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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了電子紙驅(qū)動(dòng)的模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)即使在低功耗的情況下也能實(shí)現(xiàn)高亮度及優(yōu)越的可讀性。整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗、擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)融合難度低等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： XScale架構(gòu);電子紙;微膠囊;電泳技術(shù)

　　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(dá)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(diǎn)在高端移動(dòng)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(kuò)展性更強(qiáng)，易于移植先進(jìn)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(diǎn)，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(gè)方面進(jìn)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(diǎn)：(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?jiǎng)討B(tài)刷新，維持顯示時(shí)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(dá)到170o)，靠反射環(huán)境光工作，底色是非常地道的紙白，能在強(qiáng)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(dá)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(jìn)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(shí)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(gè)電極，微膠囊夾在這兩個(gè)電極間。微膠囊受負(fù)電場作用時(shí)，白色顆粒帶正電荷而移動(dòng)到微膠囊頂部，相應(yīng)位置顯示為白色;黑色顆粒由于帶負(fù)電荷而在電場力作用下到達(dá)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(diǎn)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。

圖1  電子墨水微膠囊剖面圖

　　電子紙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　我們設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)部分組成，整個(gè)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)，將電子紙驅(qū)動(dòng)部分作為其整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)部件，生成驅(qū)動(dòng)模塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)初始化過程中就加載此驅(qū)動(dòng)模塊，應(yīng)用層通過命令接口調(diào)用此模塊實(shí)現(xiàn)畫面顯示。

　　核心處理器PXA270的設(shè)計(jì)

　　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(dá)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)。

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(dòng)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(shí)鐘信號SDCLK1、SDRAM時(shí)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(dòng)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(jì)采用MAXIM公司的MAX1586CETM電源管理芯片，其是一款高效、低IQ、具有動(dòng)態(tài)內(nèi)核的電源管理IC(PMIC)，針對XScale處理器進(jìn)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(jī)、PDA、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其他需要超強(qiáng)計(jì)算和多媒體處理能力的低功耗移動(dòng)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(dòng)態(tài)電壓管理功能。穩(wěn)壓器輸出包括3個(gè)降壓型DC-DC輸出、3個(gè)線性穩(wěn)壓器和一個(gè)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(jìn)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(shí)序，詳細(xì)可參照參考文獻(xiàn)1。

　　電子紙驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

　　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(dòng)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(jì)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(shí)驅(qū)動(dòng)源極驅(qū)動(dòng)(source driver)和柵極驅(qū)動(dòng)(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(diǎn)還包括：使用雙時(shí)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(diǎn)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(dòng)部分的硬件組成如圖3所示。

圖3 電子紙驅(qū)動(dòng)部分硬件結(jié)構(gòu)圖

　　APOLLO驅(qū)動(dòng)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(dòng)。因此在上電后需對電子紙進(jìn)行顯示初始化，這樣后續(xù)的圖片顯示就有較好的基準(zhǔn)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(shí)將RAM2與RAM1進(jìn)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(shí)將RAM1與RAM2(存儲當(dāng)前圖片)進(jìn)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。

圖4 APOLLO芯片驅(qū)動(dòng)電子紙顯示流程

　　電子紙顯示的顯著特點(diǎn)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(shí)間保持。APOLLO芯片驅(qū)動(dòng)部分也同樣具有兩種省電模式：Sleep和Standby，能夠很好的實(shí)現(xiàn)低功耗的工作方式。Sleep模式使用低時(shí)鐘(70kHz)，能夠接收主CPU的指令;Standby模式不使用時(shí)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。

圖5 APOLLO工作模式轉(zhuǎn)換圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序的開發(fā)需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)。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(jìn)行系統(tǒng)上電，接著啟動(dòng)Bootloader,然后開始加載嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核，接下來進(jìn)行外設(shè)模塊的初始化進(jìn)程。將電子紙驅(qū)動(dòng)顯示部分作為外設(shè)模塊加載，加載成功后即可運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。

　　實(shí)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。

圖6  4級灰度顯示

圖7  增加局部顯示功能顯示

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)實(shí)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(gè)系統(tǒng)的核心處理器，具有功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)融合難度低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了E-ink電子紙4級灰度顯示、回顯及局部顯示，實(shí)現(xiàn)了電子紙驅(qū)動(dòng)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(kuò)充音頻、MMC card、Bluetooth、USB、觸摸屏、WLAN等技術(shù)即可實(shí)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(shí)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(xiàn)：

　　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(bào)，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(jìn)展，液晶與顯示，2004，19(5)：380-385