中心議題：

• 電子紙顯示原理
• 電子紙顯示係統設計
• 電子紙驅動部分設計

解決方案：

• 利用在電壓下能夠改變黑白狀態的微膠囊實現圖像顯示
• 采用PXA270的GPIO控製電子紙驅動

電子紙，也可稱為“象紙一樣薄、可擦寫的顯示器”
，是專門用於閱讀的電子裝置，其對比度較高、文字清晰
、支持屏幕手寫


、耗電量極小
，並且能夠輕輕彎曲，也被業內人士稱作“電子紙手寫平板電腦”。目前擁有電子紙技術的公司主要有E-ink、東芝、摩托羅拉
、IBM等。
　　
XScale處理器采用ARMV5TE結構
，是StrongARM的升級換代產品。PXA270處理器最高主頻可達624MHz
，提供了業界領先的多媒體性能，加入了WirelessMMX、IntelSpeedStep等新技術，以其高性能、低功耗
、豐富的外設集成以及第二代內存堆棧技術等特點在高端移動設備、信息家電
、工業控製等領域得到了廣泛的應用。
　　
本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)電(dian)子(zi)紙(zhi)顯(xian)示(shi)係(xi)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，使(shi)係(xi)統(tong)反(fan)應(ying)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)，係(xi)統(tong)擴(kuo)展(zhan)性(xing)更(geng)強(qiang)，易(yi)於(yu)移(yi)植(zhi)先(xian)進(jin)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)，克(ke)服(fu)了(le)電(dian)子(zi)紙(zhi)存(cun)在(zai)的(de)灰(hui)度(du)顯(xian)示(shi)不(bu)明(ming)顯(xian)的(de)特(te)點(dian)，采(cai)用(yong)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麵進行，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”的電子顯示屏構成的。
　　
電子紙與普通TFT屏的顯著區別主要表現在以下三點：
(1)TFT屏顯示設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
，與液晶顯示技術一樣

，均屬於超薄顯示器技術之一;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公司的電子紙技術視角可達到170o)，靠反射環境光工作，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。
　　
以領先於其它公司達到商業生產水平的美國E-Ink公司技術為例，對“電子紙”技術作進一步的解釋。
　　
如圖1suoshiweidianzimoshuiweijiaonangdepoumiantu，shiliyongzaidianyaxianenggougaibianheibaizhuangtaideweijiaonanglaishixiantuxiangxianshide。yuanquanbiaoshizuchengdianzimoshuidetoumingkeli，chengweiweijiaonang
，qizhijingzhiyourendetoufasideyibandaxiao。dianziyoumobomodedingbushiyicengtoumingcailiao，zuoweidianjiduanshiyong;底(di)部(bu)是(shi)電(dian)子(zi)油(you)墨(mo)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)電(dian)極(ji)
，微(wei)膠(jiao)囊(nang)夾(jia)在(zai)這(zhe)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)間(jian)。微(wei)膠(jiao)囊(nang)受(shou)負(fu)電(dian)場(chang)作(zuo)用(yong)時(shi)，白(bai)色(se)顆(ke)粒(li)帶(dai)正(zheng)電(dian)荷(he)而(er)移(yi)動(dong)到(dao)微(wei)膠(jiao)囊(nang)頂(ding)部(bu)，相(xiang)應(ying)位(wei)置(zhi)顯(xian)示(shi)為(wei)白(bai)色(se);heisekeliyouyudaifudianheerzaidianchanglizuoyongxiadaodaweijiaonangdibu，shiyongzhebunengkandaoheise。ruguodianchangdezuoyongfangxiangxiangfan，zexianshixiaoguoyexiangfan

，jiheisexianshi，baiseyinzang。kejian，zhiyaogaibiandianchangzuoyongfangxiangjiunengzaixianshiheisehebaisejianqiehuan，baisebuweiduiyingyuzhizhangdeweizhemobufen，erheisezeduiyingzhezhizhangshangdeyinshuatuwenbufen。qitedianshizaifancha、明亮度視覺等方麵較理想，耗電低，重量輕而容易使其薄型化，形狀自由等。另外，E-Ink公司的電子紙產品利用帶電色粉的電泳現象，通過加大色粉的密集度來提高黑白反差。


圖1電子墨水微膠囊剖麵圖
　　[page]
電子紙顯示係統設計
　　
我wo們men設she計ji的de電dian子zi紙zhi顯xian示shi係xi統tong，是shi采cai用yong一yi種zhong全quan新xin的de處chu理li器qi方fang案an驅qu動dong電dian子zi紙zhi顯xian示shi，該gai係xi統tong的de硬ying件jian是shi由you核he心xin處chu理li器qi部bu分fen和he電dian子zi紙zhi驅qu動dong部bu分fen組zu成cheng
，整zheng個ge係xi統tong基ji於yuMarvel的XScale架構處理器PXA270
，采用PXA270的GPIO控製電子紙驅動部分的控製及數據接口。PXA270部(bu)分(fen)主(zhu)要(yao)責(ze)任(ren)是(shi)整(zheng)合(he)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)
，將(jiang)電(dian)子(zi)紙(zhi)驅(qu)動(dong)部(bu)分(fen)作(zuo)為(wei)其(qi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)部(bu)件(jian)
，生(sheng)成(cheng)驅(qu)動(dong)模(mo)塊(kuai)，在(zai)係(xi)統(tong)啟(qi)動(dong)初(chu)始(shi)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)就(jiu)加(jia)載(zai)此(ci)驅(qu)動(dong)模(mo)塊(kuai)，應(ying)用(yong)層(ceng)通(tong)過(guo)命(ming)令(ling)接(jie)口(kou)調(tiao)用(yong)此(ci)模(mo)塊(kuai)實(shi)現(xian)畫(hua)麵(mian)顯(xian)示(shi)。
　　
核心處理器PXA270的設計
　　
處理器部分的硬件構成如圖2所示，是由嵌入式處理器XScalePXA270(主頻520MHz)、SDRAM(64Mbyte，由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H組成32位接口)
、FLASH(32MbyteNor-Flash，由2片IntelE28F128J3A組成32位接口)、電源管理部分(采用MAX1586CETM，Maxim的PMIC)及晶振複位邏輯電路等Marvell的嵌入式處理器PXA270,其核心是采用XScale架構,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;通過結合QuickCapture技術，它可以支持高達400萬像素的攝像頭;它內建256K字節的SRAM，支持英特爾StrataFlash內存;SpeedStep省電技術;支持Baseband接口、USBon-the-go(OTG)。


圖2XScalePXA270硬件結構圖

SDRAM部分由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H組成32位接口，作為係統動態存儲器。HY57V561620FTP-H是4BanksX4MX16BitSynchronousDRAM,故采用數據線MD<31:0>、地址線MD<24:10>、SDRAM數據屏蔽線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時鍾信號SDCLK1

、SDRAM時鍾使能SDCKE等。
　　
NorFlash靜態存儲部分采用2片16M容量的NorFlashE28F320J3A-110構成，主要存儲啟動引導bootloader、操作係統以及用戶的應用程序。采用數據線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複雜
，所需要的電壓值比較多

，本係統設計采用MAXIM公司的MAX1586CETM電源管理芯片
，其是一款高效、低IQ
、具有動態內核的電源管理IC(PMIC)，針對XScale處理器進行了優化的電源管理IC，尤其適用於XScale微處理器設備，包括第三代智能手機、PDA、互聯網設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測和動態電壓管理功能。穩壓器輸出包括3個降壓型DC-DC輸出、3個線性穩壓器和一個常開電源輸出。DC-DC轉換器輸出可為I/O、DRAM、CPU內核供電。I/O電源預置為3.3V，DRAM電源預置為2.5V，可通過外部電阻進行調節。CPU內核電源可通過串口編程，可輸出0.9A電流。線性穩壓輸出為SRAM、PLL、USIM供電。
　　
電子紙驅動部分設計
　　
顯示控製器Apollo芯片是NXP公司開發的一種TFT(thinfilmtransistor，薄膜晶體管)主動矩陣(activematrix)電泳(Electrophoretic)顯示的顯示控製器，是電泳顯示參考係統電子設計的一部分。Apollo芯片適合800X600像素
，支持1-bit和2-bit顯示。屏幕高寬比(aspectratio)為4：3，同時驅動源極驅動(sourcedriver)和柵極驅動(gatedriver);支持握手協議的8位並行雙向異步數據總線接口，主接口最大通信速率是10Mbytes/s。
　　[page]
外部SRAM存儲器存儲顯示數據

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


圖3電子紙驅動部分硬件結構圖
　　
APOLLO驅動電子紙顯示的操作流程如圖4所suo示shi。電dian子zi紙zhi的de顯xian示shi依yi據ju是shi要yao顯xian示shi的de圖tu片pian與yu當dang前qian顯xian示shi圖tu片pian相xiang比bi較jiao
，得de出chu其qi差cha值zhi，再zai根gen據ju當dang前qian溫wen度du查zha詢xun對dui應ying的de數shu據ju表biao格ge，依yi相xiang應ying數shu據ju輸shu出chu驅qu動dong。因yin此ci在zai上shang電dian後hou需xu對dui電dian子zi紙zhi進jin行xing顯xian示shi初chu始shi化hua

，這zhe樣yang後hou續xu的de圖tu片pian顯xian示shi就jiu有you較jiao好hao的de基ji準zhun值zhi。顯xian示shi初chu始shi化hua後houRAM1數據全置為1，第一幅圖片數據存於RAM2
，顯示第一幅圖片時將RAM2與RAM1進行比對，查表顯示輸出;第二幅圖片數據存於RAM1，顯示第二幅圖片時將RAM1與RAM2(存儲當前圖片)進行比對

，查表顯示輸出，RAM1即存儲當前圖片;下一幅要顯示的圖片存儲於RAM2中，依次類推
，循環執行即可輸出要顯示的畫麵。


圖4APOLLO芯片驅動電子紙顯示流程

電(dian)子(zi)紙(zhi)顯(xian)示(shi)的(de)顯(xian)著(zhu)特(te)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)其(qi)省(sheng)電(dian)模(mo)式(shi)，當(dang)其(qi)顯(xian)示(shi)一(yi)幅(fu)畫(hua)麵(mian)後(hou)
，由(you)於(yu)電(dian)子(zi)紙(zhi)的(de)特(te)殊(shu)技(ji)術(shu)因(yin)素(su)，此(ci)幅(fu)畫(hua)麵(mian)在(zai)無(wu)供(gong)電(dian)或(huo)不(bu)刷(shua)新(xin)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)可(ke)長(chang)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)。APOLLO芯片驅動部分也同樣具有兩種省電模式：Sleep和Standby，能夠很好的實現低功耗的工作方式。Sleep模式使用低時鍾(70kHz)
，能夠接收主CPU的指令;Standby模式不使用時鍾
，利用主CPU的喚醒信號使APOLLO恢複有效。這兩種模式與Normal模式的轉換如圖5所示。


圖5APOLLO工作模式轉換圖
　　[page]
係統軟件設計
　　
嵌入式係統軟件設計部分主要包括操作係統
、驅動程序及應用程序。本係統設計了操作係統和驅動程序
，應用程序的開發需根據實際係統需求設計。PXA270的開發平台選擇Linux嵌入操作係統，采用linux2.6.9內核，編譯工具包選用cross-3.3.2.tar.bz2，編譯工具選用arm-linux-gcc。係統工作的執行過程為：首先通過供電單元提供的電源進行係統上電，接著啟動Bootloader,然後開始加載嵌入式Linux係統內核，接下來進行外設模塊的初始化進程。將電子紙驅動顯示部分作為外設模塊加載，加載成功後即可運行用戶應用程序。
　　
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。


圖64級灰度顯示

圖7增加局部顯示功能顯示

本係統實現了一種全新的電子紙顯示係統，選用XScale架構處理器PXA270作為整個係統的核心處理器
，具有功耗低
、擴展性強、係統融合難度低等優點。係統實現了E-ink電子紙4級灰度顯示、回顯及局部顯示

，實現了電子紙驅動的模塊化，易於被嵌入式操作係統調用。在本係統的基礎上擴充音頻
、MMCcard、Bluetooth、USB、觸摸屏
、WLAN等deng技ji術shu即ji可ke實shi現xian高gao性xing能neng的de手shou持chi式shi電dian子zi紙zhi終zhong端duan。隨sui著zhe技ji術shu的de不bu斷duan完wan善shan，電dian子zi紙zhi技ji術shu會hui突tu破po目mu前qian黑hei白bai灰hui階jie的de顯xian示shi模mo式shi，彩cai色se電dian子zi紙zhi也ye將jiang隨sui之zhi出chu現xian，這zhe樣yang能neng夠gou突tu破po教jiao材cai的de限xian製zhi，真zhen正zheng實shi現xian無wu紙zhi化hua辦ban公gong，完wan全quan改gai變bian我wo們men現xian在zai的de閱yue讀du習xi慣guan。