前言
本应用笔记描述了如何优化黑白图像的大小以将其存入 STM32 微控制器的嵌入式闪存，以及如何在 E-Paper 显示器上显示它们。
本应用笔记中说明了如何准备和编码黑白图像，并给出了对图像解压缩、将其在 4 灰度级的E-Paper 显示器上显示出来的软件解决方案。
STM32 微控制器可连接 E-Paper 显示器，使用特定外设向 E-Paper 显示器控制器发送数据 /命令，并驱动特定 GPIO 来管理 E-Paper 控制引脚。
本应用笔记和相关软件 （STSW-STM32152）都是基于 STM32L053 探索套件（32L0538DISCOVERY），提供了嵌入式 E-Paper 显示器。对于任意一款 STM32 微控制器客户板，经过微小改动 （时钟配置， GPIO 定义），可以很容易地重复利用。
E-Paper 显示器的显示区域为 2.1 英寸，包含 172x72 个像素，具有 2 比特完全显示能力。
关于本应用笔记中未说明的 E-Paper 功能，更多详细信息请参考 ST 网站上的 GDE021A1规范。



表 1. 可用产品、工具 & 软件
类型 参考产品
STM32 嵌入式软件
STSW-STM32152
STM32 MCU 评估工具
32L0538DISCOVERY



1 实现示例
1.1 概述
本应用笔记中的示例提供了连接某个 E-Paper 与 STM32 微控制器的典型硬件和软件实现基
本知识。
一般来说，系统包括：
– 一个 STM32 微控制器
– 一个 E-Paper 显示器，其外部元件用于 E-Paper 显示器驱动器 （嵌入到GDE021A1 E-Paper 显示模块中）的电荷泵。





E-Paper 显示模块经由 SPI 接口连接到 STM32 MCU 来接收数据和命令，配置显示器并将图片传输到 E-Paper 模块内部 RAM 缓冲器中。
图片存储到内部 Flash 程序存储器中，以减少外部资源。包括 4 张图片以演示 STM32L053的主要特性。图片会循环显示，当第 4 张图片已经在 E-Paper 模块上显示出来时，又返回第一张图片。
注： 如果嵌入式闪存的空间很小，不能满足应用代码和图片库的需求，那么图片可存储在外部存储器中 （比如 SD 卡或外部闪存）。这种情况下，通常没有必要缩小图片尺寸，也不需要使用本应用笔记中给出的扩展算法。由于图片无任何预处理就被发送到 EPD 的缓冲区，因此缩短了数据处理时间。

1.2 STM32 配置
一般要求
样例主要基于 STM32L053 探索套件，但其功能和结构说明与大多数应用和平台类似。

1.2.1 SPI 外设
MCU 和 E-Paper 显示器之间的通信使用 SPI 协议。 MCU 将 SPI 配置为主 8 位模式， NSS由软件管理。这里不需要 CRC。 E-Paper 显示模块可只通过 SPI 通道写入。 这是为什么定义 MOSI 线而不是定义 MISO 线的原因。
用来通信的频率是 2 MHz，开始 HSI 设为 16 MHz，在 SPI 波特率发生器中应用系数为 8 的预分频器 （将其分频为 2 MHz）。

1.2.2 系统时钟
应用笔记中将高速内部振荡器设置为系统时钟。时钟路径上没有分频器， APB 和 AHB 总线频率为 16MHz。


1.2.3 使用特定的 GPIO 控制 E-Paper 显示器。
利用一些特定信号来控制 E-Paper 显示器：
• EPAPER_Reset：此信号由 MCU 产生，用来复位 E-Paper 寄存器，并清除任何正在进行的刷新。
• EPAPER_D/C：数据/命令线。此输出由MCU生成，使E-Paper显示模块能够识别SPI发送的数值是命令还是数据。
• EPAPER_CS：这是芯片选择引脚。此输出由 MCU 生成，用来使能嵌入到 E-Paper 显示模块中的 SPI 从设备。
• EPAPER_Busy：此信号来自 E-Paper 显示模块，用来向 MCU 报告该模块的状态。当软件启动刷新时，BUSY 位将被置位，E-Paper 显示器上不能有更多操作（不再有命令或数据），以避免显示错误。
• EPAPER_Power_switch：此GPIO用来控制为E-Paper显示模块上电/掉电的模拟开关，以节约应用的功耗。

1.3 E-Paper 显示器配置
用于 STM32L053 探索套件的 E-Paper 显示器是可配置的。建议参考 E-Paper 说明 （型号GDE021A1），以便能更好地理解此应用笔记处理 E-Paper 模块所采用的方法。
编码图片的数据通过 MCU 的 SPI 外设被填充到 E-Paper 模块的内部 RAM （请参考表 2：Ram 地址映射）。
每次写操作后，根据 E-Paper 模块的配置， RAM 地址递增或递减。地址计数器可沿 X 或 Y方向更新。对于 X、 Y 坐标系，可独立配置每个轴的开始 / 结束地址。
对于本应用笔记，模块配置为沿 X 方向从 0 至 71 递增地址计数器，然后沿 Y 方向从 0 递增至 171。





此应用笔记中所采用的配置在更新操作后无需使 E-Paper 显示模块进入深度睡眠模式。这意味着 RAM 数据保持在两个更新刷新周期之间。
当没有正在进行的更新时，如果应用需要降低功耗，可以配置 E-Paper 使其处于深度睡眠模式。于是功耗可以降低为 1/10 （降至 2 µA），但是这种情况下无法保持 RAM 内容。这种情况的缺点是部分图片不能刷新显示，在刷新显示之前，整个图片的所有像素必须通过 SPI 重新加载到 RAM 中。
这里使用的波形查阅表 （Waveform Look Up Table， LUT）（默认的，无温度范围）。详情请参见 GDE021A1 规范。







每个 RAM 地址存储 4 个像素，每个像素以 4 灰度级进行编码。 STM32 的 SPI 配置为以高位在前的方式来设置传输，如 E-Paper 显示模块所要求的。
图片需要按这些限制进行编码。详情请参见第 1.4 节：图片创建和尺寸压缩。

1.4 图片创建和尺寸压缩
要在 E-Paper 模块上显示的图片须以巧妙的方式创建，以得到适当格式的相应软件常数。它应该易于处理并在 E-Paper 模块上显示。
此图片存储在 STM32L053 的内部非易失性 Flash 程序区。因此图片必须以特定格式进行压缩，编码为 1 比特每像素，以节省存储空间。这样，图片将被编码为黑白的而不再是 4 灰度级的图片。
由于 E-Paper 显示器 RAM 模块需要接收 2 比特每像素编码模式，因此需要从图片存入非易失性 Flash 程序存储器开始进行扩展处理。此操作将由软件管理 （请参考章节第 1.5 节：图片数据扩展，以载入嵌入式 E-Paper RAM）

1.4.1 图片帧
图片帧可进行编辑，例如采用 Windows 中有名的 “ 画板 ” 软件。首先须编辑空白图片 （如图 4：图片帧中）。空白帧为 172x72 像素。






然后必须将要显示的图片放入此帧中。如果要在图片中出现文本，可使用专门字体 “ 小字体 ”，它提供了简便的文本显示。
本应用笔记的示意图片显示在图 5： 4 张图片显示在 E-Paper 显示器上中。





为了在编码图片 （以一种简便方式，可最小化数据处理）时得到常数，可将图片向右旋转90° （图 6：图片向右 90° 旋转）。这样，如图 7 中所示，编码成常数的字节数量将对所有像素进行编码，且为全帧像素总数的整数倍。




然后，必须利用 PAINT 将每张图片存储为 .bmp 图片格式和单色位图类型。
为了直接得到编码要显示图片的 C-constant，可将图片存储为 XBM-X11 格式，例如可使用免费软件 Xnview。这里是进行这种操作后得到的文件格式 （图 7： C 常数编码图片帧）。此常数可在 C 项目中直接使用和声明。





利用此图片格式可将每张图片的大小减少 1/2，意味着图片大小为 1.5KB，而不是 4 灰度级模式下的 3KB。

完整版请查看：附件