TFT LCDディスプレイのRGBインターフェース：パラレルRGBの仕組みと使用時期

もしTFT LCDモジュールの仕様を閲覧したことがあれば、「RGBインターフェース」が電気インターフェースとして記載されているのを見たことがあるでしょう。それは3.5インチから7.0インチの範囲で最も一般的なディスプレイインターフェースの一つですが、多くのエンジニアはホストシステムから実際に何が必要かでつまずいてしまいます。SPIやMCUインターフェースとは異なり、RGBインターフェースはディスプレイ側にフレームバッファを持っていません。その単一の違いがすべてを形作ります：どのMCUまたはMPUが必要か、PCBをどのように配線するか、そして設計がそもそも機能するかどうかです。

この記事では、RGBインターフェースが実際に何であるか、その信号がどのように機能するか、MCUおよびLVDSインターフェースとどのように比較されるか、そしてどのCDTECH TFTモジュールが並列RGBで利用可能かを説明します。最後には、RGBインターフェースがあなたの設計に適しているか、またはLVDSを検討すべきかを知ることができるでしょう。

RGBインターフェースとは何か？ ディスプレイデータへの並列アプローチ

RGBインターフェースは、時には並列RGB、TTL RGB、またはDPI（ディスプレイ並列インターフェース）と呼ばれるデジタルディスプレイインターフェースで、並列データラインを介してピクセルの色データを送信します。標準の24ビット構成では、赤に8ライン、緑に8ライン、青に8ライン、合計24本のデータラインに加えて、少なくとも4つの同期信号：HSYNC、VSYNC、DE（データイネーブル）、およびPCLK（ピクセルクロック）が必要です。

RGBとMCUやSPIのようなインターフェースを分ける重要な違いは、RGBディスプレイには内部フレームバッファやGRAMがないことです。ディスプレイは単一のピクセルを記憶しません。あなた、あるいはあなたのホストプロセッサは、パネルが期待するリフレッシュレートで、連続的にすべてのフレームのすべてのピクセルを送信しなければなりません。データの送信を停止すると、画面は真っ暗になったり、最後に受信した行でフリーズします。これはCRTモニターのようなものです：ホストはビデオストリームを生成する責任があり、パネルはリアルタイムで到着したものを単に表示します。

対照的に、MCUとSPIインターフェースは、ディスプレイドライバIC内のGRAMにコマンドとピクセルデータを送信します。ディスプレイコントローラは内部でパネルのリフレッシュを処理します。つまり、変更されたピクセルのみを更新し、残りはそのままにしておくことができます。これはMCUにとっては簡単ですが、フルスクリーンアニメーションやビデオには非常に遅くなります。RGBインターフェースは、MCUのオーバーヘッドを生の帯域幅に交換します：60Hzで全フレームを楽々とプッシュできますが、ホストプロセッサはリアルタイムのビデオ信号を生成できる必要があります。

RGBインターフェース信号ライン：HSYNC、VSYNC、DE、PCLK

すべての並列RGBインターフェースは、共通のタイミングおよびデータ信号のセットに依存しています。これらを理解することは、ボードの立ち上げ中のデバッグにとって重要です。なぜなら、1つの設定ミスが空白の画面を見つめることになるからです。

データライン (R[7:0], G[7:0], B[7:0]): これらはピクセルの色値を運びます。フル24ビット構成ではすべての24ラインを使用し、1670万色を表示できます。多くの設計では、ビット深度を下げることでピン数を減らします。

• RGB888 (24ビット): 色チャネルごとに8ビット、1670万色。すべての24データラインを使用します。
• RGB666 (18ビット): 色チャネルごとに6ビット、26万2千色。18データラインを使用します。各チャネルの下位2ビットはGNDに接続するか、フローティングのままにできます。
• RGB565 (16ビット): 赤に5ビット、緑に6ビット、青に5ビット、6万5千色。16データラインを使用します。ピン数が厳しい組み込みシステムで非常に一般的です。

PCLK (ピクセルクロック): このクロックの立ち上がりまたは立ち下がりのエッジごとに1ピクセルのデータが転送されます。必要なPCLK周波数は次のように計算されます: PCLK = 総水平方向ピクセル x 総垂直ライン x リフレッシュレート。800 x 480のディスプレイで60Hzのブランキングを考慮すると、約25〜33MHzが必要であり、ほとんどの組み込みMPUの能力内です。

HSYNC (水平同期): 各ラインの終わりを示します。ラインの最後のピクセルの後、コントローラーはHSYNCパルスを発行し、ディスプレイは次のラインの準備のために列ポインタを左端にリセットします。

VSYNC (垂直同期): 各フレームの終わりを示します。フレームの最後の行の後、コントローラーはVSYNCパルスを発行し、ディスプレイは行ポインターを上部にリセットします。

DE（データイネーブル）： 一部のパネルは、HSYNC/VSYNCの代わりに、またはその追加としてDEモードを使用します。DEはアクティブピクセル領域中はアクティブハイで、ブランキング間隔中はローレベルです。多くの組み込み設計は、タイミングコントローラーの構成を簡素化するため、DEモードを好みます。

RGB対MCU対LVDS：どのインターフェースがあなたの設計に適していますか

RGB、MCU、およびLVDSの選択は、ディスプレイのサイズ、ボードとパネルの間の距離、ホストプロセッサの能力、および製品のEMIマージンの4つの要因に依存します。以下は実用的な比較です：

これを考えるためのより簡単な方法があります。ディスプレイが4.3インチ未満でGUIが基本的な場合、MCUがしばしば十分であり、設計も容易です。3.5インチから7.0インチの範囲にいる場合、スムーズな60Hzアニメーションが必要で、プロセッサにLCDコントローラがある場合、RGBインターフェースが実用的な選択です：それは高速で、直接的で、組み込みエコシステムによってよくサポートされています。ディスプレイが7インチ以上、ケーブルランが20cm以上、または車両や医療製品のEMC認証を通過する必要がある場合は、LVDSを使用してください。LVDSの差動信号は、長距離での並列RGBで実際の頭痛の種となるノイズ問題を解決します。

CDTECH RGBインターフェースTFT LCDモジュールのサイズ別

CDTECHでは、私が働いているチームが、コンパクトな2.9インチのバータイプディスプレイから10.1インチのパネルまで、RGBインターフェースを持つ幅広いTFT LCDモジュールを提供しています。すべてのモデルはIPSまたはTN技術で、標準または産業用温度グレードです。こちらが全ラインナップです：

テーブルを移動する際、RGBインターフェースのスイートスポットは3.5インチから7.0インチの範囲であることに注意してください。7.0インチを超えると、ほとんどの製品はLVDSに移行し、S080QSV26EAとS101QWS68HDのみがRGBに留まります。これは意図的です：ピン数と信号の整合性のため、高解像度では並列RGBの管理が難しくなります。

RGBインターフェースのための実用的な設計考慮事項

PCBレイアウトと信号の整合性

25MHzから33MHzで同時に切り替わる24本のデータラインは、放射エミッションの原因となります。いくつかのレイアウト習慣は、最初の試験でEMCテストに失敗するのを防ぐでしょう：

• RGBトレースの長さを一致させてください。特に、PCLKに対するデータラインの長さを揃えることが重要です。クロックとデータの間に1〜2ns以上のずれがあると、パネル端でサンプリングエラーが発生する可能性があります。
• RGBトレースの下に固体のグラウンドプレーンを使用してください。プレーンの分割部分やスイッチング電源の近くを通過させないでください。
• オーバーシュートとリングを減少させるために、各データラインのソース端にシリーズ終端抵抗（22〜33オーム）を追加してください。
• パネルがリボンケーブルを介して接続された別のボードにある場合、データラインのグループ間にグラウンドワイヤを交互に配置してください。例えば、GND-R7-R6-R5-R4-GND-R3-R2-R1-R0-GNDのようにして、クロストークを最小限に抑えます。

ケーブル長の制限

標準のFFCまたはFPCケーブルを使用した並列RGBの実用的な制限は約15〜20cmです。それを超えると、クロックとデータラインの間のずれが制御不能になり、ケーブルがアンテナのように動作し始めます。機械設計が長い配線を強いる場合は、RGBを無理に使用しないでください。 LVDS差動信号がメートル単位のケーブルをはるかに少ないEMIで簡単に処理できる、

に切り替えてください。

リフレッシュレートの計算

PCLKが十分に速いことを確認するために、この式を使用してください：

H_totalは、アクティブな水平ピクセルに水平バックポーチ、フロントポーチ、同期幅を加えたものです。標準のブランキング間隔を持つ60Hzの800 x 480パネルの場合、H_totalは約1056、V_totalは約525です。これは約33.3 MHzに相当します。LCDコントローラーが25 MHzで上限に達する場合、50 Hzに下げるか、より小さいブランキング間隔を持つパネルを選択する必要があります。

電源シーケンシング

RGBディスプレイモジュールは通常、ロジック用（VCC、通常は3.3V）とバックライト用（VLED、LEDストリング構成に応じて9Vから20Vの範囲）のために別々の電源レールを持っています。正しい順序で電源を入れます：最初にVCC、その後RGB信号（ハイZまたは有効なデータで駆動可能）、最後にバックライトです。正しくシーケンスしないと、起動時に白いフラッシュが発生したり、極端な場合にはドライバーICにラッチアップ損傷を引き起こす可能性があります。

RGBからLVDSに移行するタイミング

RGBインターフェースを正常に使用しており、製品が機能している場合、変更する理由はありません。しかし、並列RGBを使いこなせなくなったサインがいくつかあります。LVDSを検討し始めるべきです：

• 解像度の目標が1024×600を超えている。60Hzでの1280×800のPCLKは70 MHzを超え、並列TTL信号は慎重な終端と均等化なしでは見栄えが悪くなります。
• ボードとディスプレイの間のケーブルが20 cmを超えています。LVDSはまさにこの問題のために設計されました。
• EMCの事前適合性を通過しており、RGBバスが最も大きな放射源です。LVDSに切り替えることで、他の変更なしに放射エミッションを10〜15 dB削減できます。
• プロセッサに28の余分なGPIOがなく、ピンマルチプレクサが悪夢になっています。4線LVDSリンク（1つのクロックペア + 3つのデータペアでシングルリンク）は、多くのピンを解放します。

S070SWV169EDのような一部のCDTECHモジュールは、同じパネルでRGBとLVDSの両方をサポートしており、クリーンな移行パスを提供します：LVDSで1つのボードを設計し、開発中はRGBモードで同じパネルを使用し、製造時にLVDSに切り替えます。