基于WinCE5.0的電子紙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在當(dāng)今的桌面和嵌入式兩個(gè)系統(tǒng)中，陰極射線管(CRT)技術(shù)和液晶顯示(LCD)技術(shù)是屏幕印刷的兩大主流技術(shù)。這兩大技術(shù)有一個(gè)共同的特點(diǎn)——需要?jiǎng)討B(tài)刷新整個(gè)屏幕來維持顯示，即光柵動(dòng)態(tài)掃描。這種技術(shù)使得陰極射線管和液晶顯示需要不斷地消耗電能維持顯示，因此，它們并不適合移動(dòng)嵌入式閱讀應(yīng)用。

電子紙的出現(xiàn)改變了這種狀況。電子紙，也可以稱為“像紙一樣薄、可擦寫的顯示器”，是專門用于閱讀的電子裝置;其對(duì)比度較高、文字清晰、支持屏幕手寫、耗電量極小，并且能夠輕輕彎曲，也被業(yè)內(nèi)人士稱為“電子紙手寫平板電腦”。目前，擁有電子紙技術(shù)的公司主要有E-ink、東芝、摩托羅拉、LBM等公司。其中E-ink公司的電子紙技術(shù)比較成熟，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，主要有Sony公司的電子書閱覽器PRS-500和iRex公司的便攜式電子紙手寫電腦iLiad 等。

最近，F(xiàn)reescale公司推出的MX31平臺(tái)下的多媒體應(yīng)用處理器，最高主頻可以達(dá)到532 MHz，提供了高性能的多媒體處理技術(shù)，它具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)等特點(diǎn)。基于以上特點(diǎn)，本文提出了基于MX31的電子紙顯示系統(tǒng)解決方案，配合 WinCE5.O操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，功耗更低、系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)，采用6 in四級(jí)灰度顯示，使得顯示更加逼真，達(dá)到了閱讀效果和舒適程度與傳統(tǒng)的打印紙一樣的效果。

1 電子紙顯示原理

電子油墨是一種加工成薄膜狀的專用材料，與電子顯示設(shè)備結(jié)合在一起使用，是化學(xué)、物理學(xué)和電子技術(shù)的綜合應(yīng)用。電子油墨由數(shù)百萬個(gè)尺寸極小的微膠囊構(gòu)成，直徑與頭發(fā)絲相當(dāng)。每一個(gè)微膠囊中含有白色和黑色顆粒，分別帶有正電荷和負(fù)電荷，它們懸浮在清潔的液體中。如圖1所示，電子油墨薄膜的頂部是一層透明材料，作為電極端使用;底部是電子油墨的另一個(gè)電極，微膠囊夾在這兩個(gè)電極問。微膠囊受負(fù)電場(chǎng)作用時(shí)，白色顆粒帶正電荷而移動(dòng)到微膠囊頂部，相應(yīng)位置顯示為白色;黑色顆粒由于帶負(fù)電荷而在電場(chǎng)力作用下到達(dá)微膠囊底部，使用者不能看到黑色。如果電場(chǎng)的作用方向相反，則顯示效果也相反，即黑色顯示，白色隱藏?？梢姡灰淖冸妶?chǎng)作用方向就能在顯示黑色和白色間切換，白色部位對(duì)應(yīng)于紙張的未著墨部分，而黑色則對(duì)應(yīng)著紙張上的印刷圖文部分。

2 整體方案

電子紙顯示系統(tǒng)目前已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，比如電子閱覽器。目前市場(chǎng)上的所有電子紙產(chǎn)品幾乎都是基于Linux操作系統(tǒng)的，因?yàn)長(zhǎng)inux操作系統(tǒng)的界面可以很容易地實(shí)現(xiàn)界面定制化。但是，可以預(yù)見的是，基于WinCE操作系統(tǒng)的電子紙屏幕系統(tǒng)的產(chǎn)品很快會(huì)問世，并且相對(duì)于Linux平臺(tái)，WinCE具有更人性化的界面和更多樣化的功能。通過使用WinCE操作系統(tǒng)，可以方便地在電子紙系統(tǒng)中擴(kuò)展Microsoft的應(yīng)用程序，比如，可以在電子紙系統(tǒng)中看 Word、PPT等文檔，甚至可以上網(wǎng)瀏覽新聞，收發(fā)郵件，使用即時(shí)通信軟件等等。相信，在不久的一天，電子閱覽器不僅僅可以進(jìn)行書籍的閱讀，而且可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的辦公。因此，本系統(tǒng)在Freescale公司的MX31硬件平臺(tái)上，采用WinCE5.0操作系統(tǒng)，使得電子紙系統(tǒng)不僅僅可以閱讀多種格式的文檔，同時(shí)大大地提高了電子紙系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由核心處理器部分和電子紙屏幕部分組成，整個(gè)系統(tǒng)基于Freescale公司的 MX31平臺(tái)，操作系統(tǒng)使用WinCE5.0。將電子紙驅(qū)動(dòng)部分作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)部件，利用WinCE5.0提供的驅(qū)動(dòng)框架把顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序加載在 WinCE5.0操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動(dòng)初始化過程中加載此驅(qū)動(dòng)模塊，應(yīng)用層通過驅(qū)動(dòng)程序接口調(diào)用此模塊實(shí)現(xiàn)畫面顯示。

3.1 核心處理器部分架構(gòu)

處理器部分的硬件架構(gòu)如圖2所示，由嵌入式處理器ARM1136JF-S(主頻532 MHz)、SDRAM(128 MB)、Flash ROM(128 MB)、復(fù)位電路與晶振、電源管理以及主機(jī)接口部分組成。多媒體處理器ARM1136JF-S的主要功能是用于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?/p>

ARM1136JF-S是ARM公司推出的一款高性能、低功耗的多媒體處理器。它最大的優(yōu)勢(shì)在于該CPU具有多媒體硬件加速器的特征，多媒體處理采用內(nèi)嵌的信號(hào)處理硬件功能加速和精簡(jiǎn)指令運(yùn)算編程來實(shí)現(xiàn)，既能實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理計(jì)算又能大大降低CPU功耗，以較低CPU主頻來實(shí)現(xiàn)高速的圖像/語音編解碼處理，不僅實(shí)現(xiàn)了高處理性能和低處理功耗的統(tǒng)一，同時(shí)保證了系統(tǒng)功能和性能在軟件上的可升級(jí)和可拓展性。

3.2 電子紙屏幕部分架構(gòu)

電子紙驅(qū)動(dòng)部分的硬件架構(gòu)如圖3所示。電子紙屏幕顯示控制器Apolio根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)來查詢Flash ROM中的查詢表，決定是選擇從SRAM1或SRAM2中輸出數(shù)據(jù)到電子紙顯示屏中。

顯示控制器Apollo芯片是一種TFT(Thin FilmTransistor，薄膜晶體管)主動(dòng)矩陣電脈顯示的顯示控制器，是電脈顯示屏參考系統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的一部分。Apollo芯片適合800×600 像素，支持1位和2位顯示。屏幕高寬比(aspect ratio)為4：3，同時(shí)驅(qū)動(dòng)源極驅(qū)動(dòng)和柵極驅(qū)動(dòng)，支持8位并行異步數(shù)據(jù)總線接口，使用外部SRAM來存儲(chǔ)顯示的數(shù)據(jù)。它用一個(gè)外部查詢表(Look- Up-Table)來選擇顯示的圖像，此查詢表存儲(chǔ)在Flash ROM中。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件層如圖4所示，主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。系統(tǒng)選用了WinCE5.0操作系統(tǒng)，利用WinCE5.0操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)框架，開發(fā)了顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序，使得WinCE5.0中的應(yīng)用程序可以調(diào)用開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序顯示相關(guān)的文檔數(shù)據(jù)。為縮短開發(fā)周期，本系統(tǒng)使用了Freescale 公司的MX31軟件開發(fā)包，因此主要的任務(wù)就是驅(qū)動(dòng)程序的編寫。從軟件的架構(gòu)層次來看，驅(qū)動(dòng)程序直接與硬件層相關(guān)，它提供相關(guān)的接口供應(yīng)用程序調(diào)用，應(yīng)用程序通過調(diào)用顯示屏的驅(qū)動(dòng)接口把相關(guān)的文件顯示在電子紙屏幕上。