Interfaces comuns em módulos de ecrãs LCD: SPI, MCU Paralela, RGB/TTL, LVDS, MIPI DSI, eDP, USB-C, I²C, UART

O que é uma interface LCD?

Um interface é a forma como duas partes electrónicas - como um microcontrolador e um LCD - se ligam fisicamente e partilham dados. Define os fios, as tensões e as regras de temporização, mas não o que essas partes dizem umas às outras (é o protocolo).

Pense nisso desta forma:

• Interface = a mesa e os utensílios
• Protocolo = a receita e as boas maneiras à mesa

Nos sistemas incorporados, é frequente escolhermos primeiro uma interface (SPI, I²C, LVDS, etc.) e depois aplicarmos o protocolo correto (por exemplo, Display Command Set ou DCS para MIPI, ou comandos SSD1306).

Neste artigo, vamos explorar os Interfaces LCD, explicam onde brilham e mostram como rapidamente identificá-los sem outras ferramentas.

Breve resumo dos tipos de interface LCD

Interface SPI para pequenos ecrãs

A SPI (Serial Peripheral Interface) é a escolha ideal para ecrãs pequenos (com menos de 3,5″), graças à sua simplicidade: apenas 4-8 linhas (CLK, MOSI, MISO, CS, possivelmente D/C e Reset). Com as pistas de dados quádruplas da QSPI, obtém-se um débito mais rápido - embora ainda limitado a cerca de 50 Mbps. Para um termostato inteligente que atualiza seu display de 5 a 10 vezes por segundo, o SPI é rápido o suficiente, com baixo uso de pinos, baixa EMI e fácil de usar.

• Fios necessários: SCLK, MOSI, CS, D/Ce, facultativamente MISO, REINICIAR, BL
• Velocidades típicas: 10-50 Mbps (alguns suportam Quad-SPI)
• Ideal paraMódulos TFT de 2,8″ (como os baseados em ILI9341) ou SPI-LCDs "inteligentes"

Exemplo de cablagem (esp8266 ou STM32):

SCLK → SPI SCLK
MOSI → SPI MOSI
CS → seleção de chip
D/C → distinção de dados/comandos
RESET → reset opcional
BL → luz de fundo via PWM
VCC, GND → alimentação  

É frequente carregar bibliotecas (e.g., Adafruit_GFX) para desenhar gráficos após o init.

I²C - Ligação do controlo de baixa velocidade

O I²C é um bus de dois fios (SDA + SCL) ideal para controladores tácteis ou controlo simples de ecrãs. Embora seja mais lento (até 400 kbps), é perfeito quando é necessária apenas uma configuração ou actualizações de dados ocasionais - como ajustar a luz de fundo, consultar o estado do toque ou definir paletas de cores. É padrão em ecrãs tácteis incorporados e funciona bem quando se pretende um mínimo de cablagem e baixo consumo de energia, enquanto o SPI lida com imagens, I²C é perfeito para tarefas de baixa largura de banda:

• Apenas duas linhas: SCL (relógio), SDA (dados)
• Velocidades: 100 kHz (padrão) a ~3 Mbps (modo HS)
• Utilizações: Controladores de ecrãs tácteis (por exemplo, FT5406), brilho de painéis LVDS, EEPROM

Uma vez que o I²C é lento, nunca é utilizado para actualizações de fotogramas completos - mas é excelente para transportar sinais de controlo de forma limpa e com poucos pinos.

UART e RS-232 - Comunicação em série simples

A UART é universal, simples e assíncrona, necessitando apenas de TX e RX (mais terra). Muitos módulos inteligentes incorporam um pequeno MCU para que possa controlar gráficos através de comandos textuais. Ideais para protótipos, máquinas de venda automática ou HMIs básicas, estes módulos controlam fontes, ícones e, por vezes, o toque sem muita codificação ou sobrecarga da placa. UART (ou RS-232 em equipamento industrial) é útil para:

• Atuar como uma "consola de comando" para ecrãs inteligentes (por exemplo, Nextion ou Riverdi)
• Registo do dispositivo ou saída de depuração
• Transmissão de comandos de texto/gráficos para ecrãs com processadores internos

A cablagem é simples: TX, RX, VCCe GND. Basta corresponder à velocidade de transmissão - normalmente 115200 ou 9600.

Interface RGB / TTL - Paralela, previsível e popular em sistemas de nível de entrada

O RGB/TTL utiliza barramentos paralelos largos (dados de 24 bits + linhas de sincronização) para proporcionar uma latência extremamente baixa - perfeita para vídeo em tempo real ou sobreposições de câmaras. Não há controlador IC, e a temporização é precisa, mas exige toneladas de traços de PCB e tem dificuldades em ambientes com forte EMI. Funciona bem quando a velocidade é mais importante do que a complexidade da placa, como estações de pré-visualização industriais ou monitores CCTV incorporados. Interface RGB, frequentemente designado por TTL (Transistor-Transistor Logic)é uma das primeiras ligações de ecrã utilizadas em sistemas incorporados. Transmite dados de cores de píxeis em paralelo - normalmente RGB de 16 ou 24 bits - sincronizados por sinais de controlo como HSYNC, VSYNCe DE.

Fundamentos técnicos

• Profundidade da cor: RGB565 (16-bit), RGB888 (24-bit)
• Fios: R[5-8], G[5-8], B[5-8], PCLK, HSYNC, VSYNC, DE
• Apoio à resolução: Até 1024×768 @ 60Hz
• Relógio: 10-50 MHz para baixa resolução, 60+ MHz para 800×480 ou superior

Como funciona

Os dados de cor de cada pixel são enviados através de várias linhas de uma só vez. Um relógio de píxeis (PCLK) funciona com cada píxel. A sincronização é gerida por:

• HSYNC - indica o fim de uma linha
• VSYNC - indica o fim de um fotograma
• DE (Habilitação de dados) - alto quando transmite vídeo ativo

Onde o RGB ainda é usado

• Sistemas HMI baseados em STM32 (utilizando FSMC)
• Controladores industriais de gama média
• Pequenos ecrãs TFT (3,5″ a 7″) sem interfaces avançadas
• Ecrãs sem framebuffer integrado

Limitações

• Sem sinalização diferencial → mais EMI (interferência electromagnética)
• Muitos fios → Mais de 20 pinos dificultam a disposição da placa de circuito impresso
• Não adequado para comprimentos de cabo >15-20cm

LVDS - Série de alta velocidade de nível industrial

O LVDS é um cavalo de batalha em ambientes industriais e automóveis. Utilizando sinalização diferencial, é robusto ao longo de cabos de 1-5 m e resistente a EMI. É necessário encaminhar 4 pares, controlar a impedância e escolher conectores de alta qualidade, mas obtém-se uma transmissão de imagem fiável e estável, mesmo em condições de ruído. É ideal para painéis de controlo, quiosques e HMIs de fábrica. LVDS (Sinalização Diferencial de Baixa Tensão) é uma interface robusta amplamente utilizada em industrial, médicoe automóvel ecrãs.

Em vez de enviar cada bit no seu próprio fio, como o RGB, o LVDS utiliza pares diferenciais para transmitir dados em série de alta velocidade. Isto permite cabos mais longos e menos ruído.

Dados técnicos

• Apoio à resolução: 800×480 → 1920×1080
• Alfinetes: Tipicamente 4-8 pares de dados + relógio
• IME: Excelente resistência devido à sinalização diferencial
• Comprimento do cabo: Até 2 metros

Sugestões de apresentação e design

• Manter os pares diferenciais emparelhados a ±5 mil
• Manter a impedância de 100 Ω
• Isolar de traços ruidosos (por exemplo, fontes de alimentação, MCU PWM)

MIPI DSI - Velocidade e simplicidade em sistemas móveis

Concebido para dispositivos móveis e incorporados compactos, o MIPI DSI oferece alta velocidade em apenas 4 pistas diferenciais. Adapta-se a painéis Android modernos, tablets e ecrãs tácteis médicos. Mas exige precisão: pistas de comprimento correspondente, suporte de driver e firmware SoC compatível. A recompensa? Painéis elegantes, finos e de baixo consumo de energia com taxas de atualização rápidas e ampla largura de banda. MIPI DSI (Interface de série do ecrã) é a interface de ecrã interno mais comum em smartphones, tablets e algumas placas Linux incorporadas.

Transmite dados de imagem a velocidades gigabit utilizando pares diferenciais de baixo número de pinos. Suporta dois modos:

• LP (Baixa potência) - para comandos
• HS (Alta velocidade) - para dados de vídeo

Destaques técnicos

• Faixas de dados: 1-4 (ou 8 em canal duplo)
• Velocidade: 1-6 Gbps total
• Controlador: Frequentemente parte do SoC (por exemplo, RK3568, iMX8M)
• Tempo: Alinhamento rigoroso da faixa de rodagem, sequência de comandos DCS

Casos de utilização

• Dispositivos Android/Linux incorporados
• Ecrãs inteligentes e ferramentas médicas portáteis
• Painéis de instrumentos para automóveis

Desafios

• Requer SoC compatível
• Complexidade de depuração (necessita de um analisador lógico ou de um chip de ponte DSI)
• Muitas vezes emparelhado com I²C ou SPI para introdução tátil

eDP - DisplayPort incorporado para sistemas x86

O eDP é essencialmente o irmão mais velho do LVDS - concebido para computadores portáteis e PCs de painel. Suporta resoluções elevadas (até 4K+), utiliza sinalização diferencial, inclui funcionalidades de hot-plug e de atualização automática e destina-se a plataformas Linux x86 e ARM. É mais caro e requer uma disposição cuidadosa da placa, mas se estiver a construir PCs topo de gama ou industriais, o eDP é uma boa escolha. eDP (DisplayPort incorporado) é comum nos computadores portáteis modernos e nos PCs industriais de topo de gama.

Baseado no DisplayPort, o eDP foi concebido para ligações internas do painel e apoios:

• Resoluções mais elevadas (2K-4K)
• Baixa EMI
• Toque, retroiluminação e controlo através de um único cabo

Parâmetros técnicos

• Taxas de ligação: HBR (1,62 Gbps) a HBR3 (8,1 Gbps)
• Canal auxiliar para comando e configuração
• Painel de auto-atualização (PSR) para poupança de energia

HDMI - Plug-and-Play para ecrãs multimédia

HDMI (Interface Multimédia de Alta Definição) é a interface mais utilizada na eletrónica de consumo e nos kits de desenvolvimento. Transmite vídeo e áudio através de um único cabo.

• Largura de banda: Até 18 Gbps (HDMI 2.0), 48 Gbps (HDMI 2.1)
• Tipos de conectores: Tamanho normal (A), Mini, Micro
• Dispositivos comuns: Raspberry Pi, caixas Android, SBCs

Prós:

• Fácil de ligar e amplamente suportado
• Transmite áudio e vídeo em simultâneo
• Perfeito para configurações de ecrãs externos plug-and-play

Contras:

• Maior consumo de energia
• Requer frequentemente um conversor (chip de ponte) para ligar a LCDs internos (LVDS, MIPI)

DisplayPort - Interface profissional de alta resolução

DisplayPort (DP) é uma interface de ecrã de nível profissional que suporta resoluções e taxas de atualização mais elevadas do que o HDMI.

• Largura de banda: Até 32,4 Gbps (HBR3)
• Caraterísticas: Transporte de múltiplos fluxos (MST) para ligação em cadeia de ecrãs
• Casos de utilização: Estações de trabalho CAD, monitores médicos, sistemas com vários ecrãs

Prós:

• Suporta resoluções 4K, 5K e 8K
• Melhor para aplicações de alta taxa de atualização ou de cor crítica
• Compatível com adaptadores para HDMI ou DVI

Contras:

• Menos comum em placas incorporadas
• Requer um controlador ou SoC compatível

USB-C com modo Display Alt - O conetor tudo-em-um

O USB-C pode transportar vídeo (Modo DisplayPort Alt), dados USB normais e alimentação - tudo num único conetor reversível. É fantástico para monitores portáteis ou sistemas integrados. Mas ambos os dispositivos têm de suportar o modo Alt e o design requer regras de alimentação, integridade do sinal e conformidade com as especificações USB. No entanto, se for bem feito, é o padrão de ouro para simplicidade e usabilidade. USB-C tornou-se rapidamente a norma para os dispositivos modernos, capaz de transportar dados, vídeo e energia num único conetor reversível.

• Apoios: USB 3.1/3.2, Modo Alt DisplayPort, Fornecimento de energia (PD)
• Largura de banda: Até 40 Gbps (USB4 / Thunderbolt 4)
• Aplicações: Monitores portáteis, estações de ancoragem USB, computadores portáteis

Prós:

• Transporta vídeo, energia e dados através de um único cabo
• Suporta um carregamento até 100W
• Compacto e reversível

Contras:

• A compatibilidade do modo Alt deve ser suportada pelo anfitrião e pelo ecrã
• A qualidade dos cabos e acessórios varia - a certificação é importante

Como identificar rapidamente uma interface LCD

Ser capaz de identificar o tipo de interface LCD com que se está a trabalhar é fundamental para a integração e a depuração.

Pistas físicas

Escolher a interface certa para o seu projeto

A correspondência da interface certa para o seu projeto depende do tamanho, desempenho, recursos MCU/SBC e ambiente.

Tabela de comparação de interfaces LCD