基于FPGA的電子紙驅動接口設計

杜世遠，林志賢，楊 倩，郭太良

(福州大學 光電顯示技術研究所，福建 福州350002)

電子紙(E-paper)是新一代的顯示裝置，其對比度超高，超低功耗，超薄，可任意彎曲折疊，柔韌性良好［1］。當電子紙微膠囊做于柔性基板上，則其具有和紙一樣的可彎曲的特性［2］，而且顯示的視覺感官效果幾乎和紙張一樣。隨著電子紙顯示技術越來越成熟，其可被用于代替常規顯示設備、手持設備顯示，例如:電子書、IC卡和電子報紙等。電子紙不僅能提供與傳統書刊類似的閱讀功能和使用屬性，更具有可擦寫特點，減少社會對紙的需求量。目前，對電子紙技術的研究較為成熟的是E-Ink公司，其采用電泳技術的電子紙已實現產品化［3］。

1 微膠囊式電子紙工作原理

文章以E-Ink公司的電子紙顯示屏為例，應用目前最為成熟的電泳技術，并采用微膠囊式雙粒子體系，即在1個微膠囊中填充帶電的黑白2種粒子。其主要工作原理是利用帶電的電泳粒子在分散液中受到電場力的作用而發生運動來達到顯示效果。該設計采用E-Ink公司的電子紙ED060SC4，分辨力為800×600，如圖1所示。電子紙顯示原理是依靠微膠囊結構中帶電的黑色顆粒和白色顆粒的上下移動來使電子紙顯示白色或者黑色。從圖2電子墨水微膠囊的結構圖中可以看出:在1個微膠囊結構中填充有大量的帶負電的黑色顆粒和帶正電的白色顆粒;而在微膠囊的上方和下方各有1個電極，上方的電極必須為透明材料才能看到顯示效果，上下2個電極在微膠囊中產生電勢差，帶電的黑色顆粒和白色顆粒在電場力的作用下在微膠囊中上下移動而達到顯示效果，因此只要根據輸入的數據來改變各個像素點電場力方向就可以實現電子紙顯示［4-5］。

2 電子紙驅動接口硬件設計

該系統控制核心為FPGA，設計采用ALTERA公司的EP1C6Q240C8芯片;采用2片SRAM對數據進行緩存;采用1片Flash存儲器存儲顯示的圖像數據，并通過串口通信，把計算機上的圖像數據傳輸存儲于Flash存儲器中;利用開關管對電源進行控制，實現電子紙的低功耗顯示。具體硬件如圖3所示。計算機利用VC++軟件將要顯示的圖文信息進行處理后通過串口與下位機進行通信，將處理后的數據傳輸給下位機;下位機為單片機，通過串口接收計算機傳輸的圖文信息并把數據傳輸給FPGA。FPGA內部邏輯設計采用模塊化設計，以原理圖或VerilogHDL生成各功能模塊［6］。首先，FPGA把單片機傳輸的圖文信息存儲在Flash存儲器中;其次，顯示圖文信息時，FPGA從Flash存儲器讀出數據;最后，圖文數據通過2片SRAM進行緩存并最終在電子紙上顯示圖文信息。由于電子紙具有圖形信息記憶功能，即在斷電的情況下可以長久地保存圖形信息。因此系統增加電源管理模塊，在系統需要更新電子紙圖形信息時接通電源，不需要更新電子紙圖形信息時切斷電源，從而實現電子紙低功耗顯示。

圖3 系統硬件框圖

3 電子紙軟件編程

系統軟件編程主要包括計算機數據處理與傳輸程序、單片機數據接收與控制程序、FPGA數據處理與控制程序。系統軟件如圖4所示。

由于電子紙ED060SC4只有黑白單色16級灰度，因此圖文數據通過串口發送之前要先將圖文數據轉換為16級灰度的圖文數據，因此圖文數據的每個像素點占用4 bit數據位，1個字節包含2個像素。處理后的圖文數據通過串口通信寫入Flash中。

圖4 系統軟件框圖

ED060SC4黑白單色16級灰度顯示的原理為:把要顯示的圖文數據根據灰度分為16場對電子紙進行掃面顯示，把這16場顯示的圖文信息進行疊加就產生了黑白單色16級灰度，在每場顯示階段必須嚴格控制時鐘頻率，使得每場顯示1級灰度。因此在圖文數據讀取顯示階段，FPGA先開啟電源并將整屏灰度置為0，使所有像素處于同一初始狀態，同時從Flash讀取需要顯示的圖文數據存入SRAM1，場掃描計數count，取出SRAM1的圖文數據與場掃描計數count進行比較，若圖文數據大于等于count，則將該位置1存入SRAM2，否則置0存入SRAM2;FPGA從SRAM2中取出數據，數據位為1就對該像素灰度累加1級。如此場掃描計數count計數16次之后結束顯示控制，累加后顯示的圖文信息就是黑白單色16級灰度。

4 電子紙ED060SC4工作時序

電子紙內部集成有柵極和源極驅動芯片，利用電子紙的39 pin的接口控制電子內部的柵極和源極驅動模塊，提供特定的驅動時序和電源管理，實現電子紙低功耗顯示。圖5為電子紙ED060SC4工作時序圖。

圖5 電子紙ED060SC4工作時序

在工作時序圖中，時鐘輸入端CL每個周期傳輸1個D［7:0］的數據，1個數據對應連續的4個像素點，即每個像素對應2 bit數據。D［1:0］對應第1個像素，D［3:2］對應第2個像素，D［5:4］對應第3個像素，D［7:6］對應第4個像素。2 bit數據對應像素狀態為:“00”“11”像素在顯示周期內保持原來狀態;“01”像素在顯示周期內變黑;“10”像素在顯示周期內變白。需要注意的是，由于電子紙具有圖形信息記憶功能，因此在需要更新顯示屏圖文信息時要先將整屏的數據統一到相同的狀態，即給所有像素點送相同的數據“10”，使整屏刷白。之后在啟動脈沖SPV低電平響應后，從SRAM2中讀取數據，若數據位為1，則給相應的像素點送數據“01”，反之送數據“00”使電子紙保持原來狀態。同時電子紙從第1行開始掃描。每行包含200個數據時鐘，即800個像素數據。LE在200個CL時鐘后對數據進行鎖存，OE對輸出數據使能，在電子紙對應像素點上進行刷白或刷黑。數據在傳輸完1行以后輸出SPH脈沖從而標志新的1行的開始，同時CKV時鐘進入新的行周期。以此方法直至掃描完600行，實現電子紙幀傳輸。每次更新電子紙圖文信息需要對電子紙進行16次幀傳輸，從而達到電子紙黑白單色16級灰度顯示，如圖6所示。

圖6 電子紙16級灰度圖像

5 小結

該接口系統成功實現了電子紙顯示屏驅動，利用FPGA作為整個接口系統的核心處理器。系統具有功耗低、拓展性強、升級方便快捷等優點。且系統的最大特點是不使用專門的驅動芯片，設計更為靈活。

電子紙的市場規模自2007年以來飛速增長［7］，在不久的將來，電子紙還將迎來彩色時代，這將大大提高電子紙的應用范圍和市場需求。因此基于FPGA而不依賴專用驅動芯片的電子紙顯示系統具有很高的推廣價值。

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