Дисплеи E-paper компании Good Display

 
Электрофоретические дисплеи (EPD) получили широкую известность благодаря электронным книгам, в которых они нашли основное применение на момент их появления на рынке. Этот тип дисплеев известен под несколькими названиями: электронная бумага или E-paper, электронные чернила или E-Ink. Название «E-Ink» носит также компания, которая разработала и запустила в производство первые коммерческие образцы дисплеев E-paper. На 2019 год матрицы производства E-Ink использовались в 90-95% всех производимых дисплеев E-paper в мире. Некоторые китайские производители, включая компанию Good Display, разрабатывают свои технологии производства электронной бумаги. Good Display планирует запуск в производство своих матриц в 3-4 кварталах 2020 года.   
Принцип действия дисплеев E-paper основан на перемещении заряженных частиц (цветных пигментов) под действием электрического поля. В отсутствие электрического поля частицы остаются в своем последнем состоянии сколь угодно долго. Данный эффект и является ключевым в данной технологии, т.к. энергия тратится только на перемещение пигментов. 
 
 
Рис. 1  Общий вид на конструкцию ячейки дисплея E-paper
 
Основные плюсы дисплеев E-paper:
  • Низкое энергопотребление
  • Контрастное изображение
  • Хорошая видимость на солнце
  • Большие углы обзора
Основные минусы:
  • Существенное время, требуемое на перерисовку изображения на экране. Однако, если быстрого и частого изменения требует небольшой участок изображения, то данный недостаток можно обойти, выбрав дисплей с возможностью частичного обновления экрана (partial refresh)
  •  

Рис. 2 Видимость изображения на дисплее GDEW0154T8 при естественном уличном освещении

 

Эти плюсы и минусы и определяют основные приложения, где могут быть применены электрофоретические дисплеи. Из наиболее распространенных приложений – это электронные книги и ценники. Также, дисплеи E-paper находят применение в портативных бытовых медицинских приборах, в приборах учета и других мобильных устройствах, где энергопотребление играет ключевую роль, а изображение на экране не требует быстрого и постоянного обновления, либо требуется постоянное обновление небольшой части экрана. Дисплеи больших размеров применяются в рекламе, в информационных устройствах и т.п.
В стандартном модельном ряду Good Display имеются модели дисплеев E-paper с диагоналями от 1.02” до 12.48”. Все дисплеи имеют встроенные контроллеры производства Good Display или Solomon. Управление дисплеями осуществляется по интерфейсу SPI, за исключением моделей дисплеев с разрешением 800х600 точек и более. Дисплеи с высоким разрешением управляются по параллельному интерфейсу.

 

Рис.3 Блок-схема контроллера SSD1681


На рисунке выше изображена блок-схема микросхемы контроллера Solomon SSD1681, специально предназначенного для управления матрицами E-paper. Например, на его базе реализован дисплей GDEH0154D67. Основные блоки контроллера следующие: аналоговый, логический и ОЗУ. Аналоговый блок включает в себя повышающий преобразователь напряжения и регулятор; вместе с внешней схемой обвязки он формирует все рабочие напряжения, необходимые для работы матрицы. Логический блок формирует все управляющие сигналы, требуемые для вывода изображения на экран. ОЗУ (или видеопамять) предназначено для хранения текущего изображения. Т.к. контроллер SSD1681 может управлять двухцветной и трехцветной матрицами, то его ОЗУ имеет две области памяти: область для черно-белого изображения и область для красного или желтого изображения. Также, обе области памяти могут использоваться при работе в режиме частичного обновления экрана для черно-белой матрицы. Алгоритмы работы в режиме частичного обновления для каждого типа контроллера имеют отличия. 

 

Рис.4 Варианты дисплеев: черно-бело-красный, черно-белый и черно-бело-желтый варианты

 

Дисплеи E-paper можно условно разделить на несколько групп, отличающихся по: количеству выводимых цветов; времени обновления экрана; наличию поддержки режима частичного обновления экрана; наличию поддержки вывода 4-х градаций серого цвета. Режимы работы дисплеев зависят как от используемой матрицы, так и от используемого в модуле дисплея контроллера. В некоторых моделях дисплеев в LUT-таблицу логического блока контроллера могут загружаться пользовательские параметры для формирования управляющих сигналов, чтобы дисплей мог отображать информацию в режиме частичного обновления или в режиме градаций серого. Например, дисплей GDEW0154T8 (см. рис. 2) на базе контроллера IL0373 производства Good Display при штатных настройках может работать в режиме полного обновления экрана, либо может быть настроен для работы в режиме частичного обновления или в режиме вывода 4-х градаций серого. Параметры LUT-таблиц для поддержки двух последних режимов, которые необходимо загрузить в контроллер перед их использованием, предоставляются производителем. Их можно найти в примерах на официальном сайте Good Display.     
Еще один важный параметр, который зависит от матрицы, это время полного обновления экрана. Принцип действия дисплеев E-paper таков, что мгновенно вывести новое изображение на экран нельзя. Перед выводом нового изображения экран требуется очистить. В случае контроллера SSD1681 процедура выглядит следующим образом, в чб-область видеопамяти загружается новое изображение. В цикле обновления оно несколько раз в прямом и инверсном виде выводится на экран дисплея. После окончания цикла обновления это новое изображение остается на экране. Для контроллера IL0373 эта процедура отличается. При обновлении экрана используются и текущее, и новое изображения, которые поочередно выводятся на экран в прямом и инверсном виде.
Соответственно, такой алгоритм обновления требует времени, которое зависит от типа матрицы и ее разрешения. Для примера, обновление экрана у дисплея GDEH0154D67 занимает порядка 2 с, у дисплея GDEW0154T8 с меньшим разрешением занимает порядка 3 с, а у трехцветных дисплеев с аналогичным разрешением и размером матриц время полного обновления лежит в диапазоне от 8 до 26 с. 
На время обновления изображения на экране дисплеев E-paper также влияет такой параметр, как время между полными обновлениями. Другими словами, если мы оставим дисплей с выведенным на экран изображением (кроме чисто белого фона) на длительное время, то для обновления экрана может потребоваться не один цикл очистки. Данная зависимость четко не специфицирована, а производитель рекомендует делать цикл обновления хотя бы 2 раза в сутки, чтобы штатный алгоритм обновления экрана полностью очищал его перед выводом нового изображения. В противном случае на экране могут проявляться артефакты в виде серого фона вместо белого, будет просвечивать предыдущая картинка и т.п.
В дополнение к стандартному режиму полного обновления экрана часть дисплеев поддерживает дополнительный режим частичного обновление (partial refresh), это указано в документации и на сайте производителя для конкретной модели черно-белого дисплея. Трехцветные модели дисплеев этот режим не поддерживают. В данном режиме область на экране или весь экран целиком обновляются без вызова цикла очистки экрана. Это существенно ускоряет процесс вывода нового изображения. Точных значений для данного режима в документации не приводится, а как это выглядит в реальной жизни - можно посмотреть в демонстрационном ролике, где показана работа дисплея GDEH0154D67 в режимах полного и частичного обновления на нашем канале YouTube:

 

 

Алгоритм работы с данным режимом зависит от типа контроллера, используемого в конкретном модуле дисплея. 
После краткого обзора ключевых характеристик дисплеев E-paper расскажем, какие аппаратные и программные средства предоставляет производитель для начала работы со своей продукцией, а также какие материалы доступны у него на сайте.
Вся документация (как на сам модуль дисплея, так и на контроллер) имеется для каждой модели дисплея. На скриншотах ниже показаны все материалы, которые доступны для выбранной модели дисплея, включая готовые примеры программ. 

Рис. 5 Скриншоты раздела для дисплея GDEH0154D67, в котором приведена вся необходимая техническая информация для выбранной модели дисплея 

Примеры программ, особенно для режимов частичного обновления экрана (partial refresh) или вывода изображения с 4-мя градациями серого, являются основным руководством по работе с данными режимами для выбранного модуля дисплея.  
Для преобразования изображений в код для использования в программе служит утилита Image2LCD, доступная по ссылке (http://www.e-paper-display.com/download_detail/downloadsId=625.html).

Рис.6 Утилита Image2LCD, пример преобразования изображения для дисплея GDEH0154D67 

Параметры, которые необходимо установить для преобразования изображения в код для конкретной модели дисплея, описаны в документе “Picture Production and Bitmap Convert.pdf”, см. рис.5. Чтобы получить четкое и качественное изображение, исходную картинку рекомендуется готовить в двухцветном формате.  В утилите присутствуют регулировки яркости и контрастности преобразованного изображения, но с их помощью невозможно качественно преобразовать градации  цветов, если они присутствуют на исходном изображении. 
Из аппаратных средств самыми полезными для начала работы являются переходники DESPI-CO2, DESPI-CO3 и DESPI-C1248. На данных переходниках реализована вся необходимая обвязка для работы встроенных повышающего регулятора и преобразователя напряжения, разъемы для подключения плоского шлейфа дисплея, сенсорной панели и подсветки, штыревой выходной разъем для подключения к своим отладочным средствам. 

а. плата DESPI-C02 

  

б. плата DESPI-C03

 

с. плата DESPI-C1248

Рис.7 Переходные платы

 

Переходники DESPI-CO2 и DESPI-CO3 подходят для всех дисплеев с диагональю от 1,02” до 7,5”, за исключением моделей с разрешением от 800 х 480 точек. Версия DESPI-С03 имеет дополнительные разъемы для подключения дисплеев с подсветкой и для подключения сенсорных экранов. 

 

Рис.8 Переходная плата DESPI-CO3 с подключенным к ней дисплеем GDEH0154D67FL и дисплей GDEH0154D67-T 

 

К сожалению, конструкция платы не позволяет работать с дисплеем с сенсорной панелью в совместном режиме. Конструкция платы не дает возможности одновременно подключить оба шлейфа к соответствующим разъемам, а разные интерфейсы контроллера дисплея и контроллера сенсора выведены на одни и те же выводы внешнего разъема, переключение линий сенсора и дисплея осуществляется с помощью одного из двух переключателей на плате. На рисунке 8 к плате DESPI-CO3 подключен дисплей GDEH0154D67FL с фронтальной подсветкой, ниже показан дисплей GDEH0154D67-T с емкостной сенсорной панелью.    

Переходная плата DESPI-C1248 предназначена для работы с дисплеями GDEW1248xx с диагональю 12,48”. В данных дисплеях используются два контроллера, каждый из которых управляет половиной экрана. Разъем P1 служит для подключения к контроллеру,  выполняющему ведущую роль, P2 – для подключения ведомого контроллера. Шлейфы дисплея подключаются к данным разъемам контактами вниз.  Рекомендуем обратить на это внимание, т.к. к платам DESPI-C02 и С03 шлейфы подключаются контактами вверх. Как выглядит GDEW1248T3 в рабочем состоянии можно увидеть в нашем ролике:

  
Компания Good Display также предлагает отладочную плату на базе микроконтроллера STM32 DESPI-M02 (рис.5). Все примеры для STM32, предлагаемые производителем, реализованы именно для нее. Плата поддерживает режим программирования по интерфейсу USB (требуется скачать в интернете драйвер для микросхемы конвертера USB-Serial CH340). Для тех, кто не сталкивался с STM32, а с помощью платы DESPI-M02 хочет быстро проверить работоспособность дисплея и переходника, для программирования можно рекомендовать воспользоваться простой утилитой FlyMCU (также свободно доступна в интернете). Во всех примерах присутствует готовый файл прошивки, с помощью FlyMCU по USB его легко загрузить в МК. Последовательность работы, начиная от преобразования изображения и замены его в примере производителя, и заканчивая тем, как это выглядит на экране трехцветного дисплея GDEW042Z15 показана в следующем ролике:

 

 

 

В заключение представленного обзора продукции компании Good Display можно отметить, что интерес у российских разработчиков к дисплеям такого типа растет. Они находят применение в разных областях, чаще всего их выбирают для устройств с батарейным питанием, чтобы минимизировать энергопотребление. Беспроводные счетчики ресурсов, тестеры различного назначения, информационные и рекламные панели – это реальные примеры приложений, где используются или планируются для использования дисплеи E-paper. 
На текущий момент компания Good Display налаживает технологический процесс для выпуска своих собственных матриц нового поколения. Данная технология является собственностью Good Display, и уже сейчас можно сказать, что дисплеи на базе новых матриц будут обладать лучшими характеристиками - визуальными и эксплуатационными. Например, все дисплеи на базе этих матриц будут иметь рабочий температурный диапазон от -20 0С до + 50 0С, тогда как дисплеи на базе матриц E-Ink в большинстве имеют рабочий температурный диапазон от 0 0С. Кроме того, появление нового производителя матриц E-paper позволяет прогнозировать снижение уровня цен на данные дисплеи. Но появление новых моделей можно ожидать только к концу 2020 года, а пока можно испытать возможности применения данных дисплеев в своих разработках воспользовавшись доступными вариантами на базе матриц E-Ink.

 

Образцы дисплеев и отладочных средств, упоминаемые в данной статье, и не вошедшие в этот краткий обзор продукции Good display поддерживаются на складе компании "ЭФО". Что доступно на данный момент на складе можно посмотреть, нажав на кнопку ниже: 

 

Ваш заказ
Наверх