电子纸显示系统
中心议题：
- 电子纸显示原理
- 电子纸显示系统设计
- 电子纸驱动部分设计
- 利用在电压下能够改变黑白状态的微胶囊实现图像显示
- 采用PXA270的GPIO控制电子纸驱动
电子纸，也可称为“象纸一样薄、可擦写的显示器”，是专门用于阅读的电子装置，其对比度较高、文字清晰、支持屏幕手写、耗电量极小，并且能够轻轻弯曲，也被业内人士称作“电子纸手写平板电脑”。目前拥有电子纸技术的公司主要有E-ink、东芝、摩托罗拉、IBM等。
XScale处理器采用ARMV5TE结构，是StrongARM的升级换代产品。PXA270处理器最高主频可达624MHz，提供了业界领先的多媒体性能，加入了WirelessMMX、IntelSpeedStep等新技术，以其高性能、低功耗、丰富的外设集成以及第二代内存堆栈技术等特点在高端移动设备、信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。
本文提出了一种全新的电子纸显示系统解决方案，使系统反应速度更快，系统扩展性更强，易于移植先进的嵌入式操作系统，克服了电子纸存在的灰度显示不明显的特点，采用6寸4级灰度显示，使显示更加逼真，阅读效果和舒适程度跟传统的打印纸完全一样。
电子纸显示原理
电子纸的研究方向主要从两个方面进行，一是把显示器做得像纸一样的东西即“液晶方式”或“电泳方式”的电子显示屏，另一种是把纸做得像显示器那样可改换内容的东西即“可重写纸”。目前电子纸终端均是采用“液晶方式”或“电泳方式”的电子显示屏构成的。
电子纸与普通TFT屏的显著区别主要表现在以下三点：
(1)TFT屏显示设备需要不断刷新以维持显示信息，而电子纸则是不需要动态刷新，维持显示时无须消耗能量因此耗电量极低;
(2)电子纸厚度薄、重量轻，与液晶显示技术一样，均属于超薄显示器技术之一;而TFT显示屏厚度及重量均比电子纸大;
(3)电子纸视角很大(E-ink公司的电子纸技术视角可达到170o)，靠反射环境光工作，底色是非常地道的纸白，能在强阳光下舒服地阅读，对比度较高，所以文字清晰。
以领先于其它公司达到商业生产水平的美国E-Ink公司技术为例，对“电子纸”技术作进一步的解释。
如图1所示为电子墨水微胶囊的剖面图，是利用在电压下能够改变黑白状态的微胶囊来实现图像显示的。圆圈表示组成电子墨水的透明颗粒，称为微胶囊，其直径只有人的头发丝的一半大小。电子油墨薄膜的顶部是一层透明材料，作为电极端使用;底部是电子油墨的另一个电极，微胶囊夹在这两个电极间。微胶囊受负电场作用时，白色颗粒带正电荷而移动到微胶囊顶部，相应位置显示为白色;黑色颗粒由于带负电荷而在电场力作用下到达微胶囊底部，使用者不能看到黑色。如果电场的作用方向相反，则显示效果也相反，即黑色显示，白色隐藏。可见，只要改变电场作用方向就能在显示黑色和白色间切换，白色部位对应于纸张的未着墨部分，而黑色则对应着纸张上的印刷图文部分。其特点是在反差、明亮度视觉等方面较理想，耗电低，重量轻而容易使其薄型化，形状自由等。另外，E-Ink公司的电子纸产品利用带电色粉的电泳现象，通过加大色粉的密集度来提高黑白反差。
图1电子墨水微胶囊剖面图
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电子纸显示系统设计
我们设计的电子纸显示系统，是采用一种全新的处理器方案驱动电子纸显示，该系统的硬件是由核心处理器部分和电子纸驱动部分组成，整个系统基于Marvel的XScale架构处理器PXA270，采用PXA270的GPIO控制电子纸驱动部分的控制及数据接口。PXA270部分主要责任是整合整个系统，将电子纸驱动部分作为其整个系统的一个部件，生成驱动模块，在系统启动初始化过程中就加载此驱动模块，应用层通过命令接口调用此模块实现画面显示。
核心处理器PXA270的设计
处理器部分的硬件构成如图2所示，是由嵌入式处理器XScalePXA270(主频520MHz)、SDRAM(64Mbyte，由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H组成32位接口)、FLASH(32MbyteNor-Flash，由2片IntelE28F128J3A组成32位接口)、电源管理部分(采用MAX1586CETM，Maxim的PMIC)及晶振复位逻辑电路等Marvell的嵌入式处理器PXA270,其核心是采用XScale架构,拥有高性能、低功耗的多媒体加速能力，能够很好的支持MPEG4和MP3解码;通过结合QuickCapture技术，它可以支持高达400万像素的摄像头;它内建256K字节的SRAM，支持英特尔StrataFlash内存;SpeedStep省电技术;支持Baseband接口、USBon-the-go(OTG)。
图2XScalePXA270硬件结构图
SDRAM部分由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H组成32位接口，作为系统动态存储器。HY57V561620FTP-H是4BanksX4MX16BitSynchronousDRAM,故采用数据线MD<31:0>、地址线MD<24:10>、SDRAM数据屏蔽线DQM<3:0>、片选信号nSDCS0、SDRAM行地址使能nSDRAS、SDRAM列地址使能nSDCAS、写使能nWE、SDRAM时钟信号SDCLK1、SDRAM时钟使能SDCKE等。
NorFlash静态存储部分采用2片16M容量的NorFlashE28F320J3A-110构成，主要存储启动引导bootloader、操作系统以及用户的应用程序。采用数据线MD<31:0>、地址线MD<24:2>、片选信号nCS0、写使能nWE、读使能nOE，RP#引脚(RESET/POWER-DOWN)接PXA270的nRESET_OUT引脚等。
PXA270的电源管理部分比较复杂，所需要的电压值比较多，本系统设计采用MAXIM公司的MAX1586CETM电源管理芯片，其是一款高效、低IQ、具有动态内核的电源管理IC(PMIC)，针对XScale处理器进行了优化的电源管理IC，尤其适用于XScale微处理器设备，包括第三代智能手机、PDA、互联网设备及其他需要超强计算和多媒体处理能力的低功耗移动设备。MAX1586CETM芯片采用+5V电压输入，集成了7路高性能、低工作电流的电源以及监测和动态电压管理功能。稳压器输出包括3个降压型DC-DC输出、3个线性稳压器和一个常开电源输出。DC-DC转换器输出可为I/O、DRAM、CPU内核供电。I/O电源预置为3.3V，DRAM电源预置为2.5V，可通过外部电阻进行调节。CPU内核电源可通过串口编程，可输出0.9A电流。线性稳压输出为SRAM、PLL、USIM供电。
电子纸驱动部分设计
显示控制器Apollo芯片是NXP公司开发的一种TFT(thinfilmtransistor，薄膜晶体管)主动矩阵(activematrix)电泳(Electrophoretic)显示的显示控制器，是电泳显示参考系统电子设计的一部分。Apollo芯片适合800X600像素，支持1-bit和2-bit显示。屏幕高宽比(aspectratio)为4：3，同时驱动源极驱动(sourcedriver)和栅极驱动(gatedriver);支持握手协议的8位并行双向异步数据总线接口，主接口最大通信速率是10Mbytes/s。
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外部SRAM存储器存储显示数据，查询外部查询表(Look-Up-Table)组成需要显示的波形产生显示的图片，查询表存储在外部flashROM存储器中。该芯片的主要特点还包括：使用双时钟频率降低功耗(33MHz和70kHz)、两种低功耗模式(Sleep和Standby)、内嵌方向旋转缓冲器、黑色和白色或者4级灰度模式、支持两顶点表示的矩形区域的局部写操作、温度传感器使用I2C主接口。电子纸驱动部分的硬件组成如图3所示。
图3电子纸驱动部分硬件结构图
APOLLO驱动电子纸显示的操作流程如图4所示。电子纸的显示依据是要显示的图片与当前显示图片相比较，得出其差值，再根据当前温度查询对应的数据表格，依相应数据输出驱动。因此在上电后需对电子纸进行显示初始化，这样后续的图片显示就有较好的基准值。显示初始化后RAM1数据全置为1，第一幅图片数据存于RAM2，显示第一幅图片时将RAM2与RAM1进行比对，查表显示输出;第二幅图片数据存于RAM1，显示第二幅图片时将RAM1与RAM2(存储当前图片)进行比对，查表显示输出，RAM1即存储当前图片;下一幅要显示的图片存储于RAM2中，依次类推，循环执行即可输出要显示的画面。
图4APOLLO芯片驱动电子纸显示流程
电子纸显示的显著特点之一是其省电模式，当其显示一幅画面后，由于电子纸的特殊技术因素，此幅画面在无供电或不刷新的情况下可长时间保持。APOLLO芯片驱动部分也同样具有两种省电模式：Sleep和Standby，能够很好的实现低功耗的工作方式。Sleep模式使用低时钟(70kHz)，能够接收主CPU的指令;Standby模式不使用时钟，利用主CPU的唤醒信号使APOLLO恢复有效。这两种模式与Normal模式的转换如图5所示。
图5APOLLO工作模式转换图
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系统软件设计
嵌入式系统软件设计部分主要包括操作系统、驱动程序及应用程序。本系统设计了操作系统和驱动程序，应用程序的开发需根据实际系统需求设计。PXA270的开发平台选择Linux嵌入操作系统，采用linux2.6.9内核，编译工具包选用cross-3.3.2.tar.bz2，编译工具选用arm-linux-gcc。系统工作的执行过程为：首先通过供电单元提供的电源进行系统上电，接着启动Bootloader,然后开始加载嵌入式Linux系统内核，接下来进行外设模块的初始化进程。将电子纸驱动显示部分作为外设模块加载，加载成功后即可运行用户应用程序。
实际的显示效果图截图如图6及图7所示，图6为4级灰度显示，图7增加局部显示功能显示。
图64级灰度显示
图7增加局部显示功能显示
本系统实现了一种全新的电子纸显示系统，选用XScale架构处理器PXA270作为整个系统的核心处理器，具有功耗低、扩展性强、系统融合难度低等优点。系统实现了E-ink电子纸4级灰度显示、回显及局部显示，实现了电子纸驱动的模块化，易于被嵌入式操作系统调用。在本系统的基础上扩充音频、MMCcard、Bluetooth、USB、触摸屏、WLAN等技术即可实现高性能的手持式电子纸终端。随着技术的不断完善，电子纸技术会突破目前黑白灰阶的显示模式，彩色电子纸也将随之出现，这样能够突破教材的限制，真正实现无纸化办公，完全改变我们现在的阅读习惯。
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