由于電子紙節(jié)能、護(hù)眼、文字顯示效果優(yōu)于普通顯示器，使其越來越受到喜歡閱讀人士的青睞。本文針對電子紙顯示低功耗的需求，提出了LPC2148+GD6201E的硬件架構(gòu)，將?C/OS-II操作系統(tǒng)移植到基于ARM7處理器的LPC2148中，并在?C/OS-II操作系統(tǒng)移植電子紙驅(qū)動(dòng)控制程序。經(jīng)測試，操作系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功耗小，硬件成本低。本文提出的電子紙顯示系統(tǒng)方案對今后國內(nèi)電子紙驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步研究及產(chǎn)業(yè)化有著積極地意義。

【關(guān)鍵詞】電子紙 GD6201E 電子墨水 嵌入式系統(tǒng) 低功耗

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對紙張需求量的增長與人們對節(jié)能環(huán)保的意識產(chǎn)生了矛盾，因此尋求一種替代紙張的可持續(xù)發(fā)展方案迫在眉睫。電子紙E-paper，也叫數(shù)碼紙，是一類技術(shù)的統(tǒng)稱。電子紙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輕便、護(hù)眼、超低功耗的反射式顯示，其節(jié)能環(huán)保的幾乎類似于紙張顯示效果的特性尤其受到人們的追捧。因此本文以電泳顯示技術(shù)（EPD）電子紙為主要研究對象，研究基于LPC2148和GD6201E的電子紙顯示驅(qū)動(dòng)接口。

1 電子紙顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電子紙底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電子紙顯示系統(tǒng)低功耗的需求，本文采用嵌入式系統(tǒng)，其以應(yīng)用為中心，具有軟硬件可裁剪的特性，電子紙顯示屏采用E-ink公司生產(chǎn)的ED060SC4，電子紙顯示屏ED060SC4通過39pin的接口提供電源和特定的控制時(shí)序，用于控制集成于顯示屏內(nèi)部的柵極和源極驅(qū)動(dòng)芯片，對于電子紙柵極驅(qū)動(dòng)電壓，分別為GVDD +22V和GVEE -20V，為節(jié)約電子紙顯示系統(tǒng)硬件成本，設(shè)計(jì)采用了自舉升壓電路，放棄專用芯片，將±15V電壓分別轉(zhuǎn)換為+22V和-20V，實(shí)現(xiàn)電子紙低功耗顯示。

柵極驅(qū)動(dòng)集成有兩片LH1692芯片，每個(gè)LH1692可以驅(qū)動(dòng)300行，如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)將LH1692的MODE1和MODE2置1，使芯片工作于單脈沖掃描模式，即正常模式；CKV為行掃描驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘信號，實(shí)現(xiàn)從第1行到第300行的掃描驅(qū)動(dòng)信號控制。

源極驅(qū)動(dòng)集成MX860芯片，提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓，MX860為8位數(shù)據(jù)總線輸入，并將8位的數(shù)據(jù)拆分為4組的2bit數(shù)據(jù)，每個(gè)2bit數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)。MX860內(nèi)部框圖如圖2所示。因?yàn)槊總€(gè)移位時(shí)鐘的8bit數(shù)據(jù)D[7..0]包含連續(xù)的4個(gè)像素點(diǎn)的信息，200個(gè)CL時(shí)鐘就包含800個(gè)像素點(diǎn)的信息，所以將CL時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)為20MHz；LE進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，OE使能移位輸出。

需要注意的是，在LH1692和MX860中存在多種電壓，在高壓驅(qū)動(dòng)上電之前，如果邏輯系統(tǒng)的電壓處于懸浮狀態(tài)的話，有可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)IC損壞，所以多種電壓上電時(shí)序必須嚴(yán)格按照圖3所示。

1.2 GD6201E驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本文采用GD6201E電子紙專用控制芯片，支持16個(gè)區(qū)域的局部擦寫，實(shí)現(xiàn)更好的用戶交互接口和觸摸屏體驗(yàn)；芯片支持32灰度等級顯示，并提供多種顯示功能來準(zhǔn)確的控制電子紙顯示，減少CPU的運(yùn)算時(shí)間，其硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

核心板控制器接口（Host），用于和ARM核心板相接，實(shí)現(xiàn)CPU對GD6201E的控制。電子紙顯示的圖文數(shù)據(jù)緩存于同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM，SDRAM可以使用16bit或32bit的，但16bit的SDRAM就可以滿足本文顯示系統(tǒng)需求。顯示需要的命令文件（Instruction Code）和波形控制文件（Waveform）則存儲于Flash Memory中；命令文件（Instruction Code）是一套用于控制GD6201E的二進(jìn)制指令代碼，操作系統(tǒng)通過命令形式就可以控制GD6201E實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，文件以.bin的形式封裝起來；波形文件（Waveform）是以.wbf形式封裝起來的用于準(zhǔn)確控制顯示屏中帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的文件，GD6201E在顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用波形文件來準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)顯示屏中黑白粒子移動(dòng)軌跡，文件大小為64Kb。Flash memory須支持SPI接口及FASTREAD方式，F(xiàn)lash memory從地址0x00000開始燒寫Instruction Code，從地址為0x10000開始燒寫Waveform。需要說明的是，波形文件是和溫度相關(guān)的，因?yàn)镋PD中的帶電粒子存在于透明液體中，帶電粒子的移動(dòng)受溫度影響，在不同溫度下染色的帶電粒子的移動(dòng)特性是有區(qū)別的，因此不同溫度環(huán)境下需要不同的驅(qū)動(dòng)波形來控制。利用Thermal Sensor實(shí)現(xiàn)不同溫度下調(diào)用不同的Waveform來更新顯示信息。

2 ?C/OS-II軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?C/OS-II系統(tǒng)移植

?C/OS-II是一個(gè)微內(nèi)核，具有很強(qiáng)的可移植性，?C/OS-II在硬件層之上只是抽象和封裝了微處理器以及硬件的時(shí)鐘，沒有其他硬件抽象層。不同的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)的硬件架構(gòu)相差較大，移植?C/OS-II主要工作是添加或變更硬件抽象層，不同的硬件架構(gòu)對應(yīng)不同的硬件抽象層。

?C/OS-II操作系統(tǒng)的移植只要編譯與處理器相關(guān)的代碼，主要包括三個(gè)文件：

（1）OS_CPU.H文件，在文件中定義與處理器、編譯器相關(guān)的常量和宏；

（2）OS_CPU_C.C文件，在文件中編寫10個(gè)簡單的函數(shù)；

（3）OS_CPU_A.S文件，在文件中編寫四個(gè)匯編語言函數(shù)。

2.2 電子紙控制芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

電子紙驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)配置硬件系統(tǒng)的GPIO端口，然后對芯片GD6201E進(jìn)行初始化，使GD6201E工作于RUN模式。程序設(shè)計(jì)步驟如下：

2.2.1 管腳配置與芯片初始化

（1）GPIO端口的功能由管腳功能選擇寄存器（PINSELx）進(jìn)行配置，而輸出置位/清零寄存器（IOSET/IOCLR）和方向寄存器（IOxDIR）的使用，是當(dāng)管腳工作于GPIO模式時(shí)，用于控制輸出電平。endprint

（2）進(jìn)入RUN模式：?C/OS-II發(fā)送INIT_SYS_RUN命令到GD6201E，GD6201E會(huì)自動(dòng)初始化顯示配置、PLL、上電時(shí)序和SDRAM模塊。

（3）display engine的配置：INIT_DSPE_CFG命令用于顯示屏參數(shù)還沒有初始化的情況下，實(shí)現(xiàn)起始行驅(qū)動(dòng)、行像素和列像素的設(shè)置。

（4）時(shí)鐘配置：利用公式（1）～（6）對像素時(shí)鐘、場同步時(shí)鐘、行同步時(shí)鐘、場起止時(shí)間、行起止時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，并用INIT_DSPE_TMG命令進(jìn)行配置。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（5）命令UPD_SET_IMGADR設(shè)置SDRAM中的Display Engine Image buffer起始地址則；寄存器REG[0314h]，REG[0316h]配置Update buffer起始地址。切記將Update buffer和Image buffer的起始地址低三位設(shè)置為000b，即64的倍數(shù)，至此完成初始化程序，如圖5所示。

2.2.2 顯示屏顯示數(shù)據(jù)更新

發(fā)送命令WAIT_DSPE_TRG，等待HRDY引腳的狀態(tài)為1時(shí)發(fā)送命令LD_IMG，等待HRDY引腳狀態(tài)為1后，將圖文數(shù)據(jù)寫入SDRAM，完成數(shù)據(jù)傳輸；發(fā)送命令LD_IMG_END等待Image buffer數(shù)據(jù)更新到Update buffer中，利用UPD_ FULL命令將Update buffer數(shù)據(jù)更新到顯示屏，顯示流程如圖6所示。

需要注意的是，設(shè)計(jì)將SDRAM劃分為圖片緩存（Image Buffer）和更新顯示（Update Buffer）兩個(gè)區(qū)域。Image Buffer Area相當(dāng)于內(nèi)存，可以配置存儲區(qū)域的位置來存儲未壓縮的圖文信息；CPU則不能訪問Update Buffer Area，該區(qū)域用于芯片內(nèi)部更新存儲信息，只可以通過寄存器配置區(qū)域位置。如果顯示屏信息更新時(shí)，從Image Buffer Area中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到Update Buffer Area，可以利用多個(gè)Image Buffer對應(yīng)一個(gè)Update Buffer來節(jié)省圖文數(shù)據(jù)加載時(shí)間，如圖7所示。寄存器（REG[0310h]～REG[0312h]）決定Image Buffer起始地址，讀寫起始地址使用UPD_SET_IMGADR命令和LD_IMG_SETADR命令進(jìn)行配置；寄存器REG[0314h]～REG[0316h]則決定了Update buffer初始地址，為了使執(zhí)行部分BANK刷新操作時(shí)能夠盡量較少功耗，Update buffer初始地址一般采用0x0，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電子紙低功耗特性。

3 結(jié)語

為嚴(yán)格控制電子紙顯示系統(tǒng)的硬件成本，本文采用LPC2148微控制器、顯示驅(qū)動(dòng)控制芯片及自舉電源電路等硬件電路設(shè)計(jì)。本文將?C/OS-II操作系統(tǒng)移植到基于ARM7處理器的LPC2148中，提出基于GD6201E國產(chǎn)電子紙控制芯片的電子紙顯示控制系統(tǒng)。在?C/OS-II操作系統(tǒng)移植電子紙驅(qū)動(dòng)控制程序，讀取SD卡中的圖文以測試系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)電子紙顯示驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)如圖8所示。經(jīng)測試，操作系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功耗小，硬件成本低。本文提出的電子紙顯示系統(tǒng)方案對今后國內(nèi)電子紙驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步研究及產(chǎn)業(yè)化有著積極地意義。

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作者簡介

杜世遠(yuǎn)（1988-），福建省泉州市人。碩士學(xué)位。助教。主要研究方向?yàn)樾畔@示技術(shù)，醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用技術(shù)。

楊倩（1988-），山西省太原市人。碩士學(xué)位。講師。主要研究方向?yàn)楣怆娦畔@示技術(shù)。

作者單位

1.福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)系 福建省福州市 350101

2.福州大學(xué)至誠學(xué)院信息工程系 福建省福州市 350002endprint