基于LPC2148和GD6201E的電子紙顯示驅動接口設計

由于電子紙節能、護眼、文字顯示效果優于普通顯示器，使其越來越受到喜歡閱讀人士的青睞。本文針對電子紙顯示低功耗的需求，提出了LPC2148+GD6201E的硬件架構，將?C/OS-II操作系統移植到基于ARM7處理器的LPC2148中，并在?C/OS-II操作系統移植電子紙驅動控制程序。經測試，操作系統運行穩定，功耗小，硬件成本低。本文提出的電子紙顯示系統方案對今后國內電子紙驅動的進一步研究及產業化有著積極地意義。

【關鍵詞】電子紙 GD6201E 電子墨水 嵌入式系統 低功耗

隨著經濟的發展，人們對紙張需求量的增長與人們對節能環保的意識產生了矛盾，因此尋求一種替代紙張的可持續發展方案迫在眉睫。電子紙E-paper，也叫數碼紙，是一類技術的統稱。電子紙技術可以實現輕便、護眼、超低功耗的反射式顯示，其節能環保的幾乎類似于紙張顯示效果的特性尤其受到人們的追捧。因此本文以電泳顯示技術（EPD）電子紙為主要研究對象，研究基于LPC2148和GD6201E的電子紙顯示驅動接口。

1 電子紙顯示系統硬件設計

1.1 電子紙底層驅動設計

為實現電子紙顯示系統低功耗的需求，本文采用嵌入式系統，其以應用為中心，具有軟硬件可裁剪的特性，電子紙顯示屏采用E-ink公司生產的ED060SC4，電子紙顯示屏ED060SC4通過39pin的接口提供電源和特定的控制時序，用于控制集成于顯示屏內部的柵極和源極驅動芯片，對于電子紙柵極驅動電壓，分別為GVDD +22V和GVEE -20V，為節約電子紙顯示系統硬件成本，設計采用了自舉升壓電路，放棄專用芯片，將±15V電壓分別轉換為+22V和-20V，實現電子紙低功耗顯示。

柵極驅動集成有兩片LH1692芯片，每個LH1692可以驅動300行，如圖1所示。設計時將LH1692的MODE1和MODE2置1，使芯片工作于單脈沖掃描模式，即正常模式；CKV為行掃描驅動的時鐘信號，實現從第1行到第300行的掃描驅動信號控制。

源極驅動集成MX860芯片，提供±15V的驅動電壓，MX860為8位數據總線輸入，并將8位的數據拆分為4組的2bit數據，每個2bit數據對應一個像素點。MX860內部框圖如圖2所示。因為每個移位時鐘的8bit數據D[7..0]包含連續的4個像素點的信息，200個CL時鐘就包含800個像素點的信息，所以將CL時鐘頻率設計為20MHz；LE進行數據鎖存，OE使能移位輸出。

需要注意的是，在LH1692和MX860中存在多種電壓，在高壓驅動上電之前，如果邏輯系統的電壓處于懸浮狀態的話，有可能會導致驅動IC損壞，所以多種電壓上電時序必須嚴格按照圖3所示。

1.2 GD6201E驅動設計

本文采用GD6201E電子紙專用控制芯片，支持16個區域的局部擦寫，實現更好的用戶交互接口和觸摸屏體驗；芯片支持32灰度等級顯示，并提供多種顯示功能來準確的控制電子紙顯示，減少CPU的運算時間，其硬件電路設計如圖4所示。

核心板控制器接口（Host），用于和ARM核心板相接，實現CPU對GD6201E的控制。電子紙顯示的圖文數據緩存于同步動態隨機存儲器SDRAM，SDRAM可以使用16bit或32bit的，但16bit的SDRAM就可以滿足本文顯示系統需求。顯示需要的命令文件（Instruction Code）和波形控制文件（Waveform）則存儲于Flash Memory中；命令文件（Instruction Code）是一套用于控制GD6201E的二進制指令代碼，操作系統通過命令形式就可以控制GD6201E實現各項功能，文件以.bin的形式封裝起來；波形文件（Waveform）是以.wbf形式封裝起來的用于準確控制顯示屏中帶電粒子運動軌跡的文件，GD6201E在顯示驅動時調用波形文件來準確實現顯示屏中黑白粒子移動軌跡，文件大小為64Kb。Flash memory須支持SPI接口及FASTREAD方式，Flash memory從地址0x00000開始燒寫Instruction Code，從地址為0x10000開始燒寫Waveform。需要說明的是，波形文件是和溫度相關的，因為EPD中的帶電粒子存在于透明液體中，帶電粒子的移動受溫度影響，在不同溫度下染色的帶電粒子的移動特性是有區別的，因此不同溫度環境下需要不同的驅動波形來控制。利用Thermal Sensor實現不同溫度下調用不同的Waveform來更新顯示信息。

2 ?C/OS-II軟件系統設計

2.1 ?C/OS-II系統移植

?C/OS-II是一個微內核，具有很強的可移植性，?C/OS-II在硬件層之上只是抽象和封裝了微處理器以及硬件的時鐘，沒有其他硬件抽象層。不同的嵌入式系統中，系統的硬件架構相差較大，移植?C/OS-II主要工作是添加或變更硬件抽象層，不同的硬件架構對應不同的硬件抽象層。

?C/OS-II操作系統的移植只要編譯與處理器相關的代碼，主要包括三個文件：

（1）OS_CPU.H文件，在文件中定義與處理器、編譯器相關的常量和宏；

（2）OS_CPU_C.C文件，在文件中編寫10個簡單的函數；

（3）OS_CPU_A.S文件，在文件中編寫四個匯編語言函數。

2.2 電子紙控制芯片驅動程序設計

電子紙驅動程序負責配置硬件系統的GPIO端口，然后對芯片GD6201E進行初始化，使GD6201E工作于RUN模式。程序設計步驟如下：

2.2.1 管腳配置與芯片初始化

（1）GPIO端口的功能由管腳功能選擇寄存器（PINSELx）進行配置，而輸出置位/清零寄存器（IOSET/IOCLR）和方向寄存器（IOxDIR）的使用，是當管腳工作于GPIO模式時，用于控制輸出電平。endprint

（2）進入RUN模式：?C/OS-II發送INIT_SYS_RUN命令到GD6201E，GD6201E會自動初始化顯示配置、PLL、上電時序和SDRAM模塊。

（3）display engine的配置：INIT_DSPE_CFG命令用于顯示屏參數還沒有初始化的情況下，實現起始行驅動、行像素和列像素的設置。

（4）時鐘配置：利用公式（1）～（6）對像素時鐘、場同步時鐘、行同步時鐘、場起止時間、行起止時間進行計算，并用INIT_DSPE_TMG命令進行配置。

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（5）命令UPD_SET_IMGADR設置SDRAM中的Display Engine Image buffer起始地址則；寄存器REG[0314h]，REG[0316h]配置Update buffer起始地址。切記將Update buffer和Image buffer的起始地址低三位設置為000b，即64的倍數，至此完成初始化程序，如圖5所示。

2.2.2 顯示屏顯示數據更新

發送命令WAIT_DSPE_TRG，等待HRDY引腳的狀態為1時發送命令LD_IMG，等待HRDY引腳狀態為1后，將圖文數據寫入SDRAM，完成數據傳輸；發送命令LD_IMG_END等待Image buffer數據更新到Update buffer中，利用UPD_ FULL命令將Update buffer數據更新到顯示屏，顯示流程如圖6所示。

需要注意的是，設計將SDRAM劃分為圖片緩存（Image Buffer）和更新顯示（Update Buffer）兩個區域。Image Buffer Area相當于內存，可以配置存儲區域的位置來存儲未壓縮的圖文信息；CPU則不能訪問Update Buffer Area，該區域用于芯片內部更新存儲信息，只可以通過寄存器配置區域位置。如果顯示屏信息更新時，從Image Buffer Area中將數據轉移到Update Buffer Area，可以利用多個Image Buffer對應一個Update Buffer來節省圖文數據加載時間，如圖7所示。寄存器（REG[0310h]～REG[0312h]）決定Image Buffer起始地址，讀寫起始地址使用UPD_SET_IMGADR命令和LD_IMG_SETADR命令進行配置；寄存器REG[0314h]～REG[0316h]則決定了Update buffer初始地址，為了使執行部分BANK刷新操作時能夠盡量較少功耗，Update buffer初始地址一般采用0x0，從而進一步實現電子紙低功耗特性。

3 結語

為嚴格控制電子紙顯示系統的硬件成本，本文采用LPC2148微控制器、顯示驅動控制芯片及自舉電源電路等硬件電路設計。本文將?C/OS-II操作系統移植到基于ARM7處理器的LPC2148中，提出基于GD6201E國產電子紙控制芯片的電子紙顯示控制系統。在?C/OS-II操作系統移植電子紙驅動控制程序，讀取SD卡中的圖文以測試系統，成功實現電子紙顯示驅動控制系統設計，系統如圖8所示。經測試，操作系統運行穩定，功耗小，硬件成本低。本文提出的電子紙顯示系統方案對今后國內電子紙驅動的進一步研究及產業化有著積極地意義。

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作者簡介

杜世遠（1988-），福建省泉州市人。碩士學位。助教。主要研究方向為信息顯示技術，醫療設備應用技術。

楊倩（1988-），山西省太原市人。碩士學位。講師。主要研究方向為光電信息顯示技術。

作者單位

1.福建衛生職業技術學院醫學技術系 福建省福州市 350101

2.福州大學至誠學院信息工程系 福建省福州市 350002endprint