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，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，實現(xiàn)了利用微膠囊電泳技術的電子紙的4級灰度顯示、回顯及局部顯示，實現(xiàn)了電子紙驅動的模塊化設計，系統(tǒng)即使在低功耗的情況下也能實現(xiàn)高亮度及優(yōu)越的可讀性。整個系統(tǒng)具有低功耗、擴展性強、系統(tǒng)融合難度低等優(yōu)點。

　　關鍵詞： XScale架構;電子紙;微膠囊;電泳技術

　　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ARM V5TE結構，是Strong ARM的升級換代產(chǎn)品。PXA270處理器最高主頻可達624MHz，提供了業(yè)界領先的多媒體性能，加入了Wireless MMX、Intel SpeedStep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(yè)控制等領域得到了廣泛的應用。

　　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)反應速度更快，系統(tǒng)擴展性更強，易于移植先進的嵌入式操作系統(tǒng)，克服了電子紙存在的灰度顯示不明顯的特點，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方面進行，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(qū)別主要表現(xiàn)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(tài)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，均屬于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(huán)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。

　　以領先于其它公司達到商業(yè)生產(chǎn)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電極，微膠囊夾在這兩個電極間。微膠囊受負電場作用時，白色顆粒帶正電荷而移動到微膠囊頂部，相應位置顯示為白色;黑色顆粒由于帶負電荷而在電場力作用下到達微膠囊底部，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?？梢姡灰淖冸妶鲎饔梅较蚓湍茉陲@示黑色和白色間切換，白色部位對應于紙張的未著墨部分，而黑色則對應著紙張上的印刷圖文部分。其特點是在反差、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)設計

　　我們設計的電子紙顯示系統(tǒng)，是采用一種全新的處理器方案驅動電子紙顯示，該系統(tǒng)的硬件是由核心處理器部分和電子紙驅動部分組成，整個系統(tǒng)基于Marvel的XScale架構處理器PXA270，采用PXA270的GPIO控制電子紙驅動部分的控制及數(shù)據(jù)接口。PXA270部分主要責任是整合整個系統(tǒng)，將電子紙驅動部分作為其整個系統(tǒng)的一個部件，生成驅動模塊，在系統(tǒng)啟動初始化過程中就加載此驅動模塊，應用層通過命令接口調用此模塊實現(xiàn)畫面顯示。

　　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Quick Capture技術，它可以支持高達400萬像素的攝像頭;它內建256K字節(jié)的SRAM，支持英特爾StrataFlash內存;SpeedStep省電技術;支持Baseband接口、USB on-the-go(OTG)。

圖2  XScale PXA270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，作為系統(tǒng)動態(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時鐘信號SDCLK1、SDRAM時鐘使能SDCKE等。

　　Nor Flash靜態(tài)存儲部分采用2片16M容量的Nor Flash E28F320J3A-110構成，主要存儲啟動引導bootloader、操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序。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雜，所需要的電壓值比較多，本系統(tǒng)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(tài)內核的電源管理IC(PMIC)，針對XScale處理器進行了優(yōu)化的電源管理IC，尤其適用于XScale微處理器設備，包括第三代智能手機、PDA、互聯(lián)網(wǎng)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(jiān)測和動態(tài)電壓管理功能。穩(wěn)壓器輸出包括3個降壓型DC-DC輸出、3個線性穩(wěn)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(jié)。CPU內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的上電復位過程需要特定的時序，詳細可參照參考文獻1。

　　電子紙驅動部分設計

　　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)電子設計的一部分。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，同時驅動源極驅動(source driver)和柵極驅動(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。該芯片的主要特點還包括：使用雙時鐘頻率降低功耗(33MHz和70kHz)、兩種低功耗模式(Sleep和Standby)、內嵌方向旋轉緩沖器、黑色和白色或者4級灰度模式、支持兩頂點表示的矩形區(qū)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所示。電子紙的顯示依據(jù)是要顯示的圖片與當前顯示圖片相比較，得出其差值，再根據(jù)當前溫度查詢對應的數(shù)據(jù)表格，依相應數(shù)據(jù)輸出驅動。因此在上電后需對電子紙進行顯示初始化，這樣后續(xù)的圖片顯示就有較好的基準值。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，顯示第一幅圖片時將RAM2與RAM1進行比對，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芯片驅動電子紙顯示流程

　　電子紙顯示的顯著特點之一是其省電模式，當其顯示一幅畫面后，由于電子紙的特殊技術因素，此幅畫面在無供電或不刷新的情況下可長時間保持。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(xiàn)低功耗的工作方式。Sleep模式使用低時鐘(70kHz)，能夠接收主CPU的指令;Standby模式不使用時鐘，利用主CPU的喚醒信號使APOLLO恢復有效。這兩種模式與Normal模式的轉換如圖5所示。

圖5 APOLLO工作模式轉換圖

　　系統(tǒng)軟件設計

　　嵌入式系統(tǒng)軟件設計部分主要包括操作系統(tǒng)、驅動程序及應用程序。本系統(tǒng)設計了操作系統(tǒng)和驅動程序，應用程序的開發(fā)需根據(jù)實際系統(tǒng)需求設計。PXA270的開發(fā)平臺選擇Linux嵌入操作系統(tǒng)，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。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行系統(tǒng)上電，接著啟動Bootloader,然后開始加載嵌入式Linux系統(tǒng)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，加載成功后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6  4級灰度顯示

圖7  增加局部顯示功能顯示

　　結語

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了一種全新的電子紙顯示系統(tǒng)，選用XScale架構處理器PXA270作為整個系統(tǒng)的核心處理器，具有功耗低、擴展性強、系統(tǒng)融合難度低等優(yōu)點。系統(tǒng)實現(xiàn)了E-ink電子紙4級灰度顯示、回顯及局部顯示，實現(xiàn)了電子紙驅動的模塊化，易于被嵌入式操作系統(tǒng)調用。在本系統(tǒng)的基礎上擴充音頻、MMC card、Bluetooth、USB、觸摸屏、WLAN等技術即可實現(xiàn)高性能的手持式電子紙終端。隨著技術的不斷完善，電子紙技術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，真正實現(xiàn)無紙化辦公，完全改變我們現(xiàn)在的閱讀習慣。

　　參考文獻：

　　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，微膠囊制作技術及其在電子紙中的應用，儀器儀表學報，2004，35(4)：407-409

　　4.段曉霞、徐征、滕楓等，基于電泳技術的電子紙研究進展，液晶與顯示，2004，19(5)：380-385