Low Power LCD-Ansteuerung

Daniel Fuhr - Fotoli

Während Fernbedienungen ab etwa den 1970er Jahrenzu den ersten Handheldgeräten gezählt werden können, die meist nur sehr wenige Tasten zur Steuerung grundlegender Funktionen hatten,bieten moderne Geräte einen fast unüberschaubaren Funktionsumfang, beispielsweise als Messgeräte, als Fernbedienungen, in der Medizintechnik und in vielen anderen Bereichen unseres täglichen Lebens. Da für die Bedienung der immer größer werdenden Zahl an Funktionen das reine Erhöhen der Zahl der Stellelemente wie Tastern nicht mehr umsetzbaristkommt zunehmend eine softwaregestützte Menüstruktur zum Einsatz. Für die Benutzerführung wurden lange Zeit Segment- oder Punktmatrixanzeigen verwendet, die aber meist nur sehr eingeschränkt graphikfähig sind.

In der letzten Zeit kommen als Anzeige daher vermehrt hochauflösende Graphikanzeigen mit großem Farbumfang zum Einsatz. Dadurch werden auch neue Möglichkeiten, wie eine rein graphische Bedienerführung oder eine umfassendere Darstellung von Messergebnissen und deren zeitlichem Verlauf,eröffnet.

Systemanforderungen

Bild 1: Einflussfaktoren auf den Stromverbrauch von LCD-Displays.Helbling

Für Handheldgeräte ergeben sich gegenüber stationären Systemen besondere Anforderungen aufgrund des Einsatzzweckes. Das Hauptaugenmerk liegt dabei meist bei einer möglichst langen Batterielaufzeit. Dagegen steht in den meisten Fällen die Forderung, dass das Volumen und somit die Masse der verwendeten Batterien gering gehalten werden soll, um das Gerätegewicht oder die Gerätegröße zu minimieren. Aus diesen widersprüchlichen Anforderungen ergibt sich, dass der Energieverbrauch des Gerätes sehr gering gehalten werden muss um einen guten Kompromiss zu erreichen. Die folgende Übersicht zeigt die Einflussfaktoren und Einsparpotentiale, mit denen sich der Energieverbrauch von Handheldgeräten im Bereich der Graphikansteuerung optimieren lässt:

Systemaufbau

Bild 2: Blockschaltbild des Systemaufbaus.Helbling

Der Aufbau der Displayansteuerung ist in Bild 2 schematisch dargestellt. Die zentrale Komponente des Aufbaus stellt dabei der Mikrocontroller dar. Er erzeugt die erforderlichen Bilddaten und schreibt diese in Richtung des Displays sowie in den zusätzliche Speicherbaustein. Zudem werden hier die erforderlichen Steuersignale für die Ansteuerung des Displays erzeugt. Um den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten wird auf einen eigenständigen Graphiktreiber verzichtet. Dabei ist es eine Voraussetzung, dass der verwendete Mikrocontroller einen DMA-Controller besitzt, mit dem ein externer Speicher und das Display verwaltet werden können.

Damit nicht bei jedem Bilddurchlauf das komplette Bild vom Mikrocontroller zum Display geschrieben werden muss,wird dieses in einem zusätzlichen SRAM-Baustein zwischengespeichert. Ein bei gleichem Speichervolumen kostengünstigerer SDRAM-Bausteinkommt nicht zum Einsatz, da diese Bauteile höhere Betriebs- und Standby-Ströme benötigen, was dem Ziel einer möglichst leistungsoptimierten Schaltung entgegenspricht.In einem Schreibzyklus des Displays kann der Bildinhalt parallel in den SRAM geschrieben werden. In den folgenden Zyklen müssen nur noch die Adressdaten angelegt werden und das Display liest die Informationen direkt aus dem Speicher. Der Vorgang wird über die drei Steuerleitungen CS (Chip Select), WR (Write Enable) und RD (Read Enable) kontrolliert.

Für den Bildaufbau und den Wechsel von Bildinformationen ist der Speicherbereich des SRAM-Bausteins in zwei Hälften aufgeteilt, die Speicherverwaltung wird vom DMA-Controller, der über den Pixeltakt „DOTCLK“ synchronisiert ist, übernommen. Zunächst wird das Bild vom Mikrokontroller in eine der beiden Hälften, den sogenannten „Image Buffer“ geschrieben bzw. dort abgeändert. Für eine Bildaktualisierung auf dem Display wird innerhalb eines Bildaufbaus die Information aus dem „Image Buffer“ in die andere Speicherhälfte, den „Display Buffer“, kopiert. Während nun für die folgenden Bilddurchläufe die Information immer aus dem „Display Buffer“ auf dem Display ausgegeben wird kann wiederum parallel die Information im „Image Buffer aktualisiert werden.

Eine Bildänderungsgeschwindigkeit von 24…30 Bildern je Sekunde ist möglich, falls die Prozessorleistung und die Software angemessen schnell sind und die Speicherzugriffzeit sowie die der Pixeltakt abgestimmt sind. Für die Erzeugung der erforderlichen Steuersignale kommt eine sehr sparsame Logikschaltung zum Einsatz.

Auswahl des Mikrocontrollers

Berücksichtigt man die an das Gesamtsystem gestellten Anforderungen ergibt sich mit dem Renesas R5F56218 ein Mikrocontroller, der eine hohe Performance bei gleichzeitig geringen Leistungsaufnahmen bietet.
Die in diesem Zusammenhang für den gegebenen Anwendungsfall wichtigsten Spezifikationen sind:

• Technologie: 32 Bit
• Taktfrequenz: 50MHz
• Speicher:
• Flash: 512 kB
• RAM 96 kB
• Stromaufnahme:
• Normal Operation: typ. 26,5 mA @ 50 MHz
• Standby: 26 µA
• Memory Access DMA Controller

Desweiteren wird gefordert ein Interface nach USB 2.0 und ein A/D-Wandler mit 12 Bit.

Auswahl und Funktionsbeschreibung des Display

Bei der Auswahl des Displays sollte ebenfalls auf eine möglichst geringe Leistungsaufnahme geachtet werden. Hier eignen sich aufgrund der guten Wiedergabekontraste und der hohen Farbtiefe bevorzugt LCD.
Wesentliche Auswahlkriterien für das zu verwendende LCD sind:

• Strombedarf im Betrieb und im Standby

• Nutzung mit bereits im System verfügbaren Versorgungsspannungen, da zusätzliche Versorgungen den Gesamtwirkungsgrad senken

• Effiziente Hintergrundbeleuchtung

• Auswahl der für die Anwendung günstigsten Beleuchtungstechnologie. Hierzu tragen insbesondere Tageslicht-lesbare Displays bei, bei denen die Hintergrundbeleuchtung bei steigender Umgebungshelligkeit reduziert werden kann, da das einfallende Licht durch Reflektion zur Beleuchtung des Displays mitgenutzt wird.

Elektrophoretische Anzeigen (elektronisches Papier) haben zwar deutlich kleinere Leistungsbedarfe, ermöglichen derzeit aber noch keine Farbwiedergabe und sind im allgemeinen nur in großen Formaten als Serienprodukt erhältlich. Hier sind zwar auch kleine Anzeigen möglich, sie werden aber nur kundenspezifisch hergestellt und der Einsatz lohnt sich derzeit erst bei Herstellung großer Stückzahlen. Abhängig von der Anwendung kann diese Displaytechnologie jedoch zusätzliche Leistungseinsparungen ermöglichen. Mit OLED – Displays kann der Strombedarf gegenüber LCD gegebenenfalls weiter gesenkt werden. Die Leistungsaufnahme der OLED-Displays hängt jedoch stark von der Zahl der angesteuerten Pixel ab und kann durchaus zu höher liegen als bei einem low power LCD. Die jeweils optimale Display – Technologie ist daher jeweils abhängig vom konkreten Anwendungsfall zu ermitteln.

Auswahl des SRAM-Speichers

Der zusätzliche SRAM-Speicher ist nach folgenden Kriterien auszuwählen:

• Datenbusbreite > log2(Anzahl darzustellender Farben)

• Um die Datenbusbreite und damit den erforderlichen Speicher zu verkleinern ist es möglich die Zahl der darstellbaren Farben einzuschränken. So kann beispielsweise durch Beschränkung von 262.144 Farben (18 bit) auf 65.536 Farben (16 bit) die Baugröße und die Kosten für den benötigten SRAM reduziert werden.

• Gesamtspeicher >2 x 320 Pixel x 240 Pixel x Datenbusbreite

• Für die Darstellung von Bildern mit 65.536 Farben ist ein 4 MB Speicher erforderlich.

• Zugriffszeit: Um die Daten sicher aus dem Speicher auslesen zu können muss die Zugriffszeit deutlich unter der Periodendauer der Clockfrequenz liegen. Bei einer Clockfrequenz von ca. 6MHz ergibt sich eine Periodendauer von etwa 170ns weshalb die Zugriffszeit des Speichers etwa im Bereich 50ns – 60ns liegen sollte.

• Im Sinne der Optimierung sollten Speicher mit möglichst geringem Stromverbrauch gewählt werden wie zum Beispiel der AT25DF321A von Atmel.

Zusammenfassung

Die hier vorgestellte Ausführung dient als Beispielanwendung. Im Rahmen einer Entwicklung ist immer nach einer produktspezifischen, optimierten Anwendung zu suchen, um auch die darüber hinausgehenden individuellen Anforderungen berücksichtigen zu können. Hierzu zählen neben den Grundfunktionalitäten des Gerätes vor allem die Art und Größe des Displays wie auch die Form der darzustellenden Informationen.

Im Hinblick auf eine benutzerfreundliche, selbsterklärende Bedienung sollte der Einsatz eines Graphikdisplays bei modernen Handheldgeräten immer in Betracht gezogen werden.  

(sb)