설계자가 산업 제어, 의료 장비 및 기타 소형 시스템용 디스플레이를 선택할 때 더 작은 화면에 더 많은 정보를 표시해야 할 뿐만 아니라 가시성, 유용성 및 신뢰성도 향상시켜야 합니다. 또한, 개발을 가속화하면서 비용을 절감하는 것도 필요합니다.
기존 솔루션을 사용하면 크기, 해상도, 밝기 및 산업 성능의 합리적인 조합을 달성하기가 어렵습니다. 그래서 문제는 통합의 난이도가 됩니다. 소형 산업용 디스플레이는 일반적으로 디스플레이 패널이나 모듈의 형태를 취하지만 설계자는 낮은 수준의 드라이버, 백라이트, 전자기 간섭(EMI) 완화와 같은 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울여야 합니다.
이 기사에서는 먼저 설계자가 소형 시스템을 개발할 때 직면하는 과제를 간략하게 소개합니다. 그런 다음 Newhaven Display의 3.5인치 고화질 플러그 앤 플레이 디스플레이를 소개하고 이 디스플레이를 신속하게 통합하고 배포하는 방법을 시연합니다.
시장에서 소형 고해상도 디스플레이 화면에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.
소형 장치에서는 항상 저해상도 디스플레이를 거의 사용할 수 없었습니다. 기능적 제한으로 인해 이러한 기존 시스템에는 간단한 메뉴와 기본 표시기 라벨만 필요합니다. 그러나 최신 장치에서는 복잡한 데이터를 제공하고 완벽한 사용자 경험을 달성하기 위해 고해상도 디스플레이가 필요합니다.
사물 인터넷(IoT) 연결과 복잡한 분석 기능의 도입이 이러한 변화를 주도했습니다. 휴대용 진단 도구와 측정 장치를 예로 들면, 이러한 장치의 기능은 피드백 측정 데이터를 제공하는 것 이상입니다. 또한 장치 작동에 대한 심층적인 성능 분석을 출력하고 문제 해결 중에 시각적 작동 지침을 제공해야 합니다.
플랫폼의 발전으로 인해 해상도에 대한 수요도 증가했습니다. 전통적인 임베디드 RTOS 환경이 Linux, Windows Embedded, Raspberry Pi와 같은 최신 플랫폼에 자리를 내주면서 설계자는 실질적인 한계에 직면하게 되었습니다. 최신 운영 체제에는 기존의 소형 장치 디스플레이가 충족할 수 없는 최소 640 × 480의 디스플레이 해상도가 필요합니다.
개발 관점에서 원래 데스크톱, 태블릿 또는 임베디드 시스템용으로 개발된 사용자 인터페이스 프레임워크, 위젯 및 아이콘 라이브러리를 더 높은 해상도로 재사용하는 것이 현실이 되었습니다. 이러한 재사용은 일회성 저수준 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 작업을 방지하는 동시에 제품 라인 전반에 걸쳐 브랜딩 및 기능의 일관성을 보장하는 데 도움이 됩니다.
기존 소형 디스플레이가 통합을 복잡하게 만드는 이유
이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 소형 디스플레이의 일반적인 320 × 240 해상도에서 선명하고 반응성이 뛰어난 640 × 480 TFT(박막 트랜지스터) 디스플레이로 전환하고 평면 내 스위칭(IPS)과 같은 기술을 채택하여 정확한 색상과 더 넓은 시야각을 달성하고 있습니다. 픽셀 수가 4배 증가하여 뛰어난 사용자 인터페이스가 탄생했지만 상호 관련된 두 가지 문제도 발생했습니다.
5인치 이하의 고해상도 디스플레이는 대개 베어 스크린 형태로 제공되며 24비트 RGB, LVDS, MIPI-DSI 등의 인터페이스를 통해 연결할 수 있다. 이러한 디스플레이 화면을 통합하려면 설계자는 고속 회로 설계, 복잡한 배선, 고주파 신호에서 생성되는 EMI 등의 문제를 해결해야 합니다. 마찬가지로 소형 디스플레이 화면의 백라이트는 일반적으로 "가장 기본적인" 구성일 뿐이므로 설계자는 LED 드라이버를 직접 구입하고 디밍 제어 기능을 구현해야 합니다.
소프트웨어 측면에서 알몸 화면에는 표준화된 검색 메커니즘이 없습니다. 설계자는 디스플레이 타이밍을 수동으로 구성하고 터치 입력 및 백라이트 제어를 위한 맞춤형 드라이버를 개발해야 합니다. 그러나 이 작업을 완료하려면 그래픽 및 운영 체제에 대한 전문 지식이 필요하며 이는 제품 팀의 핵심 초점이 아닐 수 있으며 테스트, 제조 및 현장 유지 관리를 더욱 복잡하게 만들 수 있습니다.
HDMI 및 USB를 사용하여 소형 디스플레이 화면 통합 단순화
Newhaven Display의 3.5인치 IPS HDMI TFT 디스플레이(그림 1)는 640 × 480 디스플레이 패널, 고휘도 백라이트 드라이버, EMI 차폐 구조 및 선택적 정전식 터치 모듈을 완전한 디스플레이 구성 요소에 통합하여 앞서 언급한 문제를 쉽게 해결합니다. 이러한 디스플레이 패널의 픽셀 밀도는 인치당 228픽셀(PPI)로, 정보 집약적인 HMI(인간-기계 인터페이스)의 해상도 요구 사항을 충족하고 기존 하드웨어 설계의 문제를 방지합니다.
Newhaven Display의 3.5" IPS HDMI TFT 디스플레이 화면
그림 1: 3.5인치 IPS HDMI TFT 디스플레이는 선명한 640 × 480 디스플레이 패널을 완전한 플러그 앤 플레이 구성 요소에 통합합니다. (이미지 출처: 뉴헤이븐 디스플레이)
HDMI 비디오용 인터페이스 소프트웨어는 시스템 디버깅을 단순화할 수 있습니다. 호스트 시스템 측면에서 이 디스플레이 화면은 맞춤형 타이머가 필요한 알 수 없는 베어 디스플레이 패널이 아니라 표준 HDMI 모니터와 같습니다. 표준 HDMI 모니터와 마찬가지로 이 인터페이스는 EDID(확장 디스플레이 식별 데이터)를 통해 640x480 모드를 선언하고 Windows, Linux 및 Raspberry Pi와 같은 일반적인 단일 보드 컴퓨터(SBC) 플랫폼에서 자동 감지를 달성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 낮은 수준의 그래픽 드라이버를 개발할 필요가 없으며 해상도 구성 오류의 위험을 최대한 최소화할 수 있습니다.
터치 감지 NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU(그림 2)는 표준 인터페이스의 설계 개념을 투영 정전 용량(PCAP) 터치 입력으로 확장합니다. 이 정전식 터치 제품에서 마이크로 USB 커넥터는 5V 전원과 터치 데이터를 동시에 제공할 수 있습니다. 터치 컨트롤러는 Windows 및 Linux 시스템에서 표준 USB 휴먼 인터페이스 장치(USB-HID)로 표시되므로 운영 체제는 특정 공급업체 커널 모듈 없이도 드라이버를 자동으로 설치합니다.
Newhaven Display NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU(확대하려면 클릭)
그림 2: NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP-CTU는 선명한 640 × 480 디스플레이 패널을 완전한 디스플레이 조립품에 통합하고 EMI 차폐 장치가 고주파수 구성 요소 주위에 설치됩니다. (이미지 출처: Newhaven Display, 작성자 수정)
또한 이 모듈은 전체 조립 프로세스를 단순화합니다. 베어 디스플레이 패널 솔루션을 사용하는 경우 설계자는 맞춤형 프레임에 TFT 유리 설치, 하우징 내부의 다른 위치에 독립 드라이버 보드 고정, 구성 요소 사이에 정밀 리본 케이블 배치, 개별 LED 드라이버 회로의 설치 공간 결정 등 다단계 통합을 수행해야 합니다. 3.5인치 IPS HDMI TFT는 위 과정을 단순화하고 네 모서리에 위치한 장착 구멍을 통해서만 조립할 수 있습니다.
듀얼 케이블 아키텍처(비디오용 HDMI, 전원 및 터치용 마이크로 USB)는 깨지기 쉬운 유연한 회로를 표준 케이블로 대체하고 커넥터는 쉬운 직접 배선을 위해 인쇄 회로 기판(PC 보드)의 한쪽 가장자리를 따라 배열됩니다. 통합 EMI 차폐 구조는 쉘 수준에서 간섭 방지 요구 사항을 더욱 줄여줍니다.
IPS 기술을 사용하여 햇빛 아래에서도 가시성을 확보합니다.
기존의 TN(Twisted Nematic) 또는 VA(Vertical Alignment) 디스플레이 패널과 비교하여 IPS 디스플레이는 탁월한 광학 성능을 제공합니다. IPS는 모든 방향에서 85°의 넓은 시야각을 달성하고 다양한 시야각에서 일관된 색상과 대비를 유지합니다. 정전식 모델의 일반적인 밝기는 평방미터당 810개의 촛불(cd/m²)로, 주변광이 강한 환경에서의 사용을 지원하므로 야외 및 산업 환경의 휴대용 기기, 제어 패널 및 기타 애플리케이션을 선명하게 볼 수 있습니다.
비터치 NHD-3.5-HDMI-HR-RXP 디스플레이 화면(그림 3)은 동일한 전체 아키텍처를 채택하지만 PCAP 중복을 제거합니다. 그 결과 디스플레이 밝기가 950cd/m²가 되어 물리적 버튼이나 기타 외부 컨트롤러를 통해 입력을 처리하는 애플리케이션에 대해 햇빛 아래에서 더 나은 가독성을 제공합니다. 비터치 모델의 전류 소비량도 약간 낮습니다(일반적인 값은 490mA가 아닌 460mA). 이 모델 역시 HDMI와 USB 연결 방식을 사용하지만 USB는 전원만 공급한다.
Newhaven Display의 NHD-3.5-HDMI-HR-RSXP 디스플레이 화면, 그림에 특정 치수가 표시되어 있음(확대하려면 클릭)
그림 3: NHD-3.5-HDMI-HR-RXP 모델은 640 × 480 디스플레이 화면을 사전 통합하고 정전식 터치 구성 대신 베젤 개구부 디자인을 채택합니다. (이미지 출처: Newhaven Display, 작성자 수정)
두 모델의 작동 온도 범위는 -20 ° C ~ +70 ° C이고 보관 온도 범위는 -30 ° C ~ +80 ° C입니다. 검증 테스트에는 열 순환, 진동 및 정전기 방전이 포함되며 테스트 전압은 공기 중 ± 8 kV, 접촉 ± 4 kV입니다. 이러한 특성을 통해 두 제품 모두 산업, 운송 및 조명 실외 환경에 배포할 수 있으며 설계자가 직접 디스플레이 수준 인증을 수행할 필요가 없습니다.
하드웨어 및 소프트웨어 설정을 빠르게 시작하세요
하드웨어 수준에서 통합은 주로 세 가지 주요 인터페이스에 중점을 둡니다(그림 4). HDMI A형 커넥터는 비디오 입력을 제공하는 데 사용됩니다. USB Micro-B 커넥터는 5V 전압을 제공하는 데 사용되며, 정전식 모델인 경우 USB-HID 터치 데이터도 전송할 수 있습니다. 소형 터미널 블록은 5kHz~100kHz의 간단한 활성화 신호 또는 펄스 폭 변조 파형을 수용할 수 있는 백라이트 드라이버 제어 핀을 연결합니다. LED 상태 표시등은 전원, HDMI 링크 감지, 정전식 버전 터치 동작을 나타낼 수 있어 시작 디버깅 및 현장 문제 해결에 도움이 됩니다.
Newhaven Display 3.5 "IPS HDMI TFT의 주요 기능
그림 4:3.5의 IPS HDMI TFT의 주요 기능에는 HDMI(1) 및 USB Micro-B(2) 인터페이스, HDMI, DC 전원 공급 장치, 터치 감지 LED 표시등(3-5) 및 백라이트 터미널 블록(6)이 포함됩니다. (이미지 출처: 뉴헤이븐 디스플레이)
Windows 10 및 11 시스템에서는 디스플레이 화면이 일반 HDMI 모니터로 자동 감지됩니다. USB 링크가 연결되면 정전식 모델이 USB-HID 터치 장치로 나열됩니다. 전용 드라이버를 설치할 필요가 없으며 표준 디스플레이 설정 및 터치 보정 도구를 사용할 수 있습니다.
Linux 기반 시스템은 일반적으로 비슷한 방식으로 자동 모드 감지를 위해 HDMI 및 EDID를 사용합니다. 대부분의 구성에서 모듈은 표준 HDMI 모니터로 표시되며 시스템은 자동으로 640 × 480 모드를 선택합니다. Raspberry Pi와 같은 플랫폼의 경우 사용자 가이드에서는 필요할 때 원하는 모드와 타이밍을 강제로 사용하도록 구성 설명의 예를 제공합니다. 정전식 버전 디스플레이 화면의 터치 입력은 표준 Linux 입력 하위 시스템을 통해 USB-HID 장치로 표시되어 일반적인 그래픽 프레임워크와의 통합을 단순화합니다.
별도의 구동회로 없이 일체형 LED 드라이버의 제어핀을 통해 백라이트 밝기 조절이 가능하다. 간단한 온/오프 제어를 위해 정적 로직 레벨을 사용할 수 있으며, 펄스 폭 변조 입력은 밝기를 조정하여 저조도 환경에 적응하거나 유휴 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 이 방법은 주 회로 기판의 개별 고전압 LED 드라이버 설계로 인해 발생하는 스위칭 잡음 및 레이아웃 복잡성을 방지합니다.