基于STM32的電子紙灰度檢測系統設計

郭 輝，余世干，李林國

（阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041）

基于STM32的電子紙灰度檢測系統設計

郭 輝，余世干，李林國

（阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041）

電子紙因其低功耗特性和良好顯示效果，在手持閱讀設備和智能標簽等領域有廣泛的應用。電子紙種類繁多，現在對其顯示的每個灰階的灰度還沒有統一的量化標準，對刷新圖像時電子紙灰度的動態變化情況也還沒有便捷的測量方法。因此本文基于STM32設計了一套針對電子紙顯示灰度的檢測系統，不僅能夠量化電子紙顯示的每個灰階，還能夠準確記錄電子紙顯示灰度的動態變化情況。經測試該系統運行穩定可靠，能夠準確測量電子紙顯示的灰度狀態。

電子紙；灰度；STM32；檢測系統

電子紙（E-paper）是一種基于電子紙內部油墨粒子雙穩態特性的顯示技術，施加電壓時油墨粒子向電極移動，去掉電壓后油墨粒子仍會停留在電極附近，因此電子紙只在刷新圖像的時候耗電，顯示圖像的時候不需要供電，相對于液晶顯示或OLED顯示技術需要不斷刷新屏幕來顯示圖像，電子紙的功耗是非常低的，可以廣泛的應用在電子標簽等需要低功耗顯示的場合中[1-5]。另外電子紙無需背光源，本身也不發光，和普通紙張一樣通過反射環境光來顯示，因此電子紙的顯示效果最接近紙張，對眼睛的輻射傷害也最小，有很好的閱讀舒適度性，在閱讀設備方面也有廣泛的應用前景，市場上也已有多款基于電子紙的智能顯示設備和手持閱讀器[6-8]。

目前評價電子紙顯示器優劣的方法，除了像普通平板顯示器一樣標定像素壞點數量外，還會通過反射率檢測儀來測定電子紙的反射率[9]，不過反射率檢測儀一般是用來測量油漆、涂料的表面反射率或涂層覆蓋率的，并不是針對電子紙專門設計的測試儀器。另外，電子紙灰度變化的動態過程對于優化驅動波形和分析油墨粒子特性都有重要意義，而目前也沒有簡便的檢測方法。為解決這些問題，本文基于STM32單片機設計了一種針對電子紙顯示灰度的檢測系統，包括電子紙靜態顯示灰度的量化檢測及電子紙顯示灰度動態變化的過程檢測。

1 顯示檢測方案

目前電子紙按顯示原理分主要有微膠囊電泳、電子粉流和電濕潤顯示技術等，其中以E-ink公司的微膠囊電泳技術最為成熟。現在市場上的大部分電子紙產品都是基于這種技術，本文也是以這種技術進行檢測系統的設計，如圖1所示。這種電子紙內部是由微膠囊構成的。每個微膠囊都包含一定數量的二氧化鈦粒子和炭黑粒子，其中二氧化鈦粒子是白色的，經工藝處理后表面帶負電，炭黑粒子是黑色的，經處理后表面帶正電，在沒有外加電場的情況下，白色和黑色粒子均勻分布在微膠囊內的膠體懸浮液中。電子紙兩側電極加上電場后，微膠囊中帶電粒子會分別向兩極移動，電子紙表面的公共ITO電極是透明的，會顯示出聚集到ITO電極附近的粒子顏色。控制電場施加的時間可以使電子紙呈現出不同的灰階[10]。

根據電子紙中黑色粒子和白色粒子對光的吸收率和反射率不同，設計了圖2所示的電子紙灰度檢測系統，在一個封閉的黑色腔體內放置一顆白色發光LED和一枚光敏傳感器，兩者之間放置隔光板，腔體開出孔洞用于放置被檢測的電子紙，檢測時LED發出的光通過電子紙表面反射到光敏傳感器，AD轉換器將光敏傳感器的模擬量變化轉換為數字信號發送給STM32，STM32再將采集的數據處理后通過顯示模塊顯示出來，同時將數據發送給上位機做進一步的處理。

圖2 電子紙灰度檢測系統原理圖

2 檢測系統設計方案

2.1 STM32處理器

STM32是意法半導體推出的基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器，按性能分有STM32F101“基本型”，STM32F103“增強型”和STM32F105、STM32F107“互聯型”等系列，基于本系統的檢測要求采用STM32F103CBT6系列芯片，時鐘頻率72 MHz，具有32個I/O，2個12位AD采樣通道，最高采樣頻率1 MHz，處理性能和外設資源都足以滿足系統的設計要求。

2.2 AD采樣方案

目前市場上已有的電子紙產品，在屏幕刷新的時候一般都會伴有閃屏，就是屏幕先全黑再全白，然后再顯示對應的灰度圖像，雖然變化速度很快，但是眼睛還會感覺的到，為了檢測這一動態過程，AD采樣頻率設置為10 kHz，即每隔0.1 ms對光敏傳感器輸出的模擬量采樣一次，這樣可以完整的記錄電子紙灰度的動態變化過程，通過分析這一動態過程，可以觀察油墨粒子的運動情況和響應速度，還可以還原電子紙在刷屏時的驅動波形，這對優化電子紙的驅動波形和油墨粒子性能都有很大的參考價值。

常見的AD轉換芯片一般用在多通道高速采樣場合，而本文的檢測系統只需采集一個光敏傳感器的模擬量，是單通道采樣，所使用的STM32F103系列芯片內置2路12位的AD采樣通道，采樣速度和精度也都足以滿足系統檢測要求，因此設計采用STM32F103芯片內置的AD轉換器對光敏傳感器輸出的模擬量進行采樣。

2.3 光敏傳感器

光敏傳感器根據輸入輸出信號量的關系可以分為線性和非線性，根據工作原理和結構來分有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。

光敏電阻一般采用具有內光電效應的半導體材料制作，在光照的作用下材料的阻值明顯變小，這種現象稱為光導電效應。在光敏電阻兩端加上電壓，受到適當波長的光線照射時，通過光敏電阻的電流就會隨光強的變化而變化，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，是純電阻器件，使用時既可加直流電，也可以加交流電。其特點是容易受環境溫度影響，強光下線性度較差，光電馳豫過程較長，不適合用在光照強度快速變化的場合[11]。

光敏二極管外形與普通二極管相似，但制作工藝不同，其管芯是一個具有光敏特性的PN結，工作時需加上反向電壓，無光照時，有很小的反向暗電流，當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵而產生電子空穴對，也叫光生載流子，載流子在反向電壓作用下向電極移動而產生電流，光的強度越大，產生的載流子越多，反向光電流也就越大，因此輸出了一個隨光照強度的變化而變化的電流信號。光敏二極管的特點是頻率響應特性好，對光照強度變化可以瞬時響應，在一定光強范圍內還具有良好的線性輸出，用不同材料制作的光敏極管可以具有不同的光譜特性[12]。

光敏三極管又稱光電三極管，可以等效為一個光敏二極管和一個半導體三極管放大輸出，相對于普通光敏二極管，光敏三極管對弱光更為敏感，若光強稍大則容易達到飽和狀態，所以輸出電流的線性度較差，一般用在弱光環境或靈敏度要求高的場合輸出開關信號量[13]。

電子紙的灰度檢測范圍包括反射率較大的白色和反射率較低的黑色，光敏傳感器接收的反射光強變化范圍較大，需要光敏傳感器在大范圍光強變化時有良好的線性輸出，另外，進行電子紙顯示灰度動態變化的過程檢測時光強變化速度較快，這就要求光敏傳感器要有良好的頻率響應特性，經測試三種光敏傳感器，發現光敏二極管的輸出信號在電子紙灰度變化范圍內有良好的線性度，頻率響應也足以滿足對電子紙灰度動態變化的檢測要求，所以采用光敏二極管作為檢測系統的光敏傳感器。

除了以上各個模塊，為了保證系統穩定運行還有給系統供電的電源模塊，調試系統和給系統編程的JTAG模塊，以及顯示檢測數值的數碼管顯示模塊等，在進行電子紙顯示灰度的動態檢測時，會把數據通過串口發送給上位機做進一步的處理。檢測系統的硬件結構圖如圖3所示。

圖3 電子紙灰度檢測系統硬件結構圖

3 檢測系統測試

3.1 電子紙灰度量化檢測

為測試檢測系統，購買了市場上某品牌的電子紙閱讀器進行測試，該電子紙閱讀器的圖像可以實現16個灰階顯示，不僅可以顯示閱讀文本，也可以顯示各種圖片。根據國際標準色卡的16進制代碼，制作了16個灰階的圖像下載到閱讀器中，然后依次顯示檢測。采用國際標準色卡的黑白比色卡實物作為對照標準，將光敏傳感器測量的白色比色卡作為灰度的最小值Gmin，將黑色比色卡測量值作為灰度的最大值Gmax，再測量電子紙顯示的不同灰階的值Gx，然后與Gmin、Gmax計算得出電子紙顯示灰階的灰度百分比G，可簡稱為灰度比，計算公式如下：

對電子紙顯示的16階灰度的圖像進行測量，得出了不同灰度圖像的灰度比，如表1所示。由表1可以看到，設計的檢測系統能夠很好的區分電子紙閱讀器顯示的各個灰度，并能夠對每個灰度給出對應的量化數值，同時也可以看出，電子紙閱讀器顯示的最黑的灰階的灰度比為91.6，與標準比色卡的黑色相差不到10%，顯示的最白的灰階的灰度比為13.5，相對而言與標準比色卡的白色相差較大。說明電子紙顯示的黑色更接近標準比色卡的黑色，而電子紙顯示的白色和標準比色卡的白色差距略大，因此電子紙在顯示白色灰階時還有較大的優化空間使其顯示的更白。

表1 電子紙顯示16階灰度的灰度比

所顯示的灰度

3.2 電子紙灰度動態變化的過程檢測

在電子紙閱讀器刷新圖像時，可以感覺到屏幕的閃爍現象。電子紙灰度的動態變化過程，實際是電子紙驅動電壓的變化導致微膠囊內油墨粒子運動狀態的變化，對電子紙灰度動態變化過程的檢測，不僅可以觀察電子紙微膠囊內黑白粒子的分布情況，還可以反映電子紙在刷新屏幕時驅動波形的情況。通過分析電子紙刷新屏幕時微膠囊內黑白粒子的運動和分布情況，可以優化驅動波形，也可以有針對性的優化微膠囊內黑白粒子的配比和粒子尺寸等，對于優化電子紙的高對比度和低功耗顯示效果都有重要的參考價值。

圖4給出了電子紙閱讀器在刷新屏幕時灰度比的動態變化情況。圖4（a）是從白色灰階分別刷新顯示黑白灰色灰階時灰度比的變化曲線，圖4（b）是從黑色灰階分別刷新顯示黑白灰色灰階時灰度比的變化曲線。可以看到在屏幕刷新時電子紙都會先經歷變白變黑再變白的過程，然后才顯示對應的灰階。通過分析灰度比的動態變化曲線，也可以描繪出電子紙屏幕刷新時驅動電壓的變化情況。

電子紙顯示的灰階圖像是由每個微膠囊像素電極的電壓(-15～15 V)決定的。像素電極加負電壓時吸附帶正電的炭黑粒子，排斥帶負電的二氧化鈦粒子，使得白色的二氧化鈦粒子向頂部的公共電極運動，電子紙就呈現出白色；像素電極加正電壓時則吸附帶負電的二氧化鈦粒子，排斥炭黑粒子，炭黑粒子聚集在頂部的透明電極附近，電子紙就呈現出黑色[14,15]。如圖5所示，Te時加負電壓使電子紙變白，其作用是擦除之前顯示的圖像；Ta階段先加正電壓再加負電壓，電子紙會變黑再變白形成閃爍現象，作用是激活微膠囊內的油墨粒子；在Tw階段控制像素電極加正電壓的時間可使電子紙呈現出不同的灰度。本文設計的電子紙灰度檢測系統，可以更好觀察與分析這一動態過程。

圖4 電子紙閱讀器灰度比動態曲線

圖5 電子紙驅動波形示意圖

4 結束語

本文基于STM32設計了一種針對電子紙顯示灰度檢測系統，包括電子紙靜態顯示灰度的量化檢測，以及電子紙顯示灰度動態變化的過程檢測。通過分析比較各種光敏傳感器的原理和特性，采用具有良好線性度和頻率響應特性的光敏二極管作為檢測系統的光敏元件。通過STM32對光敏二極管進行AD采樣，然后計算得出電子紙顯示的各個灰階的灰度比。經測試，該檢測系統能夠很好的區分電子紙閱讀器顯示的各個灰度，并能夠對每個灰度給出對應的灰度比數值。過程檢測功能也能夠很好的記錄電子紙顯示灰度的動態變化情況，通過分析刷新屏幕時灰度比的動態變化曲線，可以直觀的反應電子紙電子紙驅動電壓變化情況，以及微膠囊內油墨粒子的分布情況。經過測試，本文設計的灰度檢測系統可以準確高效的測量電子紙顯示的灰度等級和灰度動態變化情況，這不僅可以方便的分析與優化電子紙的驅動波形和刷新速度，對于分析微膠囊中黑白粒子的運動狀態和優化粒子配比等也有重要的參考意義。

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Design of electronic paper’s grayscale detection system based on STM32

GUO Hui，YU Shi-gan，LI Lin-guo
（College of Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui,236041,China）

As electronic paper features low power consumption and good display effects,it has been extensively applied in hand-held reading equipment,smart tag and other fields.There are many kinds of electronic paper devices,but no uniform quantization standard for the gray level displays,besides,there`s not a convenient method to measure the dynamic change of the gray level of electronic paper.In this paper,a set of electronic paper display grayscale detection system has been designed based on MCU STM32,the system can not only be used to quantify the gray level displayed by the electronic paper,but also accurately record the dynamic changes of the gray level displaying.After a scientific testing,the system is stable and reliable,which can accurately measure the grayscale displayed by electronic paper.

electronic paper;grayscale;STM32;detection system

TP368.1

A

1004-4329（2017）03-059-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）03-059-05

2017-04-23

安徽高校自然科學研究項目重點項目（KJ2017A837，KJ2017A838）；阜陽師范學院自然科學研究項目（2015FXXZK02）資助。

郭 輝（1987- ），男，碩士，助教，研究方向：智能化儀器儀表。