基于FPGA的电子纸驱动接口设计

杜世远，林志贤，杨 倩，郭太良

(福州大学 光电显示技术研究所，福建 福州350002)

电子纸(E-paper)是新一代的显示装置，其对比度超高，超低功耗，超薄，可任意弯曲折叠，柔韧性良好［1］。当电子纸微胶囊做于柔性基板上，则其具有和纸一样的可弯曲的特性［2］，而且显示的视觉感官效果几乎和纸张一样。随着电子纸显示技术越来越成熟，其可被用于代替常规显示设备、手持设备显示，例如:电子书、IC卡和电子报纸等。电子纸不仅能提供与传统书刊类似的阅读功能和使用属性，更具有可擦写特点，减少社会对纸的需求量。目前，对电子纸技术的研究较为成熟的是E-Ink公司，其采用电泳技术的电子纸已实现产品化［3］。

1 微胶囊式电子纸工作原理

文章以E-Ink公司的电子纸显示屏为例，应用目前最为成熟的电泳技术，并采用微胶囊式双粒子体系，即在1个微胶囊中填充带电的黑白2种粒子。其主要工作原理是利用带电的电泳粒子在分散液中受到电场力的作用而发生运动来达到显示效果。该设计采用E-Ink公司的电子纸ED060SC4，分辨力为800×600，如图1所示。电子纸显示原理是依靠微胶囊结构中带电的黑色颗粒和白色颗粒的上下移动来使电子纸显示白色或者黑色。从图2电子墨水微胶囊的结构图中可以看出:在1个微胶囊结构中填充有大量的带负电的黑色颗粒和带正电的白色颗粒;而在微胶囊的上方和下方各有1个电极，上方的电极必须为透明材料才能看到显示效果，上下2个电极在微胶囊中产生电势差，带电的黑色颗粒和白色颗粒在电场力的作用下在微胶囊中上下移动而达到显示效果，因此只要根据输入的数据来改变各个像素点电场力方向就可以实现电子纸显示［4-5］。

2 电子纸驱动接口硬件设计

该系统控制核心为FPGA，设计采用ALTERA公司的EP1C6Q240C8芯片;采用2片SRAM对数据进行缓存;采用1片Flash存储器存储显示的图像数据，并通过串口通信，把计算机上的图像数据传输存储于Flash存储器中;利用开关管对电源进行控制，实现电子纸的低功耗显示。具体硬件如图3所示。计算机利用VC++软件将要显示的图文信息进行处理后通过串口与下位机进行通信，将处理后的数据传输给下位机;下位机为单片机，通过串口接收计算机传输的图文信息并把数据传输给FPGA。FPGA内部逻辑设计采用模块化设计，以原理图或VerilogHDL生成各功能模块［6］。首先，FPGA把单片机传输的图文信息存储在Flash存储器中;其次，显示图文信息时，FPGA从Flash存储器读出数据;最后，图文数据通过2片SRAM进行缓存并最终在电子纸上显示图文信息。由于电子纸具有图形信息记忆功能，即在断电的情况下可以长久地保存图形信息。因此系统增加电源管理模块，在系统需要更新电子纸图形信息时接通电源，不需要更新电子纸图形信息时切断电源，从而实现电子纸低功耗显示。

图3 系统硬件框图

3 电子纸软件编程

系统软件编程主要包括计算机数据处理与传输程序、单片机数据接收与控制程序、FPGA数据处理与控制程序。系统软件如图4所示。

由于电子纸ED060SC4只有黑白单色16级灰度，因此图文数据通过串口发送之前要先将图文数据转换为16级灰度的图文数据，因此图文数据的每个像素点占用4 bit数据位，1个字节包含2个像素。处理后的图文数据通过串口通信写入Flash中。

图4 系统软件框图

ED060SC4黑白单色16级灰度显示的原理为:把要显示的图文数据根据灰度分为16场对电子纸进行扫面显示，把这16场显示的图文信息进行叠加就产生了黑白单色16级灰度，在每场显示阶段必须严格控制时钟频率，使得每场显示1级灰度。因此在图文数据读取显示阶段，FPGA先开启电源并将整屏灰度置为0，使所有像素处于同一初始状态，同时从Flash读取需要显示的图文数据存入SRAM1，场扫描计数count，取出SRAM1的图文数据与场扫描计数count进行比较，若图文数据大于等于count，则将该位置1存入SRAM2，否则置0存入SRAM2;FPGA从SRAM2中取出数据，数据位为1就对该像素灰度累加1级。如此场扫描计数count计数16次之后结束显示控制，累加后显示的图文信息就是黑白单色16级灰度。

4 电子纸ED060SC4工作时序

电子纸内部集成有栅极和源极驱动芯片，利用电子纸的39 pin的接口控制电子内部的栅极和源极驱动模块，提供特定的驱动时序和电源管理，实现电子纸低功耗显示。图5为电子纸ED060SC4工作时序图。

图5 电子纸ED060SC4工作时序

在工作时序图中，时钟输入端CL每个周期传输1个D［7:0］的数据，1个数据对应连续的4个像素点，即每个像素对应2 bit数据。D［1:0］对应第1个像素，D［3:2］对应第2个像素，D［5:4］对应第3个像素，D［7:6］对应第4个像素。2 bit数据对应像素状态为:“00”“11”像素在显示周期内保持原来状态;“01”像素在显示周期内变黑;“10”像素在显示周期内变白。需要注意的是，由于电子纸具有图形信息记忆功能，因此在需要更新显示屏图文信息时要先将整屏的数据统一到相同的状态，即给所有像素点送相同的数据“10”，使整屏刷白。之后在启动脉冲SPV低电平响应后，从SRAM2中读取数据，若数据位为1，则给相应的像素点送数据“01”，反之送数据“00”使电子纸保持原来状态。同时电子纸从第1行开始扫描。每行包含200个数据时钟，即800个像素数据。LE在200个CL时钟后对数据进行锁存，OE对输出数据使能，在电子纸对应像素点上进行刷白或刷黑。数据在传输完1行以后输出SPH脉冲从而标志新的1行的开始，同时CKV时钟进入新的行周期。以此方法直至扫描完600行，实现电子纸帧传输。每次更新电子纸图文信息需要对电子纸进行16次帧传输，从而达到电子纸黑白单色16级灰度显示，如图6所示。

图6 电子纸16级灰度图像

5 小结

该接口系统成功实现了电子纸显示屏驱动，利用FPGA作为整个接口系统的核心处理器。系统具有功耗低、拓展性强、升级方便快捷等优点。且系统的最大特点是不使用专门的驱动芯片，设计更为灵活。

电子纸的市场规模自2007年以来飞速增长［7］，在不久的将来，电子纸还将迎来彩色时代，这将大大提高电子纸的应用范围和市场需求。因此基于FPGA而不依赖专用驱动芯片的电子纸显示系统具有很高的推广价值。

［1］张立成，瑚琪，顾玲娟.基于MSP430的电子纸驱动接口设计［J］.电子设计工程，2009，17(11):86-88.

［2］CHEN Y，AU J，KAZLAS P，et al.Flexible active-matrix electronic ink display［J］.Nature，2003，423(8):136.

［3］方玉明，刘敬宇，林平分.基于WinCE5.0的电子纸系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009(6):66-68.

［4］黄劲松，雷勇.基于PXA270的电子纸显示系统设计［J］.微型电脑应用，2008，24(4):36-38.

［5］LI Qingcheng，BAI Zhenxuan，LIU Jianzhi，et al.Design and implementation for E-paper driver［C］//Proc.2009 2nd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology.［S.l.］:IEEE Press，2009:187-190.

［6］王慧中，吴永欣，茹运蕊，等.带有外同步输入的图像处理和实时显示系统［J］.电视技术，2010，34(4):45-47.

［7］张卓，邵喜斌，王刚，等.电子纸显示技术的应用与市场情况［J］.光机电信息，2009(11):17-29.

［8］赵晓鹏，郭慧林，王建平.电子墨水与电子纸［M］.北京:化学工业出版社，2005，26-29.

［9］王静，桑俊利.电泳粒子的研究进展及其在电子纸中的应用［J］.化学推进剂与高分子材料，2009(5):11-14.

［10］马捷，朱克，李庆诚.有源矩阵电泳电子纸显示控制研究［J］.现代显示，2010(4):44-48.