LCD und OLED – Displays für Arduino unter der Lupe

Bei Displays handelt es sich um komplexe Bauteile, weshalb die Auswahl der richtigen Anzeige besonders wichtig ist. Anders als bei einer LED, die direkt über die PINs angesteuert wird, muss bei komplexeren Displays auf die Bauform, das unterstützte Protokoll oder den Controller geachtet werden. Zunächst sollten Sie sich für eine Anschluss- und Ansteuerungsart entscheiden: Wird kein Protokoll wie SPI oder I2C benutzt, dann muss der verwendete Controller kompatibel zu einem Arduino Board sein. Gängige Controller-Typen wie der ST7066U oder SPLC780 werden unterstützt, aber auch andere Controller können mit dem Board verbunden werden. Für das Verbinden – zum Beispiel eines monochromen LCD – werden dabei relativ komplexe Schaltungen benötigt.

Dieses Problem vereinfachen Displays, die mittels SPI oder I2C kommunizieren. Diese Protokolle reduzieren die Zahl benötigter Anschlusspins, indem sie neben der Stromversorgung lediglich zwei Anschlüsse zur eigentlichen Datenübertragung brauchen. Auch entsprechende Bibliotheken sind Teil der Arduino SDKs, sodass sie relativ einfach anzusprechen sind.

Im Bereich der Displays für Arduino gibt es verschiedene Typen, die sich zum Teil deutlich in Bauart und Flexibilität unterscheiden. Die beiden gängigsten Gruppen sind:

• LCD oder Liquid-Crystal-Display (farbig und monochrom)
• OLED-Displays die aus LEDs mit organischen Bestandteilen bestehen.

Auch innerhalb dieser Displaytypen gibt es wiederum Untertypen, deren Funktionsweisen sich zum Teil komplett verschiedener Prinzipien bedienen. Bei den Liquid-Crystal-Displays wird zwischen aktiven und passiven Displays unterschieden. Die wohl bekannteste aktive Technik ist die TFT-Bauart. Bei ihr ist eine auf MOSFET basierende Matrix von Transistoren mit den Flüssigkristallen verbunden, was die Ansteuerung von jedem einzelnen Pixel erlaubt. Bei passiven Displays werden die Pixel als Gesamtmatrix angesprochen. Für einen Bildwechsel muss ein Update des gesamten Bildspeichers vorgenommen werden. Solange halten sie ihren Ladungszustand. Allen LCDs ist gemeinsam, dass sie das Licht nicht selbst erzeugen, sondern mithilfe von Hintergrundbeleuchtung (als sogenannte LED-Backlit-LCDs) oder Reflexion.

Im Gegensatz dazu emittieren OLED-Displays das Licht an jedem Punkt selbst und werden ebenfalls direkt pro Pixel angesteuert. Dadurch, dass man sie komplett abschalten kann, haben sie eine bessere Schwarzdarstellung und insgesamt einen höheren Farbkontrast als ein LCD. Sie erreichen diese Vorteile durch die Kombination von LED-Technik mit einer Schicht organischen Materials in den Panels. Sie vereinen zahlreiche Vorteile:

• Bessere Bildqualität und Seitenstabilität
• Höhere Farbwiedergabetreue
• Schnellere Antwortzeiten
• Flexibles Material (bis hin zu aufrollbaren Displays)

Beide Displays gibt es jeweils in monochromen oder mehrfarbigen Versionen, die sich in Komplexität und Ansteuerung unterscheiden.

Beim Kauf eines Displays ist natürlich die erste Frage: Was soll dargestellt werden? Mit einem 10“-AMOLED-Display ist es durchaus möglich, hochaufgelöste Bilder in guter Farbwiedergabe abzubilden. Für die Ausgabe eines Temperaturfühlers reicht dagegen eine einfache LCD-Anzeige. Dazwischen liegt eine große Zahl von Displays, deren Größe bei 2“ beginnt. Ein OLED-Display dieser Größe kann durchaus schon komplexere Messwerte anzeigen und ist in der Lage, auch einfache grafische Elemente wie geometrische Objekte darzustellen. Die Pixelzahlen in dieser Größenordnung bewegen sich um 128x64, das Rendering erfolgt schnell und die Steuerung ist noch relativ unkompliziert. Je mehr Daten und Bild-Material angezeigt werden muss, umso eher werden die Displays mit eigenen Zusatzprozessoren für das Bildspeichermanagement, SD-Kartenslots und eigenen Bibliotheken für Fotohandhabung und Animationen ausgeliefert.

Eine wichtige Größe kann der Stromverbrauch sein, denn die Lichterzeugung kostet dauerhaft Strom. Hier schneiden passive Displays besser ab, bei denen lediglich der Bildwechsel Strom benötigt. Durch das Dimmen oder Abschalten der Hintergrundbeleuchtung können diese noch reduzierter betrieben werden.

Falls die Darstellung selten wechselt und quasi konstant über Stunden auch dasselbe Bild zeigen kann, sollte berücksichtigt werden, dass es bei OLED-Displays zu Burn-In-Effekten kommen kann. Das Bild brennt sich dabei in die Träger ein, im Fall der OLED-Technik durch verwendete Phosphor-Verbindungen in der organischen Schicht.

Von Smartphones ist man heutzutage gewohnt, dass das Display auch gleich zur Eingabe genutzt wird. Auch für Entwicklungskits wird diese Option immer beliebter. Deshalb wollen wir einen Blick auf die drei Haupttypen von Touchscreens:

• Optische Systeme
• Resistive Touchscreens
• Kapazitive Displays

Optische Systeme spielen quasi keine Rolle, wenn es um flache Displays geht. Sie sind den Fahrkartenautomaten und Außenanwendungen vorbehalten. Sie erfassen die Berührungen über ein Netz von Photodioden und messen dabei die Annäherung von Objekten an den Bildschirm.

Resistive Touchscreens

Lange Zeit gängig und auch für Tablets im Low-Cost-Bereich, Flugzeugentertainment und Infoterminals genutzt, sind resistive Touchscreens. Sie reagieren auf Oberflächendruck und messen dann die Position und gegebenenfalls auch die Druckstärke. Da sie aus mehreren Kunststoffflächen bestehen, reagieren sie typischerweise etwas träge und werden mit der Zeit auch ungenauer, da der physische Druck zu Abnutzung führt. Dafür können sie auch mit Handschuhen, Stiften und dem Fingernagel bedient werden.

Kapazitive Displays wiederum funktionieren auf der Grundlage von elektromagnetischen Feldern. Auf ihrer Oberfläche ist eine transparente Metalloxid-Schicht aufgebracht. Der menschliche Finger wiederum ist ein guter Leiter. Wenn er sich dem Arduino Touchscreen nähert oder ihn berührt, dann reagiert er. Durch die sich nähernden Felder kommt es zu einem geringen Ladungstransport. Der in den Ecken des Displays entstehende Strom macht es möglich, die Position des Fingers exakt zu bestimmen. Kapazitive Touchscreens sind widerstandsfähiger und weniger anfällig für Kratzer, weil sie mit einer Glasoberfläche arbeiten können, die oft noch speziell gehärtet wird. Außerdem sind kapazitive Touchscreens unempfindlich gegenüber zufälligen Berührungen. Darüber hinaus liegt ihre Stärke in der Erkennung von mehreren Fingern gleichzeitig (Multitouch) und komplexeren Gesten. Diese Technologie entwickelt sich schnell weiter und bietet mittlerweile auch hybride Formen, die sowohl auf Druck oder kapazitiv reagieren können.

Das Thema intelligenter oder smarter Haustechnik ist heutzutage sehr populär. Neben zahlreichen proprietären Systemen der Hersteller werden auch offene Entwicklungskits angeboten, die eine Integration mit der Hardware erlauben. Auf diese Weise können auch Microcomputer-Systeme wie Arduino zu Schaltstellen eines Smart Home erweitert werden. Ihre Funktion kann zum Beispiel darin bestehen, zusätzliche Sensoren anzubinden oder Daten aus dem Internet verfügbar zu machen, um die Markisensteuerung mit dem Regenradar zu verbinden. Bei einem solchen Aufbau ist die Verwendung eines – relativ großen – Touchscreens beinahe Pflicht. Zentral positioniert sollte es nicht nur die Daten anzeigen können, sondern auch die angeschlossenen Geräte konfigurieren. Ein kapazitiver Screen, der komfortabel zu bedienen ist, bietet sich hier an. Falls die Anwendung immer aktiv ist und sich die Informationen auf Statusscreens nicht häufig ändern, sollte man ein Display mit LCD-Technik in Betracht ziehen, um ein Einbrennen zu vermeiden.