基于PXA270的电子纸显示系统

基于PXA270的电子纸显示系统

摘要： 本文分析了电子纸显示原理以及电子纸显示的优点，提出一种全新的电子纸显示系统解决方案。采用基于XScale架构处理器PXA270的电子纸显示系统，是一种高性能的完善的电子纸系统平台，实现了利用微胶囊电泳技术的电子纸的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设计，系统即使在低功耗的情况下也能实现高亮度及优越的可读性。整个系统具有低功耗、扩展性强、系统融合难度低等优点。

　　关键词： XScale架构;电子纸;微胶囊;电泳技术

　　引言

　　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ARM V5TE结构，是Strong ARM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Wireless MMX、Intel SpeedStep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 *** 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

　　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XScale PXA270(主频520MHz)、SDRAM(64Mbyte，由2片16位的SDRAM芯片HY57V561620FTP-H组成32位接口)、FLASH(32Mbyte Nor-Flash，由2片Intel E28F128J3A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Quick Capture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、USB on-the-go(OTG)。

图2  XScale PXA270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4 Banks X 4M X 16Bit Synchronous DRAM,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。

　　Nor Flash静态存储部分采用2片16M容量的Nor Flash E28F320J3A-110构成，主要存储启动引导bootloader、 *** 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的上电复位过程需要特定的时序，详细可参照参考文献1。

　　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(thin film transistor，薄膜晶体管)主动矩阵(acTIve matrix)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800 X 600像素，支持1-bit和2-bit显示。屏幕高宽比(aspect raTIo)为4：3，同时驱动源极驱动(source driver)和栅极驱动(gate driver);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。

　　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flash ROM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 *** 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 *** 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4 APOLLO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5 APOLLO工作模式转换图

　　系统软件设计

　　嵌入式系统软件设计部分主要包括 *** 作系统、驱动程序及应用程序。本系统设计了 *** 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 *** 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6  4级灰度显示

图7  增加局部显示功能显示

　　结语

　　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 *** 作系统调用。在本系统的基础上扩充音频、MMC card、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。

　　参考文献：

　　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、张淑芬等，微胶囊制作技术及其在电子纸中的应用，仪器仪表学报，2004，35(4)：407-409

　　4.段晓霞、徐征、滕枫等，基于电泳技术的电子纸研究进展，液晶与显示，2004，19(5)：380-385