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基于MSP430F413为例的电子纸驱动接口设计

1 引言
主控制器MSP430F系列单片机是一种超低功耗混合信号16位单片机系列,采用16位精简指令系统,125 ns指令周期,大部分指令在一个指令周期内完成,16位寄存器和常数发生器,发挥最高代码效率,而且片内含有硬件乘法器,大大节省运算时间。该器件采用低功耗设计,具有5种低功耗模式,电压范围为1.8~3.6 V。在工作模式下,3 V工作电压1 MHz工作频率时电流为240μA;在待机模式下,电流为0.7μA;掉电模式(RAM数据保持不变)电流为0.1μA。考虑到低功耗设计。选用 MSP430F413型单片机,在线系统设计、开发调试及实际应用上都表现出与其他单片机非常明显的优势。


电子纸(ePaper)是新一代的显示装置,其对比度超高,超低功耗,超薄,且可任意弯曲折叠,柔韧性良好。电子纸的应用出现急速扩大,应用于超市价格标签、在手机、电子书阅读器。电子纸已成为继液晶与OLED之后便携式电子装置使用的新型显示技术。这里提出一种采用MSP43OF413单片机的电子纸驱动接口设计方案。MSP430F413自带LCD显示单元,在软件设计中可将其显示内存作为刷新电子纸显示的内存,从而节约MCU的内存资源。

2 电子纸硬件设计

本设计采用E-INK公司段码式电子纸,如图1所示。电子纸是在两层透明软片间夹放带静电的有色小球,两种颜色颗粒、分别带正负不同静电,胶片外面加以正负电极,由于同性排斥、异性相吸,小球位置移动,点亮某段,图2为电子墨水微胶囊剖面图。电子纸真值表与静态显示液晶模块相类似,分为SEG段和 TopPlane段,当SEG段和TopPlane段存在一个电势差时,电子纸中的电子墨水就会移动,相应段就会点亮和熄灭。

E-INK公司段码式电子纸
图3为系统硬件连接图,电子纸需要专门的驱动器方可驱动显示,本设计的电子纸驱动器件采用EPSON公司生产的S1C05112,S1C05112内置接口电路和驱动电子纸模块,采用3 V供电,便于与MCU通信。电子纸驱动模块分别与MCU的I/O 口连接。通过I/O模拟电子纸驱动模块时序图。主控制器通过软件实现电子纸驱动模块的初始化启动、刷新显示和关断。

系统硬件连接图
3 软件设计

软件部分采用模块化的设计思想,把程序化繁为简,便于程序的设计、调试及维护。程序设计中采用了宏定义,便于程序移植。南于电子纸每次显示都必须全部刷新,占用控制器的大部分内存资源,因此设计有效利用其LCD自带RAM,将需要显示的数据存放在其中,若想刷新显示,只需更新LCD自带RAM中数据并调用显示函数即可。

3.1 电子纸驱动初始化

初始化内容包括电子纸DC-DC转换器设置,片选使能以及时钟信号的输入,为显示刷新做好充分准备,图4为通信时序图。上电顺序依次为LO_ACT.XCS,DD_ACT。

通信时序图

相关程序代码

3.2 刷新显示电子纸

该函数读取LCDRAM中的数据,通过查询LCDRAM中的数据然后直接送到I/O端口,电子纸驱动器件获取显示数据后刷新电子纸。其相关程序代码如下:

相关程序代码

3.3 低功耗设计

通过配置电子纸驱动的电源模块将其功耗降至最低,即拉低电子纸驱动的配置位DD_ACT和LO_ACT,电子纸驱动器件处于待机状态。此时电子纸仍可显示,包括掉电时。

低功耗设计

4 功耗分析

表1是整个接口的功耗分析,将MCU和S1C05112分为工作和待机两个状态进行分析。

整个接口的功耗分析

由表1可以看出,整个接口的总待机电流仅为0.2μA,在运算状态也只有240μA,在实际应用中显示刷新的频率不尽相同,240μA是系统工作的极限状态,这是一般的显示装置所不能比拟的。

5 结束语

随着现代电子技术的发展,人们对便携电子产品的要求越来越高.超长时间待机和超薄设计是便携产品最难解决的问题,电子纸的诞生完美的解决了该难题。电子纸是新生代的显示装置,有着其他显示设备所无法比拟的特性,在介绍电子纸驱动模块与单片机接口的同时,给出电子纸显示模块相应的功能子程序,由于只采用 I/O和定时器,因此这里所讨论的内容也适用于其他型号MCU。



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