基于PXA270的電子紙顯示系統

摘要： 本文分析了電子紙顯示原理以及電子紙顯示的優點，提出一種全新的電子紙顯示系統解決方案。采用基于XScale架構處理器PXA270的電子紙顯示系統，是一種高性能的完善的電子紙系統平臺，實現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，實現了電子紙驅動的模塊化設計，系統即使在低功耗的情況下也能實現高亮度及優越的可讀性。整個系統具有低功耗、擴展性強、系統融合難度低等優點。

　　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解決方案，使系統反應速度更快，系統擴展性更強，易于移植先進的嵌入式操作系統，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的微膠囊來實現圖像顯示的。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? 電子墨水微膠囊剖面圖

　　電子紙顯示系統設計

　　我們設計的電子紙顯示系統，是采用一種全新的處理器方案驅動電子紙顯示，該系統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據接口。PXA270部分主要責任是整合整個系統，將電子紙驅動部分作為其整個系統的一個部件，生成驅動模塊，在系統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，作為系統動態存儲器。HY57V561620FTP-H是4 Banks X 4M X 16Bit Synchronous DRAM,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時鐘信號SDCLK1、SDRAM時鐘使能SDCKE等。

　　Nor Flash靜態存儲部分采用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復雜，所需要的電壓值比較多，本系統設計采用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，尤其適用于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。

　　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);支持握手協議的8位并行雙向異步數據總線接口，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，再根據當前溫度查詢對應的數據表格，依相應數據輸出驅動。因此在上電后需對電子紙進行顯示初始化，這樣后續的圖片顯示就有較好的基準值。顯示初始化后RAM1數據全置為1，第一幅圖片數據存于RAM2，顯示第一幅圖片時將RAM2與RAM1進行比對，查表顯示輸出;第二幅圖片數據存于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，循環執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

　　系統軟件設計

　　嵌入式系統軟件設計部分主要包括操作系統、驅動程序及應用程序。本系統設計了操作系統和驅動程序，應用程序的開發需根據實際系統需求設計。PXA270的開發平臺選擇Linux嵌入操作系統，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。系統工作的執行過程為：首先通過供電單元提供的電源進行系統上電，接著啟動Bootloader,然后開始加載嵌入式Linux系統內核，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

　　本系統實現了一種全新的電子紙顯示系統，選用XScale架構處理器PXA270作為整個系統的核心處理器，具有功耗低、擴展性強、系統融合難度低等優點。系統實現了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，易于被嵌入式操作系統調用。在本系統的基礎上擴充音頻、MMC card、Bluetooth、USB、觸摸屏、WLAN等技術即可實現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，這樣能夠突破教材的限制，真正實現無紙化辦公，完全改變我們現在的閱讀習慣。

　　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