LVDS

Интерфейс LVDS на текущий момент времени является самым распространенным интерфейсом из всех используемых в мониторах настольного типа и в матрицах для ноутбуков. По сравнению с TMDS, интерфейсом LVDS обеспечивается более высокая пропускная способность, что и привело к тому, что LVDS, фактически, стал стандартом внешнего интерфейса для современной LCD-панели.

LVDS (TIA/EIA-644) – Low Voltage Differential Signaling (низковольтная дифференциальная передача сигналов) – это дифференциальный интерфейс для скоростной передачи данных. Интерфейс разработан фирмой National Semiconductor в 1994 году. Технология LVDS отражена в двух стандартах:

*1. TIA/EIA (Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Association) - ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS)*

*2. IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineering) - IEEE 1596.3*

Кроме того, этот интерфейс часто используется под торговой маркой FPD-Link TM. Вторым владельцем авторских прав на эту шину является компания Texas Instruments, которая выпускает ее под фирменной торговой маркой FlatLinkTM.

Интерфейс LVDS позже дорабатывался с целью увеличения пропускной способности и повышения надежности передачи данных, а также он выпускался другими разработчиками под разными торговыми марками, что внесло некоторую неясность в классификацию интерфейсов и складывается впечатление, что имеется множество различных шин. Так, например, разновидностями и торговыми марками интерфейса LVDS являются:

*- FPD-LinkTM;*

*- FlatLinkTM;*

*- PanelBusTM;*

*- LDI;*

*- OpenLDITM.*

Интерфейс LVDS во многом схож с интерфейсом TMDS, особенно в плане архитектуры и схемотехники. Здесь мы также имеем дело с дифференциальной передачей данных в последовательном виде. А это означает, что интерфейс LVDS подразумевает наличие трансмиттеров и ресиверов, осуществляющих точно такое же преобразование данных, как и в TMDS (о чем достаточно подробно рассказывалось в первой части статьи). Поэтому остановимся лишь на особенностях, отличающих интерфейс LVDS от интерфейса TMDS.

LVDS способен передавать до 24 битов информации за один пиксельный такт, что соответствует режиму True Color (16.7 млн. цветов). При этом исходный поток параллельных данных (18 бит или 24 бита) конвертируется в 4 дифференциальные пары последовательных сигналов с умножением исходной частоты в семь раз. Тактовая частота передается по отдельной дифференциальной паре. Уровни рабочих сигналов составляют 345 мВ, выходной ток передатчика имеет величину от 2.47 до 4.54 мА, а стандартная нагрузка равна 100 Ом. Данный интерфейс позволяет обеспечить надежную передачу данных с полосой пропускания свыше 455 МГц без искажений на расстояние до нескольких метров.

Трансмиттер LVDS состоит из четырех 7-разрядных сдвиговых регистров, умножителя частоты и выходных дифференциальных усилителей (рис.18).

Достаточно часто в литературе, в документации и на схемах можно встретить и несколько другое обозначение сигналов интерфейса LVDS. Так, в частности, широко применяется такое обозначение, как RX0+/-, RX1+/-, RX2+/-, RX3+/- и RXC+/-.

Входной сигнал CLK представляет собой сигнал пиксельной частоты (Pixel Clock) и он определяет частоту формирования сигналов R/G/B на входе трансмиттера. Умножитель частоты умножает частоту CLK в 7 раз. Полученный тактовый сигнал (7xCLK) используется для тактирования сдвиговых регистров, а также передается по дифференциальным линиям CLKP/CLKM.

7-разрядный параллельный код загружается в сдвиговые регистры трансмиттера по стробирующему сигналу, вырабатываемому внутренней управляющей логикой трансмиттера. После загрузки начинается поочередное «выталкивание» битов на соответствующую дифференциальную линию, и этот процесс тактируется сигналом 7xCLK.

Таким образом, на каждой из четырех дифференциальных линий данных (Y0P/YOM, Y1P/Y1M, Y2P/Y2M, Y3P/Y3M ) формируется 7-разрядный последовательный код, передаваемый синхронно с тактовыми сигналами на линии CLKP/CLKM.

Обратное преобразование последовательного кода в параллельный осуществляется ресивером, входящим в состав LCD-панели, а поэтому вполне естественно, что ресивер, фактически, является зеркальным отражением трансмиттера.

Интерфейс LVDS используется для передачи как 18-разрябного цветового кода (3 цвета по 6 бит на каждый), так и 24-разрядного цвета (3 базовых цвета по 8 бит). Но в отличие от интерфейса TMDS, здесь каждому цвету не выделяется отдельная дифференциальная пара, т.е. каждый дифференциальный канал LVDS предназначен для передачи отдельных битов разных цветов. Кроме сигналов цвета, на LCD-панель должны передаваться еще:

*- сигнал строчной синхронизации (HSYNC);*

*- сигнал кадровой синхронизации (VSYNC);*

*- сигнал разрешения данных (DE).*

Эти управляющие сигналы также передаются по дифференциальным каналам, предназначенным для передачи данных, т.е. по линиям YnP/YnM. Таким образом, существует два варианта формата данных, передаваемых на LCD-матрицу.

Первый вариант соответствует 18-разрядному цветовому коду, и при этом на вход трансмиттера подается 21 разряд данных. Второй вариант – это 24-разрядный цветовой код, при котором на входе трансмиттера должно быть 27 бит данных. Разница между двумя этими вариантами, формально, небольшая и она отражена в табл.3.

***Таблица 3.***

 G0-G5
 B0-B5
 HSYNC
 VSYNC
 DE

Общая схема, поясняющая архитектуру интерфейса LVDS, представлена на рис.19.

То, какие разряды цвета и служебные сигналы будут передаваться по дифференциальной линии, определяется сигналами, подаваемыми на вход соответствующего сдвигового регистра трансмиттера. При этом, конечно же, необходимо понимать, что ресивер, расположенный на LCD-панели, будет осуществлять преобразование в обратном порядке и на его выходе будет получен точно такой же формат данных. А это все означает, что вполне конкретная LCD-панель оказывается привязанной к конкретной управляющей плате монитора. Такая привязка LCD-панели к управляющей плате, конечно же, неудобна большинству производителей, т.к. отсутствует какая-либо унификация. Именно поэтому, де-факто, практически всеми производителями LCD-дисплеев и LCD-панелей использовался вполне определенный формат входных данных, позволявший к любой плате подключать любую панель. Этот формат данных стал основой стандарта, разработанного ассоциацией VESA, и на сегодняшний день можно говорить, что LVDS превратился в унифицированный интерфейс, в котором однозначно прописан протокол передачи, формат входных данных, соединительный разъем и цоколевка разъема. На этот стандарт мы и будем опираться, так как выпускаемые сейчас панели соответствуют именно ему, и встретить уникальные LVDS-интерфейсы практически невозможно.

Итак, стандартный вариант распределения входных сигналов трансмиттера между его сдвиговыми регистрами представлен на рис.20.

В результате, протокол передачи данных по дифференциальным каналам интерфейса LVDS выглядит так, как это показано на рис.21.

Как показывает внимательный анализ рис.20 и рис.21, интерфейс отличается высокой универсальностью, в результате чего, фактически, решен вопрос совместимости LCD-панелей и управляющих плат. Причем разработчик монитора имеет возможность практически не заботиться о согласовании разрядности цвета скалера и LCD-панели. Так, например, если разработчик решил применить более дешевую LCD-панель (с 18-битным кодированием цвета), то в интерфейсе не задействуется дифференциальный канал RX3, в результате чего старшие разряды цвета просто-напросто «обрубаются». А вот при разработке более дорогой модели монитора, в которой применяется LCD-панель с 24-битным кодированием, производитель использует ту же самую управляющую плату и даже не изменяет программный код ее микропроцессора, и просто подключает эту панель через полнофункциональный интерфейс – и все работает. Кроме того, производитель монитора в своем изделии может использовать любую матрицу любого производителя, лишь бы он была оснащена интерфейсом LVDS и имела бы соответствующий форм-фактор (который, к слову сказать, тоже стандартизируется). Конечно же, широкий модельный ряд мониторов не всегда получают таким примитивным образом, но и недооценивать этот метод тоже не стоит. Положительным моментом использования LVDS является еще и то, что все это дает широкие возможности сервисным специалистам при ремонте LCD-мониторов.

В принципе, интерфейс LVDS может использоваться для передачи любых цифровых данных, о чем говорит широкое применение LVDS в телекоммуникационной отрасли. Однако, все-таки, наибольшее распространение он получил именно как дисплейный интерфейс. Для увеличения пропускной способности этого интерфейса, компания разработчик (National Semiconductor) расширила интерфейс LVDS и удвоила количество дифференциальных пар, используемых для передачи данных, т.е. теперь их стало восемь (см. рис.22).

Это расширение получило название LDI – LVDS Display Interface. Кроме того, в спецификации LDI улучшен баланс линий по постоянному току за счет введения избыточного кодирования, а стробирование производится каждым фронтом такового сигнала (что позволяет вдвое повысить объем передаваемых данных без увеличения тактовой частоты). LDI поддерживает скорость передачи данных до 112 МГц. В документации данная спецификация встречается также и под наименованием OpenLDITM, а у отечественных специалистов отклик в душе нашел термин «двухканальный LVDS».

Интересно отметить, что в интерфейсе LVDS (LDI) имеется 8 дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных, и две дифференциальные пары тактовых сигналов, т.е. в LDI имеется два, практически, независимых полнофункциональных канала, передача данных в каждом из которых тактируется собственным тактовым сигналом. Напомним, что в двухканальном TMDS оба канала передачи данных тактируются единым тактовым сигналом.

Естественно, что наличие двух каналов позволяет вдвое увеличить пропускную способность интерфейса, так как за один пиксельный такт можно предать информацию о двух пикселях. При этом один канал предназначен для передачи четных точек экрана (канал Even), а второй – для нечетных точек экрана (канал Odd).

Использование одноканального или двухканального LVDS определяется такими характеристиками LCD-панели и монитора, как:

*- размер экрана;*

*- разрешающая способность;*

*- частота кадровой развертки, т.е. определяется режимом работы.*

Разъем интерфейса LVDS на сегодняшний день можно считать стандартным, т.е. количество контактов разъема и порядок распределения сигналов по контактам является одинаковым для всех LCD-панелей любого производителя. Единственное отличие разъемов может заключаться в их конструктивном исполнении:

*- разъем для плоского ленточного кабеля или традиционный разъем для обычных соединительных проводов;*

*- наличие или отсутствие экрана;*

*- наличие или отсутствие дополнительных заземляющих контактов на краях разъема;*

*- разъемы с разным шагом между контактами и т.п.*

Стандартный разъем LVDS считается 30-контактным, хотя по его бокам могут присутствовать еще два или четыре контакта, выполняющих «заземляющую» функцию. Эти контакты в стандартном варианте не нумеруются, а обозначаются как «Frame» и соединены со схемной «землей». Однако иногда на схемах вы можете столкнуться с тем, что разъем LVDS обозначен, как 32-контактный. В этом случае следует помнить, что крайние контакты (1 и 32), как раз, и являются контактами «Frame», без учета которых интерфейс сразу же превращается в стандартный 30-контактный разъем. Порядок распределения сигналов интерфейса LVDS по контактам соединительного разъема и их традиционное обозначение представлены в табл.4.30-контактный разъем является полнофункциональным и предназначен для двухканального LVDS. В LCD-панелях с небольшим размером экрана (15-дюймов), чаще всего, используется одноканальный LVDS, т.к. его пропускной способности вполне достаточно. В этом случае задействуется та часть интерфейса, которая соответствует нечетному каналу LVDS, при этом линии четного канала могут вообще отсутствовать.

***Таблица 4.***

Через интерфейс LVDS подается также и питающее напряжение для элементов LCD-матрицы. Это напряжение, обозначаемое в табл.4 как VCC, может представлять собой напряжение одного из трех номиналов:

*- +3.3 V (обычно для 15-дюймовых матриц);*

*- +5V (для 15-дюймовых и 17-дюймовых матриц);*

*- +12V (обычно для 19-дюймовых матриц и больше).*

Итак, интерфейс LVDS обеспечивает наилучшую из всех интерфейсов универсальность соединения LCD-панели с главной платой монитора. Так же как и в случае использования TMDS, на главной плате монитора должен находиться LVDS-трансмиттер, а в состав LCD-панели должен входить LVDS-ресивер. И трансмиттер и ресивер могут представлять собой как отдельные микросхемы (что на сегодняшний день является достаточно редким явлением), так и могут входить в состав скалера и TCON соответственно.

Если трансмиттер реализован в виде отдельной микросхемы, то необходимо учесть что каждая такая микросхема представляет собой функционально законченное устройство, обеспечивающее преобразование и передачу данных одного канала. Естественно, что в этом случае для организации двухканального LVDS, придется использовать две одинаковых микросхемы трансмиттера. И здесь вполне понятно, что одна микросхема трансмиттера предсталяет собой четный канал данных, а вторая – нечетный. Пример подобного интерфейса представлен на рис.23, где изображен интерфейс LVDS монитора Samsung SyncMaster 172T. В этом мониторе в качестве трансмиттеров LVDS используются микросхемы NT7181F. На схеме следует обратить внимание, что 30-контактный разъем LVDS (CN402) является зеркальным отражением той цоколевки, которая была представлена в табл.4 (т.е. в таблице 4 мы представили распределение сигналов по контактам разъема на стороне LCD-матрицы).

Следует упомянуть, что иногда, все-таки, можно встретить и нестандартные разъемы интерфейса LVDS. Особенно это касается мониторов уже устаревших моделей. Широкое распространение получил 20-контактный разъем, который часто встречается в мониторах LG, Philips, Samsung и других брэндов, использующих матрицы этих производителей. 20-контактный разъем использовался как для одноканального LVDS , так и для двухканального LVDS. При этом нужно отметить отсутствие каких-либо стандартов на распределение сигналов по контактам этих разъемов. Так, в частности, компанией Samsung в 15-дюймовых панелях достаточно широко использовался, так называемый, 20-контатный разъем LVDS, хотя в реальности на этом разъеме присутствует 22 контакта. Этот разъем предназначался для одноканального LVDS, и распределение сигналов на нем приводится в табл.5.

***Таблица 5.***

Пример одноканального интерфейса LVDS с 22-контаткным разъемом и отдельной микросхемой трансмиттера представлен на рис.24.

Компаниями Philips и LG тоже применялся 22-контактный разъем, но в отличие от Samsung, этот разъем имел совершенно другую цоколевку (см. табл.6).

***Таблица 6.***

Кроме того, в относительно современных 15-дюймовых мониторах LG, например в LG Flatron L1510P, использовался реальный 20-контактный разъем для передачи данных одноканального LVDS. Распределение сигналов по контактам данного разъема приводится в табл.7.

***Таблица 7.***

Другой вариант 20-контактного разъема интерфейса LVDS применялся фирмами Philips и LG в 15/17 и 18-дюймовых матрицах, в которых передача данных осуществлялась с использованием 2-канального LVDS. При этом, 20-контактный разъем предназначался исключительно для передачи данных и на нем отсутствуют контакты питания и земли. Питающее напряжение и сигнальная земля LCD-матрицы в данном случае выведены на другой разъем, обычно 5-контаткный. Распределение сигналов двухканального LVDS по контактам 20-пинового разъема в мониторах Philips и LG, представлено в табл.8.

***Таблица 8.***

Как видно из всего этого, при применении на LCD-матрице 20-контактного разъема говорить о совместимости панелей различных производителей говорить не приходится (именно эту проблему и пытались решить введением стандартного 30-пинового разъема).

Еще раз обращаем внимание на то, что цоколевка разъемов во всех таблицах представлена со стороны LCD-матрицы. Это означает, что на основной плате монитора она имеет обратный порядок.

Битность LVDS:

Прежде всего надо отметить, что интерфейс LVDS является "промежуточным", а не "окончательным". Окончательные данные, подаваемые непосредственно на панель матрицы, представлены в виде сигналов т.н. TTL уровней. Глубина (уровень) каждой из цветовых составляющих (RGB) в структуре TTL представлены либо 6, либо 8 линиями по каждому цвету. А поскольку сигнал на каждой линии может принимать значение высокого или низкого уровня, каждая из этих линий является своего рода носителем 1 бита информации. Т.е. для 8-битного представления "зеленого" цвета в структуре TTL сигнала используются линии G0...G7, для "красного" - R0...R7 и для "синего" B0...B7. Соответственно для 6-битного представления линии RGB будут с индексами 0...5. Помимо цветовых TTL уровней конечно же присутствуют и служебные линии с различными синхросигналами. Так вот все эти TTL сигналы зашифрованы в LVDS сигналах и на стороне матрицы при помощи специальных микросхем "добываются" из них. Следует отметить, что существует два стандарта расположения сигналов RGB в LVDS - VESA и JEIDA. Обычно это удел больших матриц (от 20-22" - встречается возможность выбора стандарта отдельным пином иногда и свыше 30-32" - всегда). В мелких матрицах (планшеты, ноутбуки, небольшие мониторы) выбора стандарта нет и они рассчитаны под стандарт VESA. Например вот картинка из даташита на матрицу AT070TNA2 - на ней вполне наглядно показано, как именно "упакованы" сигналы TTL в интерфейсе LVDS в стандарте VESA:

Т.е. в подавляющем большинстве аппаратов матрицы работают по стандарту VESA. JEIDA же - больше относится к понятию "японской" школы схемотехники. Контроллер в свою очередь "готовит" LVDS сигналы в своих недрах. В самом начале развития ЖК техники сигналы TTL присутствовали в любом контроллере в явном виде и затем кодировались в LVDS при помощи специализированных микросхем. При нынешнем уровне интеграции микросхем сигналы LVDS выходят сразу из микросхемы контроллера без дополнительной обработки. Напрашивается вопрос: зачем все это было сделано? Все просто: для уменьшения количества соединительных линий. Ведь 8-битный TTL интерфейс содержит около 30 линий, а 8-битный LVDS - всего 10. Ну и есть возможность худо-бедно назвать интерфейс LVDS универсальным.  Как наверное уже многие подметили, что например контроллеру все равно, какую битность по цвету передать в матрицу - она задается прошивкой, а его возможностей вполне хватает чтобы выдать наивысшую. Поэтому понятие битности относится скорее к возможностям самой матрицы. Так уж повелось, что небольшие матрицы работают с глубиной цвета, описываемой 6 или 8 битами на цвет, а матрицы 17...22 дюйма в подавляющем большинстве 8 бит на цвет. Поэтому в прошивках и упоминается, какая она, 6- или 8-битная. Иногда сами величины битности умножают на количество цветов (3 - R, G, и B ) и можно встретить понятие 18 или 24 бит - такая классификация применяется в материнских платах, оборудованных выходом LVDS.. Ну а самое главное, на что именно это влияет - это максимальное количество оттенков, которое может передать матрица. 6-битная матрица - 262 тыс, 8-битная - 16,7млн. Спешу успокоить, а возможно кого то и удивить: если поставить рядом две матрицы 6 и 8 битную и подать на них одну и ту же картинку, но подготовленную с максимальным содержанием оттенков для каждой персонально, то увидеть различия невооруженным глазом вряд ли удастся. Сколько оттенков сможет распознать человеческий глаз - до сих пор истина в спорах не найдена, но пока что побеждает версия, что 15тыс.  Чтобы узнать, какой битности матрица, достаточно взглянуть в ее Datasheet - там все написано. Но кроме этого можно определить по интерфейсу LVDS. Сам интерфейс LVDS представляется неким набором информационных и тактирующей дифференциальных пар. Информационные диф пары обозначаются как RXn+ и RXn-, где n - цифра (номер пары) от 0 до 2 или 3. Таким образом интерфейс 6-битной матрицы имеет такой набор дифференциальных пар: RX0(+/-), RX1(+/-), RX2(+/-), RXCLK(+/-) а интерфейс 8-битной имеет еще одну пару: RX0(+/-), RX1(+/-), RX2(+/-), RXCLK(+/-), RX3(+/-)

Некоторые мелкие матрицы могут работать как с 6-, так и с 8-битными сигналами, а выбор битности производится посредством подачи соответствующего уровня на отдельный специальный вывод в интерфейсе, который обозначается как SELB или 6/8bit. Однако, как известно именитые матрицы имеют множество клонов. Так вот зачастую, хоть пин выбора битности и есть, но матрица не меняет свой режим - китайцы могут сэкономить и на этом... Частенько в параметрах глубины цвета матриц можно встретить понятие 6bit+Hi FRC. Что это такое - можно почитать в вики, но одно точно - это оптический параметр панели матрицы, а не возможности ее электроники. Подключаются такие матрицы по 8-битному интерфейсу.

 Канальность:

Как упоминалось выше, интерфейс LVDS имеет в своем составе некий набор информационных и одну тактирующую диф пар. В матрицах мониторов и телевизоров для увеличения их пропускной способности интерфейс матриц делают двухканальным. Т.е. количество диф пар удваивают и к их названиям RX добавляют еще одну букву: O (Odd) - первичный канал E (Even) - вторичный канал Тогда пары обзываются как RXO0+, RXOC+, RXO2- и т.д. для первичного и соответственно RXE0+, RXEC+, RXE2- (и т.д) для вторичного. Т.е. получается что двухканальный 8-битный LVDS работает по 10 парам. Естественно, речь идет вовсе не о переименовании пар, а о полной смене электроники и алгоритме ее работы. Поэтому одно- и двухканальный LVDS - это вовсе не одно и то же и железо должно выдавать на матрицу именно тот сигнал, на который она рассчитана хардварно. Подключить одноканальную матрицу к двухканальному сигналу (и наоборот) можно, ничего не сгорит. Но и ничего путного не получится.

Различные производители матриц зачастую применяют свою внутреннюю маркировку каналов LVDS, поэтому не стоит паниковать, если в даташите матрицы обнаружится, что пары LVDS обзываются иначе. Привожу примеры таких вариаций: RXO = RXIN = RIN RXOCLK = CLKIN = RCLK иногда "положительный" (+) и "отрицательный" (-) провода помечают буквами p (positive) и n (negative). Т.е. например RXIN0P означает RXО\_0+. бывает замена номеров пар вместо цифр буквами, т.е. вместо "0", "1", "2" встречается "А", "В", "С" Самые вычурные обозначения попадаются на телевизионных матрицах больших диагоналей. Например в матрицах LG-Philips встречаются обозначения типа R1AN ... R1CN и R2AN ... R2CN, что означает RXO\_0- ... RXO\_2- и RXE\_0- ... RXE\_2-. Синхропары обозначаются R1CLKN/R1CLKP (RXCLK-/RXCLK+) и т.д. Отдельно остановлюсь на телевизионных матрицах с диагональю от 32 дюймов и выше.  Все универсальные контроллеры рассчитаны на применение матриц с частотой обновления 60Гц. Обычно это 6 или 8-битные одно- или двухканальные матрицы. Многие современные телевизионные Full HD матрицы часто идут уже с 10-битным LVDS интерфейсом, а интерфейс LVDS может быть 2- и 4-канальным. Понятное дело, что подключить такую матрицу к универсальным контроллерам напрямую конечно же не получится. Отдельные экземпляры 2-канальных матриц имеют электрическую возможность переключения LVDS интерфейса между 8 и 10 бит - в этом случае особых проблем с подключением не возникнет - достаточно матрицу переключить в режим 8 бит. А вот матрицы, имеющие частоту обновления 120Гц и 4-канальный 10-битный LVDS интерфейс, без "спецсредств" с универсальным контроллером попросту не заработают потому, что он не рассчитан ни на 10 бит, ни на 4 канала LVDS. Что именно я подразумеваю под "спецсредствами" - об этом будет во второй части "шапки".

mirpu.ru

4pda.ru