基于NFC与Qi的无源电子纸显示设计

李　莎，张凤登

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于NFC与Qi的无源电子纸显示设计

李莎，张凤登

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

摘要传统的电子纸显示装置耗电量大、内容更换繁琐，为增强其便捷性、缩小体积、降低功耗，文中基于LPC824结合近场通信技术与无线充电技术，并配合手机App设计了一款终端无源的电子纸显示装置。将带有NFC功能的手机靠近显示装置，可刷新电子纸上信息，移开手机后，信息可长期保留，且无需电源供电。通过对设计方案进行测试，实验结果验证了该方案的合理性与实用性。

关键词NFC；电子纸；无线耦合；LPC824

本设计是将电子纸、NFC(Near Field Communication)和无线供电技术融合起来，开发的一款零功耗电子纸显示装置。可用作超市内价格标签、广告牌、博物馆展示牌等[1-3]。

1系统设计方案

系统整体设计框图如图1所示，由带有NFC功能的手机App发送图像信息，通过射频天线耦合至NTAG芯片，当NTAG芯片解调后将信息通过I2C传送MCU(LPC824)，MCU 通过SPI 总线刷新电子纸上内容，之后电子纸上信息可在无源情况下长期保留[4-6]。

图1　系统设计结构框图

2系统硬件设计

MCU主控电路如图2所示，系统采用LPC824作为主控芯片，硬件系统主要包括最小系统、LED显示模块、电子纸屏显示模块、Ntag天线接收模块和无线供电射频模块等。无线供电射频模块还包括无线电能发射控制电路、无线电能发射尖峰检测电路、无线电能发射功率放大电路。主控电路与Ntag天线接收模块之间利用I2C进行数据传输，其与电子纸屏显示模块之间利用SPI进行数据传输[7]。

2.1MCU电路设计

将3个不同颜色的 LED 作为指示灯,RES,D/C,BUSY,BS为电子纸屏控制线，SPI作为电子纸的通讯接口，P0_24作为SCLK，P0_26 作为MOSI，FD、SCL、SDA的3个引脚为Ntag接口，其中FD接入芯片外部中端。当Ntag信号解调完毕，CPU进入中断，通过I2C读取Ntag内容存入Buff。

图2　MCU主控电路

2.2电子纸屏显示电路

本设计所用电子纸可显示4灰度黑白图片，大小为 2.9 英寸，分辨率为296×128。MCU通过SPI通讯接口与电子纸进行通信，并用特殊的GPIO口控制电子纸复位、数据和命令传输、以及指示电子纸显示状态等[8]。

2.3Ntag天线接收电路

Ntag天线接收电路使用恩智浦(NXP)的NtagI2C芯片 NT3H1101。其支持NFC协议，且带I2C通讯功能。电路从NFC 设备接收射频信息，经解调后，数据通过I2C总线传送到MCU。Ntag I2C芯片带有可配置的场检测管脚FD，可根据RF天线接口是否有磁场或者通信是否开始提供触发功能。当数据到达时，可支持唤醒功能，且由fast read命令来快速读取数据。fast read命令需要知道起始页的地址和终止页的地址，然后返回所选地址内的4×nByte。Write命令需要知道起始地址，然后写4 Byte数据到指定的页内[9]。

2.4无线供电设计原理

2.4.1无线供电射频电路

无线供电射频电路如图3所示，主要包括两个功能单元，即功率转换单元和通信控制单元。初级线圈作为功率转换单元的磁场产生元件，通信控制单元根据功率接收单元调节传输功率的大小。同时，图中所示的系统单元包括其他所有单元的功能，如输入功率配置、电能提取，多功率发射控制和用户界面。

图3　无线供电原理

2.4.2无线供电的功率控制

功率发射单元利用输入电压到半桥逆变器，从而控制功率大小的传输。在功率传输时为了得到足够准确的校正，功率发射器必须能控制输入电压的精度在35 mV或更好。为达到这一目的功率接收器在移动设备上选择一个其想要的控制点，功率接收器用想要得到的控制点和真实的控制点计算控制错误值，例如两个输出电压或电流的不同，而这一控制算法主要采用PID算法，算法过程如图4所示[10-11]。

(1)

式中，j=1,2,3…表示接收控制误差数据包的次数；c(j)表示控制误差包接收到的数据；

(2)若c(j)≠0,功率发射器会在时间tactive内校正初级子感应区电流。此校正过程采用PID算法，过程如下：计算新初级子感应电流与实际初级子感应电流之差，其中i=1,2,3…表示每个循环中的迭代次数。

(2)

分别计算P、I、D

P(j,i)=Kp·e(j,i)

(3)

I(j,i)=I(j,i-1)+ki·e(j,i)·ttinner

(4)

(5)

PID(j,i)=P(j,i)+I(j,i)+D(j,i)

(6)

其中，kp=0.02 mA-1，ki=0 mA-1ms-1，kd=0 mA-1ms-1,I(j,0)=0,e(j,o)=0,tinner代表最后一次迭代的时间imax。

根据PID计算新的电压值发送给功率转换单元

v(j,i)=vj,i-1-SvPID(j,i)

(7)

其中，Sv=-1 mV。

图4　PID算法流程图

3软件设计与流程

图像信息由手机上的App通过NFC传送到Ntag芯片，当Ntag芯片完成信息解调之后，FD置位，随后主控芯片通过I2C从Ntag的SRAM读取图片内容，一共读取150次，将一副图片完整的信息读入Flash，然后通过SPI将图像信息刷新至电子纸，刷新时点亮指示灯，待刷新完毕后指示灯灭，此时移开手机，电子纸上的图像将永久保留。图5为软件设计主流程图，每次传输之前首先将Ntag置Passthrough模式，然后启动Ntag中64 Byte的SRAM，等待FD-pin 置位，将接收的信号转换成完成至SRAM中，接着从Ntag中的SRAM中通过I2C将读入sram_buf中，判断读取的图片信息是否正确，正确则继续读取下一帧数据，待图片信息读取完成后，若错误则将错误代码返回给Ntag，由其发送至手机，App接收到错误信息后，重发帧数据，待整幅图片信息正确后，启动Epaper供电，并将图片信息由SPI传送至电子纸，等待刷新完成后关闭指示灯，结束对电子纸的一次打印。

图5　软件设计主流程图

4实验结果和分析

本设计软件编译平台选用LPCXpresso，利用Eclipse将编译好的Ntagdemo.apk下载至手机并安装，开启手机NFC功能，打开App。App通过Red、Blue、Green这3个按钮进行通信，将图片内容发送至电子纸终端NTAG的E2prom中。Green用来实现清屏功能，Blue 用于显示手机里预先存储的第1幅图，Red用于显示手机里预先存储的第2幅图。制作好的电子纸显示装置如图6所示，深色线圈为NFC天线用于接受信号，下面的浅色线圈是电源接受电路天线。

图6　电子纸显示装置

当需要更换价签内容时，将手机贴在天线上方，按下 Green 按钮观察绿色 LED 是否点亮，如若点亮则说明供电和通讯已经成功，且此时电子纸上的内容会被彻底清除，电子纸变成白色，如图7所示。待刷新完成之后，指示灯熄灭，随后挪开手机，图片信息将永久保留在电子标签上。当按下Red键可切换第二幅图片。

图7　NFC手机传输的图像

5结束语

设计了基于NFC与Qi的无源电子纸显示系统设计，实现了NFC传输数据，并利用无线耦合技术在信息传输时为电子纸提供电能。从节能和便捷的角度出发，为用户提供了一种更有效的实施方案。但由于国内针对NFC技术在电子纸显示方面的技术，以及电子纸屏技术的发展仍不够完善，因此对于此研究还有待进一步完善，如电子纸分辨率、大小、动画显示等。

参考文献

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Design of No-power E-paper Based on NFC and Qi

LI Sha，ZHANG Fengdeng

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

AbstractThere are some disadvantages about traditional e-paper display device，such as huge power consumption,inconvenience content update.So,a terminal passive e-paper display device which based on LPC824 ,combined NFC and wireless charging technology and configured APP is designed to enhance the convenience,reduce the volume and power consumption. It can refresh the information of the e-paper when the NFC Mobile phone gets close to the disply device,and retain the information for a long time while the phone gets away from the device , all of it no need power supply. Finally,test for the design is done and the experimental results proved the rationality of the scheme, confirmed the theoretical research significance and practicability of the design.

KeywordsNFC；e-paper；wireless coupling；LPC824

收稿日期:2015-10-24

基金项目:上海市自然科学基金资助项目(15ZR1429300)

作者简介:李莎(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.020

中图分类号TP368.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-068-04