することが重要です。

組み込みディスプレイ システムの主要コンポーネント

1. 表示パネル

表示パネルは、画像データを目に見えるコンテンツに変換する部分です。一般的なテクノロジーには、 TFT-LCD 、OLED、さらに特殊な低電力アプリケーションでは E-Ink などがあります。

産業用および組み込み機器では、TFT-LCD はさまざまなサイズ、解像度、輝度レベル、インターフェイス構成で利用できるため、依然として広く使用されています。

パネルの仕様により、次のような重要な特性が決まります。

• 解決

• 輝度

• 視野角

• 色のパフォーマンス

• 動作温度

• 消費電力

• 物理的寸法

ただし、ディスプレイ パネルは通常、それ自体でアプリケーション データを処理しません。画像情報を正しく受信して駆動できるかどうかは、周囲の電子機器に依存します。

2. ディスプレイコントローラー

ディスプレイ コントローラーは、パネルへの画像データの転送を管理します。

システム アーキテクチャに応じて、ディスプレイ コントローラーは MCU または SoC に統合されるか、別のコントローラー IC に含まれるか、ディスプレイ モジュールに組み込まれる場合があります。

その責任には以下が含まれます。

• メモリからピクセルデータを読み取る

• 必要な表示タイミングの生成

• 選択したインターフェースを介して画像データを送信する

• リフレッシュ操作の制御

• ディスプレイ固有の信号の管理

単純な組み込みディスプレイの場合は、統合ディスプレイ コントローラーを備えた MCU で十分な場合があります。より大きなディスプレイやより高解像度のディスプレイには、より高性能なプロセッサーまたは専用のグラフィックス ハードウェアが必要になる場合があります。

3. フレームバッファ: 画像データが保存される場所

画像データがディスプレイに到達する前に、通常はフレームバッファに保存する必要があります。

フレームバッファは、現在の画面イメージを表すピクセル情報を含むメモリのセクションです。必要なメモリの量は、主に解像度と色深度によって決まります。

たとえば、16 ビット カラーを使用する 320 × 240 ディスプレイには次のものが必要です。

320 × 240 × 2 バイト = 153,600 バイト

同じ計算を他の解像度にも使用できます。

これらの数値は、単一のフレームバッファに必要なメモリを表しており、オペレーティング システム、グラフィックス エンジン、ダブル バッファリング、またはアプリケーション ソフトウェアで必要となる可能性のある追加のメモリは含まれていません。

この区別は組み込み設計において重要です。ディスプレイはプロセッサと電気的に互換性がある場合がありますが、高解像度またはより複雑なグラフィックスを処理する場合、システムは依然としてパフォーマンスまたはメモリの制限に遭遇する可能性があります。

4. マイクロコントローラーまたは SoC

MCU または SoC は、ディスプレイ システムの背後で処理能力を提供します。

ユーザー インターフェイスを生成し、センサー データを処理し、他のデバイスから情報を受信し、画面に何を表示するかを決定します。

単純なコントロール パネルの場合、プロセッサは一度にいくつかの値またはグラフィック要素のみを更新する必要がある場合があります。より高度なインターフェイスでは、アニメーション、ビデオ、3D グラフィックス、または完全なオペレーティング システムに対して大幅に多くの処理能力が必要になる場合があります。

このため、ディスプレイの選択をシステム プロセッサとは独立して行うべきではありません。

7 インチ ディスプレイと 7 インチ ディスプレイでは、解像度、インターフェイス、リフレッシュ レート、グラフィックス コンテンツ、および対象とするアプリケーションに応じて、システム要件がまったく異なる場合があります。

データがプロセッサからディスプレイに届く仕組み

基本的なプロセスはいくつかのステップに簡略化できます。

1. プロセッサが画像コンテンツを生成します

MCU、CPU、または SoC は、アプリケーション データとユーザー入力に基づいて何を表示するかを決定します。

2. ピクセルデータはメモリに保存されます

画像はフレームバッファまたは別のグラフィックス メモリ領域に書き込まれます。

3. ディスプレイコントローラーがデータを読み取ります

コントローラーはピクセル情報を取得し、ディスプレイに必要なタイミングと形式に従ってそれを編成します。

4. データはディスプレイインターフェイスを介して送信されます

ディスプレイ アーキテクチャに応じて、RGB、LVDS、MIPI DSI、SPI などのインターフェイスが使用される場合があります。

5. 表示パネルは電気信号を画像に変換します。

パネルはピクセル データを受信し、対応するピクセルを更新して最終画像を生成します。

このプロセス全体は、ディスプレイの動作中に継続的に発生します。実際の実装は、特にグラフィックス アクセラレーション、ビデオ処理、タッチ入力、またはオペレーティング システムが関係する場合、さらに複雑になる可能性があります。

ディスプレイ インターフェイスの選択が重要な理由

インターフェイスはディスプレイ コントローラーとパネル間の接続であり、帯域幅、配線、システム アーキテクチャ、統合の複雑さに影響します。

一般的なインターフェイスには次のものがあります。

適切なインターフェイスは、ディスプレイ サイズ以外にも依存します。

たとえば、高リフレッシュ レートの高解像度ディスプレイは、比較的静的な情報を表示する小さなパネルよりもかなり多くのデータ帯域幅を必要とします。プロセッサとコントローラは、必要なインターフェイスとタイミングもサポートする必要があります。

これが、組み込みディスプレイが独立したパネルとしてではなく、完全なシステムの一部として評価されるべき理由の 1 つです。

シンプルな組み込みディスプレイ アーキテクチャ

したがって、典型的な組み込みディスプレイ システムは、次の 5 つの接続された層として理解できます。

アプリケーション/UI

どのような情報を表示する必要があるかを決定します。

↓

MCU / CPU / SoC

アプリケーション データを処理し、グラフィックを生成します。

↓

フレームバッファ/グラフィックスメモリ

ピクセルデータを保存します。

↓

ディスプレイコントローラー + インターフェース

パネルの要件に従ってデータを変換して転送します。

↓

表示パネル

入力信号を可視画像に変換します。

このアーキテクチャが明確になると、LCD、OLED、さまざまなインターフェイス、タッチ テクノロジ、および省電力アプローチの間の選択を評価するのがはるかに簡単になります。

組み込みシステムにおける一般的なディスプレイ技術

基本的なデータ パスを理解したら、次に考慮するのはディスプレイ テクノロジ自体です。 LCD、OLED、および E-Ink は動作が異なるため、さまざまな組み込みアプリケーションに適しています。

TFT-LCD: 多くの組み込みシステムにとって実用的な選択肢

TFT-LCD は、依然として組み込み機器で最も広く使用されているディスプレイ技術の 1 つです。幅広いサイズ、解像度、輝度レベル、インターフェイス、動作温度オプションを提供します。

産業用機器の場合、TFT-LCD は次のような機能を備えて構成できます。

• 高輝度バックライト

• 幅広い温度での動作

• 広い視野角

• オプティカルボンディング

• アンチグレアまたは反射防止処理

• カスタマイズされた機械寸法

このため、TFT-LCD は、長期の可用性と予測可能なパフォーマンスが重要となる HMI、測定機器、医療機器、自動車システム、その他の組み込みアプリケーションに適しています。

OLED: 薄型、高コントラスト

OLED ピクセルは独自の光を生成するため、OLED ディスプレイには従来の LCD バックライトは必要ありません。

これにより、OLED モジュールは次のことを実現できます。

• ハイコントラスト

• 深い黒レベル

• 薄い構造

• 素早い応答

• 暗いコンテンツを表示する際の低消費電力

ただし、OLED がすべての組み込みシステムにとって自動的に最適な選択肢になるわけではありません。長期的な輝度要件、動作温度、寿命、バーンインに関する考慮事項、およびコストはすべて、特定の用途に合わせて評価する必要があります。

E-Ink: 静的、低電力コンテンツ用に設計

E-Ink ディスプレイは、LCD や OLED とは根本的に異なります。これらは、表示される情報が頻繁に変更されず、消費電力が極めて低いことが重要な場合に特に役立ちます。

一般的なアプリケーションには、電子ラベル、電子書籍リーダー、その他の低電力デバイスが含まれます。

トレードオフはリフレッシュ速度です。 E-Ink は通常、継続的なアニメーション、高速ビデオ、または迅速な画面更新を必要とするインターフェイスには適していません。

タッチスクリーン統合

多くの組み込みディスプレイ システムにはタッチスクリーンも含まれています。この場合、表示システムには画像パスに加えて別のデータ パスがあります。

簡略化されたアーキテクチャは次のようになります。

ディスプレイ:
プロセッサー → ディスプレイコントローラー → ディスプレイパネル

タッチ:
タッチセンサー → タッチコントローラー → MCU / SoC

2 つのシステムは連携して動作しますが、異なる機能を実行します。

静 電容量式タッチパネルは 、タッチによる電気的特性の変化を検出し、検出した位置を上位システムに送信します。代わりに、抵抗式タッチ パネルは、導電層間の物理的な圧力を検出します。

選択はアプリケーションによって異なります。

一般に、システムで次のことが必要な場合には、 PCAP タッチが推奨されます。

• マルチタッチ

• 軽いタッチ操作

• 高い光学的透明度

• ジェスチャーインタラクション

• ガラスベースの表面

抵抗タッチは 、システムで次のことが必要な場合に有利です。

• 手袋またはスタイラスでの操作

• 非導電性物体による入力

• シンプルなワンタッチ操作

• 要求の厳しい環境での運用

産業用機器の場合、タッチ性能はセンサー自体以外の要因にも依存します。カバー ガラスの厚さ、接着、接地、EMI、湿気、コントローラーの調整、エンクロージャーの設計はすべて、最終結果に影響を与える可能性があります。

組み込みディスプレイ システムの消費電力

消費電力はディスプレイのサイズだけで決まるわけではありません。

総電力バジェットには次のものが含まれます。

• 表示パネル

• LCD バックライトまたは OLED ピクセル

• ディスプレイコントローラー

• MCUまたはSoC

• タッチコントローラー

• バックライトドライバー

• 通信インターフェース

LCD の場合、バックライトはディスプレイの消費電力に最も大きく影響することがよくあります。したがって、輝度を上げると、システムの電力要件が増加する可能性があります。

OLED は、ピクセルが直接光を発するため、動作が異なります。消費電力は表示するコンテンツによって異なります。

E-Ink はまた異なります。静止画像を維持するために消費する電力はほとんどありませんが、画像が変化するとエネルギーが必要になります。

これは、適切なテクノロジーが、公称消費電力が最も低いテクノロジーを単に選択するのではなく、デバイスの実際の動作パターンに依存することを意味します。

産業用途における組み込みディスプレイ

産業用機器は、多くの場合、民生用製品よりも組み込みディスプレイに多くの制約を課します。

ディスプレイは、次のような環境にさらされている間も継続的に動作する必要がある場合があります。

• 広い温度変化

• 振動と衝撃

• ほこりや湿気

• 電磁妨害

• 直射日光

• 限られた設置スペース

このため、 産業用ディスプレイの 選択には、解像度と画面サイズの選択以上のものが関係することがよくあります。

たとえば、屋外の制御端末には、高輝度 TFT-LCD、オプティカルボンディング、アンチグレア処理、および湿気や手袋に対応できるタッチ コントローラーが必要な場合があります。

工場の HMI は、代わりに、幅広い温度での動作、長期的な可用性、信頼性の高いタッチ パフォーマンス、およびホスト コントローラーとの互換性を優先する場合があります。

医療用および自動車用組み込みディスプレイ

医療機器には、高い可読性、安定した動作、注意深く制御された機械的および電気的統合が必要となる場合があります。デバイスによっては、明るさの一貫性、視野角、タッチ反応、クリーニング要件、動作温度などの要素がすべて重要となる場合があります。

自動車システムには、温度変化、振動、太陽光への曝露、電磁適合性、機械的統合など、別の一連の制約が導入されます。

どちらの場合も、ディスプレイはスタンドアロンのコンポーネントとしてではなく、完全なデバイスの一部として考慮される必要があります。

組み込みディスプレイを選択する前に何を確認する必要がありますか?

組み込みディスプレイを選択する前に、最初にシステム要件を定義すると便利です。

表示要件

チェック：

• 画面サイズ

• 解決

• 輝度

• 視野角

• 対比

• 動作温度

• 機械的寸法

インターフェース要件

ディスプレイ インターフェイスがホスト システムと互換性があることを確認します。

一般的なオプションは次のとおりです。

• RGB

• LVDS

• MIPI DSI

• SPI

利用可能な帯域幅は、必要な解像度、リフレッシュ レート、および色深度に対して十分である必要もあります。

タッチ要件

タッチが必要な場合は、次のように指定します。

• 容量性または抵抗性

• タッチポイントの数

• 手袋操作

• 耐水性

• カバーガラスの厚さ

• 表面処理

• タッチコントローラーと通信インターフェース

環境要件

産業用機器の場合は、次の点も考慮してください。

• 動作温度および保管温度

• 湿度

• 振動と衝撃

• 粉塵や水濡れへの曝露

• ESDとEMI

• 太陽光下での可読性

• 必要な寿命

後でディスプレイを変更すると、機械構造、コントローラー、ファームウェア、電源設計、および筐体に影響を与える可能性があるため、これらの要件はパネルを選択する前に定義する必要があります。

結論

組み込みディスプレイ システムは、単なるディスプレイ パネルではなく、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせです。

プロセッサーがコンテンツを生成し、メモリーがピクセル・データを保管し、ディスプレイ・コントローラーがタイミングとデータ転送を管理し、ディスプレイ・インターフェースがその情報をパネルに配信します。タッチ機能が含まれる場合、別個のタッチ センサーとコントローラーがユーザー入力を処理します。

次に、ディスプレイ テクノロジによって、システムがその情報をどのように表示するか、および消費電力、光学性能、耐久性、統合にどのようなトレードオフが関係するかが決まります。

したがって、組み込み製品の場合、最適なディスプレイは必ずしも最高の解像度や最先端の​​テクノロジーを備えたものであるとは限りません。これは、完全なシステム アーキテクチャと動作環境に適合するものです。

FANNAL では、カスタマイズされたパネル仕様、タッチ統合、ボンディング、インターフェイス構成など、組み込み、産業、医療、自動車、その他の特定用途向けシステム向けにカスタマイズされたディスプレイおよびタッチ ソリューションを開発しています。

よくある質問

組み込みディスプレイシステムとは何ですか?

組み込みディスプレイ システムは、電子デバイスに直接統合されたディスプレイです。通常、ディスプレイ パネルとプロセッサまたはコントローラ、メモリ、通信インターフェイス、および必要に応じてタッチスクリーンが組み合わされます。

組み込みディスプレイはどのように機能するのでしょうか?

プロセッサは画像データを生成し、メモリに保存します。ディスプレイ コントローラーはデータを読み取り、適切なインターフェイスを介してディスプレイ パネルに送信し、信号を可視画像に変換します。

組み込みディスプレイにはどのようなコンポーネントが必要ですか?

一般的なシステムには、ディスプレイ パネル、プロセッサまたは SoC、ディスプレイ コントローラ、フレームバッファまたはグラフィックス メモリ、およびディスプレイ インターフェイスが含まれます。タッチ入力が必要な場合は、タッチセンサーとタッチコントローラーを追加する場合があります。

埋め込みディスプレイにはどのインターフェイスを使用すればよいですか?

適切なインターフェイスは、解像度、リフレッシュ レート、帯域幅、プロセッサのサポート、およびシステム アーキテクチャによって異なります。 SPI は小型ディスプレイに一般的ですが、RGB、LVDS、MIPI DSI はさまざまなパフォーマンスと統合要件を持つシステムで使用されます。

産業機器用の組み込みディスプレイはどのように選択すればよいですか?

実際の動作環境とシステム要件から始めます。画面サイズや解像度だけに基づいて選択するのではなく、明るさ、温度範囲、視野角、インターフェイス、タッチ方法、消費電力、機械的寸法、EMI/ESD要件、予想される耐用年数を考慮してください。