基于FPGA的電子紙驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

杜世遠(yuǎn)，林志賢，楊 倩，郭太良

(福州大學(xué) 光電顯示技術(shù)研究所，福建 福州350002)

電子紙(E-paper)是新一代的顯示裝置，其對(duì)比度超高，超低功耗，超薄，可任意彎曲折疊，柔韌性良好［1］。當(dāng)電子紙微膠囊做于柔性基板上，則其具有和紙一樣的可彎曲的特性［2］，而且顯示的視覺(jué)感官效果幾乎和紙張一樣。隨著電子紙顯示技術(shù)越來(lái)越成熟，其可被用于代替常規(guī)顯示設(shè)備、手持設(shè)備顯示，例如:電子書(shū)、IC卡和電子報(bào)紙等。電子紙不僅能提供與傳統(tǒng)書(shū)刊類(lèi)似的閱讀功能和使用屬性，更具有可擦寫(xiě)特點(diǎn)，減少社會(huì)對(duì)紙的需求量。目前，對(duì)電子紙技術(shù)的研究較為成熟的是E-Ink公司，其采用電泳技術(shù)的電子紙已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化［3］。

1 微膠囊式電子紙工作原理

文章以E-Ink公司的電子紙顯示屏為例，應(yīng)用目前最為成熟的電泳技術(shù)，并采用微膠囊式雙粒子體系，即在1個(gè)微膠囊中填充帶電的黑白2種粒子。其主要工作原理是利用帶電的電泳粒子在分散液中受到電場(chǎng)力的作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到顯示效果。該設(shè)計(jì)采用E-Ink公司的電子紙ED060SC4，分辨力為800×600，如圖1所示。電子紙顯示原理是依靠微膠囊結(jié)構(gòu)中帶電的黑色顆粒和白色顆粒的上下移動(dòng)來(lái)使電子紙顯示白色或者黑色。從圖2電子墨水微膠囊的結(jié)構(gòu)圖中可以看出:在1個(gè)微膠囊結(jié)構(gòu)中填充有大量的帶負(fù)電的黑色顆粒和帶正電的白色顆粒;而在微膠囊的上方和下方各有1個(gè)電極，上方的電極必須為透明材料才能看到顯示效果，上下2個(gè)電極在微膠囊中產(chǎn)生電勢(shì)差，帶電的黑色顆粒和白色顆粒在電場(chǎng)力的作用下在微膠囊中上下移動(dòng)而達(dá)到顯示效果，因此只要根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)來(lái)改變各個(gè)像素點(diǎn)電場(chǎng)力方向就可以實(shí)現(xiàn)電子紙顯示［4-5］。

2 電子紙驅(qū)動(dòng)接口硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制核心為FPGA，設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的EP1C6Q240C8芯片;采用2片SRAM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存;采用1片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)顯示的圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口通信，把計(jì)算機(jī)上的圖像數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)于Flash存儲(chǔ)器中;利用開(kāi)關(guān)管對(duì)電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電子紙的低功耗顯示。具體硬件如圖3所示。計(jì)算機(jī)利用VC++軟件將要顯示的圖文信息進(jìn)行處理后通過(guò)串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī);下位機(jī)為單片機(jī)，通過(guò)串口接收計(jì)算機(jī)傳輸?shù)膱D文信息并把數(shù)據(jù)傳輸給FPGA。FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以原理圖或VerilogHDL生成各功能模塊［6］。首先，F(xiàn)PGA把單片機(jī)傳輸?shù)膱D文信息存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中;其次，顯示圖文信息時(shí)，F(xiàn)PGA從Flash存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù);最后，圖文數(shù)據(jù)通過(guò)2片SRAM進(jìn)行緩存并最終在電子紙上顯示圖文信息。由于電子紙具有圖形信息記憶功能，即在斷電的情況下可以長(zhǎng)久地保存圖形信息。因此系統(tǒng)增加電源管理模塊，在系統(tǒng)需要更新電子紙圖形信息時(shí)接通電源，不需要更新電子紙圖形信息時(shí)切斷電源，從而實(shí)現(xiàn)電子紙低功耗顯示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3 電子紙軟件編程

系統(tǒng)軟件編程主要包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與傳輸程序、單片機(jī)數(shù)據(jù)接收與控制程序、FPGA數(shù)據(jù)處理與控制程序。系統(tǒng)軟件如圖4所示。

由于電子紙ED060SC4只有黑白單色16級(jí)灰度，因此圖文數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送之前要先將圖文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16級(jí)灰度的圖文數(shù)據(jù)，因此圖文數(shù)據(jù)的每個(gè)像素點(diǎn)占用4 bit數(shù)據(jù)位，1個(gè)字節(jié)包含2個(gè)像素。處理后的圖文數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信寫(xiě)入Flash中。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

ED060SC4黑白單色16級(jí)灰度顯示的原理為:把要顯示的圖文數(shù)據(jù)根據(jù)灰度分為16場(chǎng)對(duì)電子紙進(jìn)行掃面顯示，把這16場(chǎng)顯示的圖文信息進(jìn)行疊加就產(chǎn)生了黑白單色16級(jí)灰度，在每場(chǎng)顯示階段必須嚴(yán)格控制時(shí)鐘頻率，使得每場(chǎng)顯示1級(jí)灰度。因此在圖文數(shù)據(jù)讀取顯示階段，F(xiàn)PGA先開(kāi)啟電源并將整屏灰度置為0，使所有像素處于同一初始狀態(tài)，同時(shí)從Flash讀取需要顯示的圖文數(shù)據(jù)存入SRAM1，場(chǎng)掃描計(jì)數(shù)count，取出SRAM1的圖文數(shù)據(jù)與場(chǎng)掃描計(jì)數(shù)count進(jìn)行比較，若圖文數(shù)據(jù)大于等于count，則將該位置1存入SRAM2，否則置0存入SRAM2;FPGA從SRAM2中取出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位為1就對(duì)該像素灰度累加1級(jí)。如此場(chǎng)掃描計(jì)數(shù)count計(jì)數(shù)16次之后結(jié)束顯示控制，累加后顯示的圖文信息就是黑白單色16級(jí)灰度。

4 電子紙ED060SC4工作時(shí)序

電子紙內(nèi)部集成有柵極和源極驅(qū)動(dòng)芯片，利用電子紙的39 pin的接口控制電子內(nèi)部的柵極和源極驅(qū)動(dòng)模塊，提供特定的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和電源管理，實(shí)現(xiàn)電子紙低功耗顯示。圖5為電子紙ED060SC4工作時(shí)序圖。

圖5 電子紙ED060SC4工作時(shí)序

在工作時(shí)序圖中，時(shí)鐘輸入端CL每個(gè)周期傳輸1個(gè)D［7:0］的數(shù)據(jù)，1個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)連續(xù)的4個(gè)像素點(diǎn)，即每個(gè)像素對(duì)應(yīng)2 bit數(shù)據(jù)。D［1:0］對(duì)應(yīng)第1個(gè)像素，D［3:2］對(duì)應(yīng)第2個(gè)像素，D［5:4］對(duì)應(yīng)第3個(gè)像素，D［7:6］對(duì)應(yīng)第4個(gè)像素。2 bit數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)像素狀態(tài)為:“00”“11”像素在顯示周期內(nèi)保持原來(lái)狀態(tài);“01”像素在顯示周期內(nèi)變黑;“10”像素在顯示周期內(nèi)變白。需要注意的是，由于電子紙具有圖形信息記憶功能，因此在需要更新顯示屏圖文信息時(shí)要先將整屏的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的狀態(tài)，即給所有像素點(diǎn)送相同的數(shù)據(jù)“10”，使整屏刷白。之后在啟動(dòng)脈沖SPV低電平響應(yīng)后，從SRAM2中讀取數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)位為1，則給相應(yīng)的像素點(diǎn)送數(shù)據(jù)“01”，反之送數(shù)據(jù)“00”使電子紙保持原來(lái)狀態(tài)。同時(shí)電子紙從第1行開(kāi)始掃描。每行包含200個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘，即800個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)。LE在200個(gè)CL時(shí)鐘后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，OE對(duì)輸出數(shù)據(jù)使能，在電子紙對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)上進(jìn)行刷白或刷黑。數(shù)據(jù)在傳輸完1行以后輸出SPH脈沖從而標(biāo)志新的1行的開(kāi)始，同時(shí)CKV時(shí)鐘進(jìn)入新的行周期。以此方法直至掃描完600行，實(shí)現(xiàn)電子紙幀傳輸。每次更新電子紙圖文信息需要對(duì)電子紙進(jìn)行16次幀傳輸，從而達(dá)到電子紙黑白單色16級(jí)灰度顯示，如圖6所示。

圖6 電子紙16級(jí)灰度圖像

5 小結(jié)

該接口系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了電子紙顯示屏驅(qū)動(dòng)，利用FPGA作為整個(gè)接口系統(tǒng)的核心處理器。系統(tǒng)具有功耗低、拓展性強(qiáng)、升級(jí)方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。且系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是不使用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)更為靈活。

電子紙的市場(chǎng)規(guī)模自2007年以來(lái)飛速增長(zhǎng)［7］，在不久的將來(lái)，電子紙還將迎來(lái)彩色時(shí)代，這將大大提高電子紙的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)需求。因此基于FPGA而不依賴(lài)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片的電子紙顯示系統(tǒng)具有很高的推廣價(jià)值。

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