Gemeinsame Schnittstellen in LCD-Anzeigemodulen: SPI, MCU Parallel, RGB/TTL, LVDS, MIPI DSI, eDP, USB-C, I²C, UART

Was ist eine LCD-Schnittstelle?

Eine Schnittstelle ist die Art und Weise, wie zwei elektronische Teile - z. B. ein Mikrocontroller und ein LCD - physikalisch miteinander verbunden sind und Daten austauschen. Sie definiert die Drähte, die Spannungen und die Zeitregeln, aber nicht was diese Parteien einander sagen (das ist das Protokoll).

Betrachten Sie es einmal so:

• Schnittstelle = Tisch und Utensilien
• Protokoll = das Rezept und die Tischmanieren

Bei eingebetteten Systemen wählen wir oft zuerst eine Schnittstelle (SPI, I²C, LVDS usw.) und wenden dann das richtige Protokoll an (z. B. Display Command Set oder DCS für MIPI oder SSD1306-Befehle).

In diesem Artikel werden wir uns mit beliebten LCD-Schnittstellenerklären, wo sie glänzen, und zeigen, wie man schnell sie identifizieren ohne weitere Hilfsmittel.

Schneller Überblick über LCD-Schnittstellentypen

SPI-Schnittstelle für kleine Displays

SPI (Serial Peripheral Interface) ist dank seiner Einfachheit die erste Wahl für kleine Displays (unter 3,5″): Sie benötigen nur 4-8 Leitungen (CLK, MOSI, MISO, CS, eventuell D/C und Reset). Mit den vierfachen Datenkanälen von QSPI erhalten Sie einen schnelleren Durchsatz, der allerdings immer noch bei 50 Mbit/s begrenzt ist. Für ein intelligentes Thermostat, das sein Display 5-10 Mal pro Sekunde aktualisiert, ist SPI schnell genug, benötigt nur wenige Pins, hat eine geringe EMI und schont den Geldbeutel.

• Benötigte Drähte: SCLK, MOSI, CS, D/Csowie optional MISO, RESET, BL
• Typische Geschwindigkeiten: 10-50 Mbps (einige unterstützen Quad-SPI)
• Ideal für2,8″-TFT-Module (wie ILI9341-basierte) oder "intelligente" SPI-LCDs

Beispielverdrahtung (esp8266 oder STM32):

SCLK → SPI SCLK
MOSI → SPI MOSI
CS → Chipauswahl
D/C → Daten/Befehlsunterscheidung
RESET → optionale Rückstellung
BL → Hintergrundbeleuchtung über PWM
VCC, GND → Stromversorgung  

Oft werden Bibliotheken (z.B. Adafruit_GFX) geladen, um nach dem Start Grafiken zu zeichnen.

I²C - Anschluss für Low-Speed-Steuerung

I²C ist ein Zweidraht-Bus (SDA + SCL), der ideal für Touch-Controller oder einfache Display-Steuerung ist. Obwohl er langsamer ist (bis zu 400 kbps), ist er perfekt, wenn Sie nur die Konfiguration oder gelegentliche Datenaktualisierungen benötigen, wie z.B. die Einstellung der Hintergrundbeleuchtung, die Abfrage des Berührungsstatus oder die Einstellung von Farbpaletten. Es ist Standard bei eingebetteten Touchscreens und eignet sich gut, wenn Sie eine minimale Verdrahtung und einen geringen Stromverbrauch wünschen, während SPI Bilder verarbeitet, I²C ist ideal für Aufgaben mit geringer Bandbreite:

• Nur zwei Zeilen: SCL (Uhr), SDA (Daten)
• Geschwindigkeiten: 100 kHz (Standard) bis ~3 Mbps (HS-Modus)
• Verwendet: Touchscreen-Controller (z. B. FT5406), LVDS-Panel-Helligkeit, EEPROM

Da I²C langsam ist, wird es nie für Vollbild-Updates verwendet, aber es ist großartig, um Steuersignale sauber und mit wenigen Pins zu übertragen.

UART & RS-232 - Einfache serielle Kommunikation

UART ist universell, einfach und asynchron und benötigt nur TX und RX (plus Masse). Viele intelligente Module enthalten eine kleine MCU, mit der Sie Grafiken über Textbefehle steuern können. Diese Module eignen sich ideal für Prototypen, Verkaufsautomaten oder einfache HMIs und können Schriftarten, Symbole und manchmal auch Berührungen ohne großen Codierungs- oder Platinenaufwand verarbeiten. UART (oder RS-232 bei Industriegeräten) ist praktisch für:

• Funktion als "Befehlskonsole" für intelligente Displays (z. B. Nextion oder Riverdi)
• Geräteprotokollierung oder Debug-Ausgabe
• Übergabe von Text-/Grafikbefehlen an Displays mit internen Prozessoren

Die Verkabelung ist einfach: TX, RX, VCCund GND. Passen Sie einfach die Baudrate an - in der Regel 115200 oder 9600.

RGB-/TTL-Schnittstelle - Parallel, vorhersehbar und beliebt bei Einsteigersystemen

RGB/TTL verwendet breite parallele Busse (24-Bit-Daten + Sync-Leitungen), um eine extrem niedrige Latenzzeit zu erreichen - perfekt für Echtzeit-Video oder Kamera-Overlays. Es gibt keinen Controller-IC, und das Timing ist präzise, aber es erfordert viele Leiterbahnen auf der Leiterplatte und ist in EMI-lastigen Umgebungen schwierig zu handhaben. Er eignet sich gut für Anwendungen, bei denen die Geschwindigkeit wichtiger ist als die Komplexität der Leiterplatte, wie z. B. industrielle Vorschaustationen oder eingebettete CCTV-Monitore. RGB-Schnittstelleoft auch bezeichnet als TTL (Transistor-Transistor-Logik)ist eine der frühesten Display-Verbindungen, die in eingebetteten Systemen verwendet werden. Sie überträgt Pixel-Farbdaten parallel - in der Regel 16- oder 24-Bit-RGB - synchronisiert durch Steuersignale wie HSYNC, VSYNCund DE.

Technische Grundlagen

• Farbtiefe: RGB565 (16-Bit), RGB888 (24-Bit)
• Drähte: R[5-8], G[5-8], B[5-8], PCLK, HSYNC, VSYNC, DE
• Unterstützung der Auflösung: Bis zu 1024×768 @ 60Hz
• Uhr: 10-50 MHz für niedrige Auflösungen, 60+ MHz für 800×480 oder höher

Wie es funktioniert

Die Farbdaten jedes Pixels werden über mehrere Leitungen gleichzeitig gesendet. Ein Pixeltakt (PCLK) tickt mit jedem Pixel. Die Synchronisierung wird verwaltet durch:

• HSYNC - zeigt das Ende einer Zeile an
• VSYNC - zeigt das Ende eines Rahmens an
• DE (Datenfreigabe) - High bei der Übertragung von aktivem Video

Wo RGB noch verwendet wird

• STM32-basierte HMI-Systeme (mit FSMC)
• Industrielle Steuerungen der mittleren Preisklasse
• Kleine TFT-Displays (3,5″ bis 7″) ohne erweiterte Schnittstellen
• Bildschirme ohne On-Board-Framebuffer

Beschränkungen

• Keine differentielle Signalisierung → mehr EMI (elektromagnetische Störungen)
• Jede Menge Drähte → 20+ Pins erschweren das PCB-Layout
• Nicht geeignet für Kabellängen >15-20cm

LVDS - Hochgeschwindigkeits-Seriell in Industriequalität

LVDS ist ein Arbeitspferd in Industrie- und Automobilumgebungen. Durch die Verwendung von Differenzialsignalen ist es robust über 1-5 m lange Kabelstrecken und resistent gegen EMI. Sie müssen 4 Paare verlegen, die Impedanz kontrollieren und hochwertige Steckverbinder wählen, aber Sie erhalten eine zuverlässige, stabile Bildübertragung, selbst unter lauten Bedingungen. Es ist ideal für Armaturenbretter, Kioske und HMIs in der Fabrik. LVDS (Niederspannungs-Differenzial-Signalisierung) ist eine robuste Schnittstelle, die häufig in Industrie, medizinischund Automobil Anzeigen.

Anstatt jedes Bit wie bei RGB auf einer eigenen Leitung zu senden, verwendet LVDS Differentialpaare um serielle Hochgeschwindigkeitsdaten zu übertragen. Dies ermöglicht längere Kabelwege und geringeres Rauschen.

Technische Details

• Unterstützung der Auflösung: 800×480 → 1920×1080
• Stecknadeln: Typischerweise 4-8 Datenpaare + Takt
• EMI: Hervorragende Widerstandsfähigkeit durch differentielle Signalisierung
• Länge des Kabels: Bis zu 2 Meter

Tipps zu Layout und Design

• Differentialpaare auf ±5 mil abstimmen
• 100 Ω Impedanz beibehalten
• Isolierung von verrauschten Leiterbahnen (z. B. Netzteile, MCU-PWM)

MIPI DSI - Geschwindigkeit und Einfachheit in mobilen Systemen

MIPI DSI wurde für mobile und kompakte eingebettete Geräte entwickelt und bietet eine hohe Geschwindigkeit über nur 4 differentielle Lanes. Es eignet sich für moderne Android-Panels, Tablets und medizinische Touchscreens. Aber es erfordert Präzision: längenangepasste Lanes, Treiberunterstützung und kompatible SoC-Firmware. Das Ergebnis? Schlanke, dünne, stromsparende Panels mit schnellen Bildwiederholraten und großer Bandbreite. MIPI DSI (Display Serial Interface) ist die gängigste interne Display-Schnittstelle in Smartphones, Tablets und einigen eingebetteten Linux-Boards.

Es überträgt die Bilddaten mit Gigabit-Geschwindigkeiten mit Differenzialpaare mit geringer Pinanzahl. Es unterstützt zwei Modi:

• LP (Low Power) - für Befehle
• HS (Hohe Geschwindigkeit) - für Videodaten

Technische Höhepunkte

• Daten-Spuren: 1-4 (oder 8 bei Zweikanalbetrieb)
• Geschwindigkeit: 1-6 Gbit/s insgesamt
• Controller: Häufig Teil eines SoC (z. B. RK3568, iMX8M)
• Timing: Strikte Ausrichtung der Fahrspuren, DCS-Befehlssequenz

Anwendungsfälle

• Eingebettete Android/Linux-Geräte
• Intelligente Displays und tragbare medizinische Geräte
• Armaturenbretter für Kraftfahrzeuge

Herausforderungen

• Erfordert kompatibles SoC
• Komplexe Fehlersuche (erfordert Logik-Analysator oder DSI-Brückenchip)
• Oft gepaart mit I²C oder SPI für Touch-Eingabe

eDP - Eingebetteter DisplayPort für x86-Systeme

eDP ist im Wesentlichen der große Bruder von LVDS, der für Laptops und Panel-PCs entwickelt wurde. Es unterstützt hohe Auflösungen (bis zu 4K+), verwendet differenzielle Signalübertragung, beinhaltet Hot-Plug- und Self-Refresh-Funktionen und ist für x86- und ARM-Linux-Plattformen geeignet. Es ist teurer und erfordert ein sorgfältiges Platinenlayout, aber wenn Sie High-End- oder Industrie-PCs bauen, ist eDP eine gute Wahl. eDP (Eingebetteter DisplayPort) ist in modernen Laptops und High-End-Industrie-PCs üblich.

Basierend auf DisplayPort wurde eDP entwickelt für interne Schaltschrankverbindungen und unterstützt:

• Höhere Auflösungen (2K-4K)
• Niedriges EMI
• Berührung, Hintergrundbeleuchtung und Steuerung über ein einziges Kabel

Technische Parameter

• Link Preise: HBR (1,62 Gbit/s) bis HBR3 (8,1 Gbit/s)
• Hilfskanal für Befehl & Konfiguration
• Panel Selbstauffrischung (PSR) für Stromeinsparungen

HDMI - Plug-and-Play für Multimedia-Bildschirme

HDMI (Hochauflösende Multimedia-Schnittstelle) ist die am häufigsten verwendete Schnittstelle in der Unterhaltungselektronik und in Entwicklungskits. Sie überträgt sowohl Video als auch Audio über ein einziges Kabel.

• Bandbreite: Bis zu 18 Gbit/s (HDMI 2.0), 48 Gbit/s (HDMI 2.1)
• Steckertypen: Vollformat (A), Mini, Micro
• Gemeinsame Geräte: Raspberry Pi, Android-Boxen, SBCs

Vorteile:

• Einfacher Anschluss und breite Unterstützung
• Überträgt Audio und Video gleichzeitig
• Perfekt für Plug-and-Play-Setups mit externen Displays

Nachteile:

• Höherer Stromverbrauch
• Erfordert oft einen Konverter (Brückenchip) zum Anschluss an interne LCDs (LVDS, MIPI)

DisplayPort - Hochauflösende Profi-Schnittstelle

DisplayPort (DP) ist eine professionelle Display-Schnittstelle, die höhere Auflösungen und Bildwiederholraten als HDMI unterstützt.

• Bandbreite: Bis zu 32,4 Gbit/s (HBR3)
• Eigenschaften: Multi-Stream-Transport (MST) für die Verkettung von Displays
• Anwendungsfälle: CAD-Arbeitsplätze, medizinische Monitore, Multi-Display-Systeme

Vorteile:

• Unterstützt 4K-, 5K- und 8K-Auflösungen
• Besser für Anwendungen mit hoher Aktualisierungsrate oder farbkritischen Anwendungen
• Kompatibel mit Adaptern für HDMI oder DVI

Nachteile:

• Weniger häufig bei eingebetteten Boards
• Erfordert einen kompatiblen Controller oder SoC

USB-C mit Display Alt Mode - Der All-in-One-Stecker

USB-C kann Video (DisplayPort Alt Mode), normale USB-Daten und Strom übertragen - alles in einem reversiblen Anschluss. Das ist fantastisch für tragbare Monitore oder integrierte Systeme. Allerdings müssen beide Geräte den Alt-Modus unterstützen, und das Design erfordert Regeln für die Stromversorgung, die Signalintegrität und die Einhaltung der USB-Spezifikationen. Richtig gemacht, ist es jedoch der Goldstandard für Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit. USB-C hat sich schnell zum Standard für moderne Geräte entwickelt, die Daten, Video und Strom in einem reversiblen Stecker übertragen können.

• Unterstützt: USB 3.1/3.2, DisplayPort Alt Mode, Power Delivery (PD)
• Bandbreite: Bis zu 40 Gbit/s (USB4 / Thunderbolt 4)
• Anwendungen: Tragbare Monitore, USB-Dockingstationen, Laptops

Vorteile:

• Überträgt Video, Strom und Daten über ein einziges Kabel
• Unterstützt bis zu 100 W Aufladung
• Kompakt und umkehrbar

Nachteile:

• Die Kompatibilität des Alt-Modus muss sowohl vom Host als auch vom Display unterstützt werden.
• Unterschiedliche Qualität von Kabeln und Zubehör - Zertifizierung ist wichtig

Wie man eine LCD-Schnittstelle schnell identifiziert

Der Schlüssel zur Integration und Fehlersuche liegt darin, die Art der LCD-Schnittstelle zu erkennen, mit der Sie arbeiten.

🔍 Physikalische Anhaltspunkte

Auswahl der richtigen Schnittstelle für Ihr Projekt

Die Auswahl der richtigen Schnittstelle für Ihr Projekt hängt von Größe, Leistung, MCU/SBC-Ressourcen und Umgebung ab.

LCD-Schnittstellen-Vergleichstabelle