Технология диагностики и ремонта LVDS интерфейса матрицы в ноутбуке.

Автор: · Опубликовано 26.06.2018 · Обновлено 26.06.2018

Введение.

Привет! Достаточно часто приходят на ремонт ноутбуки с проблемами вывода изображения на дисплей. Естественно нельзя списать все поломки связанные с выводом изображения исключительно на LVDS или EDP интерфейс. Но разобравшись и поняв принцип работы этого интерфейса, проверив его работу путем несложных измерений. Можно значительно упростить общую диагностику и снизить время, а также стоимость ремонта, исключив ошибочную покупку деталей. Для начала разберемся с теорией, что это вообще за интерфейс, кто придумал, как работает и в чем разница с более новым EDP интерфейсом.

Теория.

Low-voltage differential signaling или LVDS — низковольтная дифференциальная передача сигналов изобретенная и продвигаемая компанией Texas Instruments в 1994 году как дешевый способ передачи данных с использованием двух медных проводников обвитых друг о друга и позднее названых как «витая пара». Стандартизацию как TIA/EIA-644-A данный способ передачи обрел только 2001 году в связи с отсутствием на тот момент потребности в столь высоких скоростях.

Что значит дифференциальная? Дифференциальная передача означает, что сигнал идет не в виде положительного напряжения относительно земли, а относительно инверсии самого себя на соседнем проводнике. Разница между проводниками пары и есть сигнал. Такой способ передачи показал наибольшую помехоустойчивость на больших скоростях передачи данных. Причем максимальное синфазное напряжение обычно 1.3V, что позволяет использовать LVDS во многих интегральных микросхемах, печатных платах, шлейфах с низким рабочим напряжением.

Дифференциальная передача сигнала используется в SCSI, Ethernet, PCI Express, HDMI, Display Port и даже в USB. Когда скорости одной пары недостаточно, возможно использование нескольких пар, этот принцип используется в PCI Express 1x — 16x. Где ширина шины (количество пар) диктует возможную скорость передачи.

Зная все это, не совсем корректно называть LVDS исключительно дисплейным интерфейсом. Это всего лишь метод передачи сигнала до дисплея используя гибкий провод или шлейф. Поэтому разъемы, шлейфы, матрицы различны по используемым типам подключения. Каждый производитель посчитал необходимым разработать свой тип сопряжения системной платы и дисплея. И что мы имеем — многообразие различных дисплеев, шлейфов, разъемов не подходящих друг к другу, но использующих один принцип передачи сигнала. Блин ребята, просто договоритесь…

Так и случилось, в декабре 2008 был доработан и принят стандарт Embedded DisplayPort (eDP) версии 1.0, он был предназначен для использования внутри устройств, например для сопряжения панели дисплея и системной платы ноутбука. Этот стандарт по прежнему использовал дифференциальную передачу, но по другому протоколу и с большей скоростью. Что позволило сократить количество «витых пар». Внедрены энергосберегающие функции и поддержка плавного изменения частоты развертки, режим Self-Refresh (PSR) и многое другое. Но принцип работы остался тем же, а значит диагностика и ремонт классических панелей и панелей с EDP интерфейсом ни чем особенным не отличается. Разве что, становится проще, ввиду меньшего количества пар и контактов на разъемах.

Диагностика и ремонт LVDS интерфейса матрицы ноутбука, на практике.

Питающие напряжения.

Разобравшись с принципом работы шины данных LVDS, EDP и их отличием, далее расскажу об основных питающих напряжениях на примере матрицы AUO B156XW02.

Наиболее часто в ноутбуках для обеспечения работы дисплея используется условно 3 типа питающего напряжения:

1. 6-21V (обычно VLED) питание подсветки матрицы. Чаще светодиодной — LED подсветки. А ранее, использовался инвертор — отдельная плата для преобразования низкого напряжение в высокое, необходимое для работы лампы подсветки CCFL. Наподобие бытовых люминесцентных энергосберегающих ламп.
2. 3.3V (обычно VDD) питание электронных компонентов дисплея. Данное напряжение необходимо для работы активных компонентов панели, процессора и терминации внутренних шин панели.
3. 3.3V (обычно VEDID) питание EDID — микросхема памяти, содержащая программный код описывающий характеристики панели — модель, разрешение, частота и другие параметры указывающие правильное конфигурирование видеосигнала.

Управляющие сигналы.

К управляющим сигналам можно отнести:

1. SM шину по которой читается микросхема EDID (обычно это контакты CLK_EDID и DAT_EDID).
2. Управление подсветкой это ее включениевыключение сигналом VLED_EN и уровень яркости подсветки VPWM_EN.

Сигнал включения подсветки (VLED_EN) представляет собой один контакт появление на котором напряжения, обычно 3.3V является логической единицей, что означает — подсветку включить. Если на этом контакте будет отсутствовать напряжение, подсветка матрицы не будет работать даже если подается основное напряжение на питание подсветки (VLED).

Яркость подсветки управляется шим сигналом (VPWM_EN). Его уровень обычно составляет диапазон от 2.1V до 5.5V. Соответственно чем выше уровень, тем выше яркость подсветки. Отсутствие данного сигнала приводит к отключению подсветки.

Последовательность запуска.

Измерения.

Используя данные диаграммы представленной выше, можно понять последовательность запуска матрицы. Но стоит уточнить один момент, отсутствие напряжения VEDID и чтения микросхемы EDID приводит к отсутствию всех напряжений, и сигналов. Так как, системная плата не считала прошивку панели или матрицы. Исключением может быть напряжение VLED, для работы подсветки дисплея.

Если напряжение VEDID присутствует, микросхема EDID читается (обмен на CLK_EDID и DAT_EDID) а напряжение VDD отсутствует. Это свидетельствует о неверной микропрограмме записанной в матрице (EDID) или неисправной системной плате ноутбука, например узел формирования VDD.

В случае отсутствия чтения EDID. При наличии напряжения VEDID и отсутствии обрывов CLK_EDID и DAT_EDID. Скорее всего виновником поломки является видеопроцессор или видеочип на системной плате ноутбука, реже конвертер видеосигнала EDP-LVDS и другие микросхемы отвечающие за вывод видеосигнала. Все зависит от конкретной реализации системной платы.

Естественно если какое-то напряжение отсутствует или занижено, необходимо проверить соответствующие выводы на предмет короткого замыкания и обрывов. Я обычно ставлю мультиметр на измерение сопротивления и проверяю относительно «земли». Что касается проверки линий данных EDID и LVDS, их по возможности смотрят осциллографом на предмет «активности» (пульсаций). За неимением осциллографа можно измерить сопротивление и напряжение относительно «земли». На линиях данных EDID сопротивление не должно быть ниже 100 kOhm, а напряжение приблизительно 3.3V. LVDS — напряжение ~1.2-1.3V и сопротивление относительно земли не менее 1 mOhm. Встречаются отклонения, но понятно, что скажем сопротивление в 200 Ohm на линиях данных недопустимо, это свидетельствует о поломке.

При проверке линий LVDS, все пары обычно имеют одинаковые показатели по сопротивлению и напряжению сигнала, так как терминируются от одного источника. В случае если одна из пар пробита «на землю» мы получим «квадрат Малевича» или артефакты на изображении (если повезет, например, картинку через пиксель). Чаще видеосигнал просто блокируется.

Помимо поломок связанных с напряжениями и сигналами, встречаются обрывы GND (Ground — «земли или общей массы, как вам удобнее») или высокое сопротивление относительно GND системной платы. Проверяется это с подключенными компонентами (дисплей, шлейф, системная плата). Мультиметром, в режиме измерения сопротивления одним щупом встаем на GND платы, другим на GND матрицы. Должно быть не более 100 Ohm, так же пробуем во время измерения сгибать шлейфик в местах изгиба и смотреть показания прибора.

И всегда, в диагностике и ремонте необходимо отталкиваться от особенностей реализации схемы системной платы и дисплея, по возможности разумеется.

Конвертеры и переключатели видеосигнала.

Конкуренция, продвижение более новых компонентов, энергосберегающих технологий толкает разработчиков компонентов и системных плат к использованию различных конвертеров, и переключателей видеосигнала. С переключателями вроде все более или менее понятно, если используется 2 видеопроцессора Intel и NVIDIA например, микросхема берет на себя роль переключателя и в нужный момент (при запуске игры) подключает матрицу к высокопроизводительному видеочипу. При переходе на питание с батареи — наоборот. Если на системной плате установлен переключатель, источником управляющих сигналов чаще всего являются оба видеопроцессора и все управляющие сигналы запараллелены.

А вот, конвертер это своего рода активный переходник видеосигнала в корпусе маленькой микросхемы. Вы спросите, зачем? Затем, что производители вынуждены экономить, ставя более старые комплектующие к новым. Матрицу старого образца к современному видеопроцессору работающему только с EDP сигналом. В таких случаях все сигналы необходимо измерять «до» и «после» конвертера. Конвертер в данном случае является источником видеосигнала для матрицы, чтение EDID и управление подсветкой идет из него. А для системной платы, конвертер это — матрица с EDP интерфейсом! В случае поломки и ремонта, получается, двойная работа!

Заключение.

В заключение из всего рассказанного выше, хочется напомнить, что данный материал носит ознакомительный характер и совсем не руководство к действиям. Думаю, эта статья поможет интересующимся и остановит от нежелательных действий безрассудно поверивших в свои силы. Расскажет об общих объемах работ и знаний, необходимых для выполнения ремонта ноутбуков с поломками связанными с выводом изображения.

Ставьте лайки, делайте репосты, подписывайтесь на мою группу вконтакте для получения актуальных постов. Спасибо за уделенное моей статье время, очень надеюсь что был полезен! Всем счастья!

Средства технической организации коммуникаций на данный момент представляют наибольший интерес для IT-индустрии. Это проявляется и в разработке беспроводных систем, и в принципиальном наполнении электронных устройств возможностью связи с другой техникой, о чем несколько лет назад и речи не шло. Но также не стоят на месте и традиционные физические каналы передачи информации. Например, концепция LVDS (Low-voltage differential signaling) основывается на принципах передачи низковольтных сигналов по нескольким дифференцированным каналам. Данный способ организации транслирующей шины отличается высокой эффективностью и при этом не требует больших затрат.

Общие сведения об интерфейсе

Отказ от беспроводных технологий в пользу классических каналов все еще дает существенные преимущества. Дело даже не в стабильности передачи данных, а в скорости и неприхотливости с точки зрения обслуживания. Что касается динамики, то в среднем такая линия способна обеспечивать 400–600 Мбит/c на одной витой паре. Технология LVDS появилась как ответ на запросы в решении проблемы передачи информации на большие расстояния. Но существенным ее отличием от альтернативных методик стала необычная схема разветвления контуров. Ведь что такое LVDS в плане технико-конструкционной реализации? Это именно набор дифференцированных проводных каналов, предназначенных для осуществления обмена данными между устройствами и микросхемами. Сама аппаратная часть при этом не является предметом стандартизации. Применяться может оборудование, в принципе доступное для интеграции интерфейса. Но и проводники не представляют собой нечто выходящее за рамки современных спецификаций. Более того, параллельные линии могут базироваться на устаревающих проводниках без оптоволоконных сетей. Суть технологии заключается в способе организации этих каналов.

Дифференциальные сигналы имеют низкий уровень чувствительности с диапазоном от 250 до 450 мВ. И в контексте рассмотрения параметров линий передачи данных все же нельзя обойти вниманием источники информации, с которой работает интерфейс LVDS. Описание концевых устройств можно выразить в виде формирователей-передатчиков, которые выполняются как токовые ключи. Благодаря этой оснастке обеспечивается независимость скорости обработки сигнала от основного напряжения в линии. Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать два промежуточных вывода о системе LVDS:

• В процессе передачи данных предполагается небольшой размах сигнала в отношении параметров чувствительности.
• Трансляция осуществляется с токовым характером.

На практике эксплуатации интерфейса это означает, что система сможет поддерживать высокую скорость даже при низкой рассеиваемой мощности. На конкретных цифрах теоретическая величина скорости будет составлять 1923 Мбит/с, но производители готовых решений все же рекомендуют придерживаться уровня 655 Мбит/с.

Особенности дифференциального распределения каналов

Для начала стоит рассмотреть, что такое в принципе дифференциальный сигнал. Это способ передачи данных по электрическим сетям с помощью противофазных линий. В соответствии с правилами организации таких каналов сигнал транслируется в форме дифференциальной пары, в которой каждый поток имеет свой проводник. При этом обеспечивается инверсия – то есть в одной паре участвуют два сигнала с разными знаками. Самый дешевый способ реализации этих пар – использовать витые проводники, но также допускается применение твинаксиальных кабелей и прямой разводки на печатной плате. Здесь важно подчеркнуть, что LVDS-приемник реагирует именно на разницу между сигналами в паре, а не на различия между потенциалом заземления и конкретным проводником.

Дифференциальные пары имеют и особое оформление. На схемах сигналы LVDS обозначаются как RX(0-3), RXC и т. д. Выходной сигнал с маркировкой CLK отражает пиксельную частоту, определяя также спектр сигналов R/G/B на трансмиттере. На практике интерфейс дифференциальных каналов может использоваться для передачи 18-ти и 24-х разрядных цветов. В этом отношении системе LVDS наиболее близок интерфейс TMDS, но он не различает отдельные дифференциальные пары. Иными словами, появляется возможность каждой паре присваивать сигналы определенного цветового спектра.

Отдельного внимания заслуживает и дифференциация как способ передачи управляющих потоков. В этом случае сигналы транслируют информацию с конкретными схемами и конфигурациями. Например, широко используются сигналы кадровой и строчной синхронизации, а также каналы, передающие сведения о разрешении данных. Но возможно ли совмещение не просто разрозненных пар с разными данными, а групп сигналов, различающихся по типу содержащейся информации? Это зависит от конечного приемника, с которым работает интерфейс LVDS? Описание принципа обработки таких данных можно представить так:

• Сдвиговый регистр трансмиттера принимает несколько групп информации от разных дифференциальных пар.
• Ресивер преобразует формат данных.
• Управляющая плата вновь перераспределяет потоки, выделяя целевую информацию.
• Интерфейс приемника корректирует настройки аппаратуры или выводит сигнал в область воспроизведения.

Определение качества сигнала

Работа систем на базе LVDS характеризуется скоростью и дальностью передачи информации. Это основные качественные показатели, от которых зависит эксплуатационный потенциал конкретной линии. В идеальных условиях использования канала внешние помехи отсутствуют и, соответственно, достигаются максимально возможные параметры скорости и дальности без ограничений. Но поскольку на практике такие условия не встречаются, то в процессе проектирования и обслуживания LVDS-интерфейсов возникает потребность оценки их качества.

К наиболее распространенным методам анализа дифференциальных линий относится составление глаз-диаграммы. На ней, в частности, наглядно отражается уровень искажения сигнала. Существует и количественная оценка, выражаемая так называемым процентом дрожания. В комплексе же обе характеристики указывают на степень разброса фотонов, которая определяется несколькими факторами. Главным из них можно назвать межсимвольную интерференцию, определяющую затухание сигнала и его частотную неравномерность. Также каналы передачи данных и сами по себе могут оказывать влияние друг на друга. Это касается соседних линий, обеспеченных некачественной изоляцией. Минимизировать подобные помехи можно выполнением трассировки платы.

Состав канала

Полноценная линия в системе LVDS формируется передатчиком и соединительной инфраструктурой, обеспечивающей связку источника информации и приемника. Максимальная скорость в таком канале составляет 622 Мбит/с при условии приближения к стандарту конфигурации. Соединительная среда состоит из печатной платы и проводки. Причем допускаются и варианты, в которых один из компонентов может отсутствовать. Но в этом случае LVDS-интерфейс будет ограничен и в дальности, и в скорости передачи информации даже независимо от влияния сторонних факторов.

Печатная плата выступает в качестве базы для установки приемника или передатчика. Также практикуется интеграция терминирующих цепей, разъемов для подсоединения функциональных компонентов и другой вспомогательной оснастки, участвующей в работе системы. Ключевым условием работоспособности комплекса является взаимное соответствие всех его элементов, признаком которого будет техническая возможность их установки на дорожках печатной платы. Проверка на ошибки в подборе компонентов для LVDS-канала производится на этапе тестирования. Уже на практике эксплуатации после ввода системы в рабочий процесс устранение несовместимостей подручными средствами может потребовать больших финансовых затрат и технических ресурсов.

Кабели и разъемы LVDS

Соединительная инфраструктура основывается на проводных контурах и средствах, обеспечивающих возможность их подключения. В дифференциальном интерфейсе рекомендуется применять симметричную витую пару. Такой кабель обеспечит оптимальные характеристики сигнала благодаря поддержке постоянного сопротивления (порядка 100 Ом) и соответствию влияния наводок на конце приемника. В то же время LVDS-кабель и его параметры строго не регламентируются. К исключению можно отнести определенные рабочие показатели провода, конфигурацию разбивки по контактным точкам и т. д. В выборе кабеля многое зависит от конкретных требований к системе. Например, дистанция до 50 см допускает применение почти всех видов проводной среды. Расстояние до 10 см желательно обслуживать витой парой стандартов CAT3-5. Скорость в такой инфраструктуре составит до 400 Мбит/c.

Разъемы, используемые при создании LVDS-линков, также подбираются исходя из проектных требований к системе. Но почти в каждом случае акцент делается на возможность обслуживания скоростного канала передачи данных с учетом электромагнитного излучения и внешних наводок. Особое внимание уделяется расположению линий на контактах. Входной интерфейс может иметь разные конфигурации разъемов, отличающихся по длине и потенциальной величине искажения. Построение линий требует использования выводов, соответствующих проводам одной пары. Это позволит сбалансировать скоростные показатели при оптимизации помех дополнительными средствами.

На практике создания дифференциальных каналов с разъемами одним из ключевых технических параметров выступает распиновка. Ее важно учитывать при подключении конечного приемника с матрицами. На базовом уровне характеристик могут использоваться интерфейсы на 30-pin. Но современные устройства, предъявляющие все более высокие требования к пропускной способности линий, ориентируются на распиновку LVDS на 40-pin. Данный разъем может быть одно- и двухканальным – этот нюанс тоже следует иметь в виду при организации подключения.

Управление потоками данных

Для эффективного использования дифференциальных каналов недостаточно выбора подходящих по характеристикам функциональных компонентов. Задача подвода потоков с данными решается на этапе разработки конфигурации скоростных линий. Проектировщик выстраивает платформу с отдельными передатчиками, иногда задействуя и микросхемы сериалайзеров. Это специальные преобразователи сигналов, обеспечивающие параллельно-последовательное распределение. С другой стороны на окончании приемника устанавливается десериалайзер, осуществляющий обратное преобразование – из последовательного в параллельное состояние. Использование сериалайзеров на практике позволяет оптимизировать частоту высокоскоростного канала до приемлемых для целевого устройства значений.

Применяется и способ управления потоками информации путем интегрированных в оборудование приемников и передатчиков. Например, компания Xilinx встраивает в программируемый LVDS-интерфейс несколько портов для размещения компонентов одного стандарта. У этого решения есть существенное преимущество в виде оптимизации конструкции устройства, которая облегчает построение целевой архитектуры каналов с учетом требуемых показателей скорости независимо от реализации внешнего интерфейса.

Применение LVDS

Развитие технологии обусловлено повышением требований к передаче видеоинформации. Конфигурация устройства каналов данного дифференциального интерфейса оптимально подходит для обслуживания офисной и домашней техники, которая работает с фото-, видео-, 3D-графикой и другими мультимедийными материалами. Причем в качестве концевых устройств могут выступать и компьютеры, и сетевые распределители, и даже системы спутниковой связи. То есть интерфейс LVDS и его применение можно назвать универсальным с точки зрения возможностей интеграции в современные системы передачи и обработки цифровой информации. Самым распространенным направлением использования технологии является соединение мониторов с ПК и другими источниками информации. Например, для панелей LCD с высоким разрешением применяются шины LVDS с небольшой потребляемой мощностью, но широкой полосой пропускания.

Для организации высокоскоростных потоков данных используют микросхемы, способные преобразовывать данные на 21-48 бит под многоканальную систему LVDS с последующим выходом в тактовый сигнал. Подобные конфигурации используют в обслуживании супербыстродействующих серверов и маршрутизаторов. В целом можно сказать, что низковольтная дифференциальная передача сигналов подходит для многоточечных систем, компоненты которых необходимо согласовывать с разных концов передачи информации. Некоторые преобразователи LVDS находят свое место и в промышленности, выступая в виде случайных ключей данных.

Система LVDS в мониторах и матрицах

Стандартизированные интерфейсы для подключения устройств воспроизведения видеоинформации в качестве основного функционального компонента как раз задействуют разъемы. Достаточно выбрать оптимальный по характеристикам вход и будет организована соединительная линия. В подборе разъема для конкретного оборудования учитываются следующие характеристики:

• Разрешающая способность монитора или матрицы.
• Размер экрана.
• Частота кадров и т. д.

Вышеупомянутая распиновка, к примеру, во многом зависит от диагонали. Так, интерфейс LVDS для 8 дюймов вполне может вводиться в инфраструктуру посредством контактора на 20-pin. Увеличение контактов может происходить не только на центральной стороне, но и по бокам. Обычно такие «пины» выполняют функцию заземления.

По налаженному интерфейсу подается напряжение для компонентов матрицы, которое тоже отличается в зависимости от размера экрана. Обычно начального значения в 3,3 В бывает достаточно для 15-дюймовых устройств и менее. Стандарт в 12 В питает матрицы на 19 дюймов и т. д. При подключении могут вводиться и трансмиттеры с ресиверами. В современных панелях они реализуются в качестве микросхем, но иногда включаются и в состав скалеров, то есть контроллеров интерфейса LVDS. Схемы подключения с таким дополнением предусматривает использование 30-контактного разъема как минимум. Распределение сигналов по «пинам» будет предусматривать классификацию на три основные группы:

• VCC – питающее напряжение.
• VSS – заземление.
• RX – вход одной из дифференциальной пары.

Преимущества от использования систем LVDS

Одно из главных достоинств данного интерфейса заключается в легкости управления, согласования и переключения. Большинство современных высокоскоростных линий предполагают использование особых материалов как для изготовления тех же кабелей, так и для обеспечения контроля сигналов. В случае с дифференциальными каналами применяются простейшие стандарты, которые также расширяют и возможности использования технологии. Типовая матрица для ноутбука на базе LVDS может обеспечивать быстрое переключение передатчика на предельный уровень производительности с ростом скорости обработки сигнала. При этом энергозатраты сохраняются на низких или средних показателях относительно конкурентных линий передачи данных. Оптимизация в этой части достигается за счет сокращения мощности рассеиваемой нагрузки – не более 1,2 мВт при импедансе на 100 Ом. Некоторые изготовители компонентов для LVDS также делают упор на статистическое энергопотребление. Экономический фактор привлекателен и в плане стоимости компонентов, из которых формируется инфраструктура. Использование той же витой пары по сравнению с оптоволокном и вовсе несравнимо по затратам и при покупке, и в расходах на техническое обслуживание.

Часть преимуществ обусловлена и применением дифференциального метода трансляции сигнала как такового. Можно выделить и простоту схем передачи информации, и низкую чувствительность к помехам. Разумеется, если не брать в расчет излучения в смежных близко расположенных каналах. Не критична и чувствительность LVDS-интерфейса при работе в условиях сильных магнитных полей. Коррекция фронтонов не влияет на качество передачи, поэтому шумы сохраняются в рамках приемлемых значений.

Заключение

Архитектура большинства готовых решений на платформе технологии LVDS отличается производительностью, экономностью и гибкостью с точки зрения изменения функциональной конфигурации. Достигнуто такое сочетание положительных эксплуатационных свойств было за счет объединения лучших качеств традиционного параллельного интерфейса (в новейших версиях – цифрового) и принципов последовательного подключения. В итоге сокращение числа проводников позволило использовать систему в компактных устройствах, требующих при этом поддержки качественной трансляции сигнала. Собственно, матрица для ноутбука на базе LCD-контроллеров демонстрирует полный спектр достоинств технологии. Разработкой подобных решений сегодня занимаются такие компании, как Samsung, Philips, HP и др.

Реализовать рабочую схему можно и самостоятельно, что часто делают домашние умельцы с ЖК-панелями. В этом случае потребуется базовый набор функциональных компонентов с кабелем, разъемом, микросхемой контроллера и конечными устройствами. Но, как показывает практика, добиться при таком исполнении высокой пропускной способности можно лишь в редких случаях. Понимая это, производители компонентов LVDS создают специальные линейки с готовой инфраструктурой передачи сигнала, которую можно интегрировать в любую мультимедийную установку – главное, правильно соотнести основные технические параметры. Что касается в принципе проблем с интерфейсами данного типа, то могут иметь место внешние помехи, но и эти факторы минимизируются посредством включения систем изоляции и экранирования. Их можно интегрировать и в качестве опционального дополнения, и как основной функциональный элемент.

В предыдущем номере мы начали обзор внешних интерфейсов LCD-матриц, с помощью которых обеспечивается взаимодействие основной платы монитора с LCD-панель. В первой части статьи мы отметили, что на сегодняшний день известно четыре таких интерфейс, причем два из них (параллельный интерфейс и TMDS) мы рассмотрели достаточно подробно. Сегодня мы продолжим тему, и на очереди следующие два интерфейса: LVDS и RSDS.

Интерфейс 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

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-Link^TM;

— FlatLink^TM;

— PanelBus^TM;

— LDI;

— OpenLDI^TM.

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).

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-разрядного 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.

18-разрядный цвет	24-разрядный цвет
R0-R5	R0-R7
G0-G5	G0-G7
B0-B5	B0-B7
HSYNC	HSYNC
VSYNC	VSYNC
DE	DE

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

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.

Рис.20

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

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).

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;

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:Таблицу можно посмотреть тут: http://www.mirpu.ru/lcd/75-shtmatrcnics/119-interftftp2.html— +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).

Рис.23

Чтобы просмотреть  рис.23 подробнее, нажмите на ссылку.

Используемые источники:

• https://novoselovvlad.ru/2018/06/26/%d1%82%d0%b5%d1%85%d0%bd%d0%be%d0%bb%d0%be%d0%b3%d0%b8%d1%8f-%d0%b4%d0%b8%d0%b0%d0%b3%d0%bd%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b8%d0%ba%d0%b8-%d0%b8-%d1%80%d0%b5%d0%bc%d0%be%d0%bd%d1%82%d0%b0-lvds-%d0%b8%d0%bd/
• https://fb.ru/article/367713/vyisokoskorostnoy-interfeys-lvds-opisanie-i-primenenie
• https://varyag-nord.livejournal.com/65847.html