《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PXA270的電子紙顯示系統(tǒng)
摘要: 本文分析了電子紙顯示原理以及電子紙顯示的優(yōu)點,提出一種全新的電子紙顯示系統(tǒng)解決方案。采用基于XScale架構(gòu)處理器PXA270的電子紙顯示系統(tǒng),是一種高性能的完善的電子紙系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)了利用微膠囊電泳技術(shù)的電子紙的4級灰度顯示、回顯及局部顯示,實現(xiàn)了電子紙驅(qū)動的模塊化設(shè)計,系統(tǒng)即使在低功耗的情況下也能實現(xiàn)高亮度及優(yōu)越的可讀性。
Abstract:
Key words :

  引言

  電子紙,也可稱為“象紙一樣薄、可擦寫的顯示器”,是專門用于閱讀的電子裝置,其對比度較高、文字清晰、支持屏幕手寫、耗電量極小,并且能夠輕輕彎曲,也被業(yè)內(nèi)人士稱作“電子紙手寫平板電腦”。目前擁有電子紙技術(shù)的公司主要有E-ink、東芝、摩托羅拉、IBM等。

  XScale處理器采用ARM V5TE結(jié)構(gòu),是Strong ARM的升級換代產(chǎn)品。PXA270處理器最高主頻可達624MHz,提供了業(yè)界領(lǐng)先的多媒體性能,加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep等新技術(shù),以其高性能、低功耗、豐富的外設(shè)集成以及第二代內(nèi)存堆棧技術(shù)等特點在高端移動設(shè)備、信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

  本文提出了一種全新的電子紙顯示系統(tǒng)解決方案,使系統(tǒng)反應(yīng)速度更快,系統(tǒng)擴展性更強,易于移植先進的嵌入式操作系統(tǒng),克服了電子紙存在的灰度顯示不明顯的特點,采用6寸4級灰度顯示,使顯示更加逼真,閱讀效果和舒適程度跟傳統(tǒng)的打印紙完全一樣。

  電子紙顯示原理

  電子紙的研究方向主要從兩個方面進行,一是把顯示器做得像紙一樣的東西即“液晶方式”或“電泳方式”的電子顯示屏,另一種是把紙做得像顯示器那樣可改換內(nèi)容的東西即“可重寫紙” 。目前電子紙終端均是采用“液晶方式”或“電泳方式”的電子顯示屏構(gòu)成的。

  電子紙與普通TFT屏的顯著區(qū)別主要表現(xiàn)在以下三點:(1)TFT屏顯示設(shè)備需要不斷刷新以維持顯示信息,而電子紙則是不需要動態(tài)刷新,維持顯示時無須消耗能量因此耗電量極低;(2)電子紙厚度薄、重量輕,與液晶顯示技術(shù)一樣,均屬于超薄顯示器技術(shù)之一;而TFT顯示屏厚度及重量均比電子紙大;(3)電子紙視角很大(E-ink公司的電子紙技術(shù)視角可達到170o),靠反射環(huán)境光工作,底色是非常地道的紙白,能在強陽光下舒服地閱讀,對比度較高,所以文字清晰。

  以領(lǐng)先于其它公司達到商業(yè)生產(chǎn)水平的美國E-Ink公司技術(shù)為例,對“電子紙”技術(shù)作進一步的解釋。

  如圖1 所示為電子墨水微膠囊的剖面圖,是利用在電壓下能夠改變黑白狀態(tài)的微膠囊來實現(xiàn)圖像顯示的。圓圈表示組成電子墨水的透明顆粒,稱為微膠囊,其直徑只有人的頭發(fā)絲的一半大小。電子油墨薄膜的頂部是一層透明材料,作為電極端使用;底部是電子油墨的另一個電極,微膠囊夾在這兩個電極間。微膠囊受負電場作用時,白色顆粒帶正電荷而移動到微膠囊頂部,相應(yīng)位置顯示為白色;黑色顆粒由于帶負電荷而在電場力作用下到達微膠囊底部,使用者不能看到黑色。如果電場的作用方向相反,則顯示效果也相反,即黑色顯示,白色隱藏??梢?,只要改變電場作用方向就能在顯示黑色和白色間切換,白色部位對應(yīng)于紙張的未著墨部分,而黑色則對應(yīng)著紙張上的印刷圖文部分。其特點是在反差、明亮度視覺等方面較理想,耗電低,重量輕而容易使其薄型化,形狀自由等。另外,E-Ink公司的電子紙產(chǎn)品利用帶電色粉的電泳現(xiàn)象,通過加大色粉的密集度來提高黑白反差。

電子墨水微膠囊剖面圖

圖1  電子墨水微膠囊剖面圖

  電子紙顯示系統(tǒng)設(shè)計

  我們設(shè)計的電子紙顯示系統(tǒng),是采用一種全新的處理器方案驅(qū)動電子紙顯示,該系統(tǒng)的硬件是由核心處理器部分和電子紙驅(qū)動部分組成,整個系統(tǒng)基于 Marvel的XScale架構(gòu)處理器PXA270,采用PXA270的GPIO控制電子紙驅(qū)動部分的控制及數(shù)據(jù)接口。PXA270部分主要責(zé)任是整合整個系統(tǒng),將電子紙驅(qū)動部分作為其整個系統(tǒng)的一個部件,生成驅(qū)動模塊,在系統(tǒng)啟動初始化過程中就加載此驅(qū)動模塊,應(yīng)用層通過命令接口調(diào)用此模塊實現(xiàn)畫面顯示。

  核心處理器PXA270的設(shè)計

  處理器部分的硬件構(gòu)成如圖2所示,是由嵌入式處理器XScale PXA270(主頻520MHz)、SDRAM(64Mbyte,由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H組成32位接口)、 FLASH(32Mbyte Nor-Flash,由2片Intel E28F128J3A組成32位接口)、電源管理部分(采用MAX1586CETM,Maxim的PMIC)及晶振復(fù)位邏輯電路等Marvell的嵌入式處理器PXA270,其核心是采用XScale架構(gòu),擁有高性能、低功耗的多媒體加速能力,能夠很好的支持MPEG4和MP3解碼;通過結(jié)合Quick Capture技術(shù),它可以支持高達400萬像素的攝像頭;它內(nèi)建256K字節(jié)的SRAM,支持英特爾StrataFlash內(nèi)存;SpeedStep省電技術(shù);支持Baseband接口、USB on-the-go(OTG)。

XScale PXA270硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2  XScale PXA270硬件結(jié)構(gòu)圖

   SDRAM部分由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H組成32位接口,作為系統(tǒng)動態(tài)存儲器。HY57V561620FTP-H是4 Banks X 4M X 16Bit Synchronous DRAM,故采用數(shù)據(jù)線MD<31:0>、地址線MD<24:10>、SDRAM數(shù)據(jù)屏蔽線DQM<3:0>、片選信號nSDCS0、SDRAM行地址使能nSDRAS、SDRAM列地址使能nSDCAS、寫使能nWE、SDRAM時鐘信號SDCLK1、SDRAM時鐘使能SDCKE等。

  Nor Flash靜態(tài)存儲部分采用2片16M容量的Nor Flash E28F320J3A-110構(gòu)成,主要存儲啟動引導(dǎo)bootloader、操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序。采用數(shù)據(jù)線MD<31:0>、地址線MD<24:2>、片選信號nCS0、寫使能nWE、讀使能nOE,RP#引腳(RESET/POWER-DOWN)接PXA270的 nRESET_OUT引腳等。

  PXA270的電源管理部分比較復(fù)雜,所需要的電壓值比較多,本系統(tǒng)設(shè)計采用MAXIM公司的 MAX1586CETM電源管理芯片,其是一款高效、低IQ、具有動態(tài)內(nèi)核的電源管理IC(PMIC),針對XScale處理器進行了優(yōu)化的電源管理 IC,尤其適用于XScale微處理器設(shè)備,包括第三代智能手機、PDA、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其他需要超強計算和多媒體處理能力的低功耗移動設(shè)備。 MAX1586CETM芯片采用+5V電壓輸入,集成了7路高性能、低工作電流的電源以及監(jiān)測和動態(tài)電壓管理功能。穩(wěn)壓器輸出包括3個降壓型DC-DC輸出、3個線性穩(wěn)壓器和一個常開電源輸出。DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出可為I/O、DRAM、CPU內(nèi)核供電。I/O電源預(yù)置為3.3V,DRAM電源預(yù)置為 2.5V,可通過外部電阻進行調(diào)節(jié)。CPU內(nèi)核電源可通過串口編程,可輸出0.9A電流。線性穩(wěn)壓輸出為SRAM、PLL、USIM供電。

  PXA270的上電復(fù)位過程需要特定的時序,詳細可參照參考文獻1。

  電子紙驅(qū)動部分設(shè)計

  顯示控制器Apollo芯片是NXP公司開發(fā)的一種TFT(thin film transistor,薄膜晶體管)主動矩陣(active matrix)電泳(Electrophoretic)顯示的顯示控制器,是電泳顯示參考系統(tǒng)電子設(shè)計的一部分。Apollo芯片適合800 X 600像素,支持1-bit和2-bit顯示。屏幕高寬比(aspect ratio)為4:3,同時驅(qū)動源極驅(qū)動(source driver)和柵極驅(qū)動(gate driver);支持握手協(xié)議的8位并行雙向異步數(shù)據(jù)總線接口,主接口最大通信速率是10Mbytes/s。

  外部SRAM存儲器存儲顯示數(shù)據(jù),查詢外部查詢表(Look-Up-Table)組成需要顯示的波形產(chǎn)生顯示的圖片,查詢表存儲在外部flash ROM存儲器中。該芯片的主要特點還包括:使用雙時鐘頻率降低功耗(33MHz和70kHz)、兩種低功耗模式(Sleep和Standby)、內(nèi)嵌方向旋轉(zhuǎn)緩沖器、黑色和白色或者4級灰度模式、支持兩頂點表示的矩形區(qū)域的局部寫操作、溫度傳感器使用I2C主接口。電子紙驅(qū)動部分的硬件組成如圖3所示。

電子紙驅(qū)動部分硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 電子紙驅(qū)動部分硬件結(jié)構(gòu)圖

  APOLLO驅(qū)動電子紙顯示的操作流程如圖4所示。電子紙的顯示依據(jù)是要顯示的圖片與當(dāng)前顯示圖片相比較,得出其差值,再根據(jù)當(dāng)前溫度查詢對應(yīng)的數(shù)據(jù)表格,依相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動。因此在上電后需對電子紙進行顯示初始化,這樣后續(xù)的圖片顯示就有較好的基準值。顯示初始化后RAM1數(shù)據(jù)全置為1,第一幅圖片數(shù)據(jù)存于RAM2,顯示第一幅圖片時將RAM2與RAM1進行比對,查表顯示輸出;第二幅圖片數(shù)據(jù)存于RAM1,顯示第二幅圖片時將RAM1與RAM2(存儲當(dāng)前圖片)進行比對,查表顯示輸出,RAM1即存儲當(dāng)前圖片;下一幅要顯示的圖片存儲于RAM2中,依次類推,循環(huán)執(zhí)行即可輸出要顯示的畫面。

 APOLLO芯片驅(qū)動電子紙顯示流程

圖4 APOLLO芯片驅(qū)動電子紙顯示流程

  電子紙顯示的顯著特點之一是其省電模式,當(dāng)其顯示一幅畫面后,由于電子紙的特殊技術(shù)因素,此幅畫面在無供電或不刷新的情況下可長時間保持。 APOLLO芯片驅(qū)動部分也同樣具有兩種省電模式:Sleep和Standby,能夠很好的實現(xiàn)低功耗的工作方式。Sleep模式使用低時鐘 (70kHz),能夠接收主CPU的指令;Standby模式不使用時鐘,利用主CPU的喚醒信號使APOLLO恢復(fù)有效。這兩種模式與Normal模式的轉(zhuǎn)換如圖5所示。

APOLLO工作模式轉(zhuǎn)換圖

圖5 APOLLO工作模式轉(zhuǎn)換圖

   系統(tǒng)軟件設(shè)計

  嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序。本系統(tǒng)設(shè)計了操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序,應(yīng)用程序的開發(fā)需根據(jù)實際系統(tǒng)需求設(shè)計。PXA270 的開發(fā)平臺選擇Linux嵌入操作系統(tǒng),采用linux2.6.9內(nèi)核,編譯工具包選用cross-3.3.2.tar.bz2,編譯工具選用arm- linux-gcc。系統(tǒng)工作的執(zhí)行過程為:首先通過供電單元提供的電源進行系統(tǒng)上電,接著啟動Bootloader,然后開始加載嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核,接下來進行外設(shè)模塊的初始化進程。將電子紙驅(qū)動顯示部分作為外設(shè)模塊加載,加載成功后即可運行用戶應(yīng)用程序。

 

  實際的顯示效果圖截圖如圖6及圖7所示,圖6為4級灰度顯示,圖7增加局部顯示功能顯示。

4級灰度顯示

圖6  4級灰度顯示

增加局部顯示功能顯示

圖7  增加局部顯示功能顯示

  結(jié)語

  本系統(tǒng)實現(xiàn)了一種全新的電子紙顯示系統(tǒng),選用XScale架構(gòu)處理器PXA270作為整個系統(tǒng)的核心處理器,具有功耗低、擴展性強、系統(tǒng)融合難度低等優(yōu)點。系統(tǒng)實現(xiàn)了E-ink電子紙4級灰度顯示、回顯及局部顯示,實現(xiàn)了電子紙驅(qū)動的模塊化,易于被嵌入式操作系統(tǒng)調(diào)用。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴充音頻、MMC card、Bluetooth、USB、觸摸屏、WLAN等技術(shù)即可實現(xiàn)高性能的手持式電子紙終端。隨著技術(shù)的不斷完善,電子紙技術(shù)會突破目前黑白灰階的顯示模式,彩色電子紙也將隨之出現(xiàn),這樣能夠突破教材的限制,真正實現(xiàn)無紙化辦公,完全改變我們現(xiàn)在的閱讀習(xí)慣。

  參考文獻:

  1.Intel Company. Intel PXA270 Processor, Electrical, Mechanical, and Thermal Specification[M].2005

  2.Intel Company. Intel PXA270 Processor Family Developer’s Manual[M]. 2004

  3.李路海、何君勇、張淑芬等,微膠囊制作技術(shù)及其在電子紙中的應(yīng)用,儀器儀表學(xué)報,2004,35(4):407-409

  4.段曉霞、徐征、滕楓等,基于電泳技術(shù)的電子紙研究進展,液晶與顯示,2004,19(5):380-385

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