水墨电子日历

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丿灬幸灬发布时间：2018-11-8 20:04

文章
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一个基于水墨显示器和stm32单片机的日历

描述
可以显示日期，时间和背景图像。图像存储在SD卡中。超低功耗，始终处于显示状态，非常适合基本信息显示目的。
下一步将尝试使用ESP-32来取代STM32F4，使他能从互联网上获取信息
。
细节
硬件规格:

Rev1:
处理器——STM32F407ZET6

内存- 512K * 16bit SRAM

Rev1.1(降低成本):
处理器——STM32F407VGT6

内存-所有移动到内部SRAM

屏幕- ED060SC4 800*600 EPD(16级灰度模式)

特点:

显示日期和时间。

以SD卡为背景显示BMP。

驱动细节:
多达16种深浅不一的灰色。完全刷新和部分刷新。800 * 600分辨率

快速响应1位模式(可达10fps+，取决于所使用的屏幕)

有关详细信息，请参阅源代码。软件驱动，不使用特殊控制器。

在工程日志中写一篇关于EPD驱动程序的文章，看看吧!

组件
1×STM32F407VG
微处理器，微控制器，DSPs / ARM，基于risc的微控制器
1×DS3231
时钟和计时器ICs /实时时钟
1×LT1615
电源管理ic /开关调节器和控制器
1×ED060SC4
PVI 800*600电子墨水屏

你能从电子墨水显示器中得到32级灰度吗?

一项研究表明，目前所有的商业电子墨水设备的最大灰度级别为16。这是硬件限制吗?或者我们能得到更多的灰度，就像我们在CGA, Commodore 64, GameBoy Color和许多其他有颜色限制的老式硬件上所做的那样?

答案是肯定的。看我的结果

正如屏幕上所说，2018年新年快乐!(右上角为4bpp模式参考)

这是怎么做到的呢?基本上，要在Eink显示器上显示图像，需要在屏幕上应用多个帧，叠加的结果就是图像。为了决定用什么来显示特定的颜色，使用了一个查找表，它被称为“波形表”。这通常是由驱动解决方案提供商提供的，我们没有直接访问它，因为它是保密的。现在所有的商业显示器只能做4bpp，因为根本没有5bpp LUT可用。

如果我们能创建一个它就能做5bpp，对吧?是的，但如果可以的话。波形表实际上是一个4维LUT，输出取决于之前的灰度，目标灰度，帧数和温度。基本上我们很难创造出这样一个LUT。也许这也是为什么没有商业5bpp LUT的原因?

因此，为了存档，我需要首先“修剪”LUT。4D太多了。首先，我决定忽略温度。然后我们总是可以从白色开始。现在它已经是2D LUT了。然后我决定让目标灰度等于帧数:5bpp模式使用固定的32帧序列，一个帧对应一个级别的灰度。这需要对LUT进行很大的更改:它不再查找要输出的数据，因为我们已经使其匹配，输出必须等于灰度输入。相反，它会查找行时间。通过调整行时间，可以很好地控制灰度。就是这个。

电子墨水上的烂苹果?

好吧，只是为了好玩，这段视频肯定被加速了。实际上，电子墨水屏幕以2.4fps左右的帧速率刷新，所以10倍的速度就会产生这种有趣的效果。

ED060SC4与ED060SC4 H2的比较

上面的是ED060SC4 H2，下面的是ED060SC4。看到差别。H2屏幕具有更高的对比度和更快的响应。
但是我需要为新屏幕调整Gamma LUT。

本项目所使用的EPD驱动方法描述

环保署的屏幕被称为“电子纸”，因为一旦完成“印刷”，即使电源断开，它仍能保留内容。所以你可以想象，当我们实际驱动EPD屏幕时，我们有三个不同的操作:写(0b01编码)，擦除(0b10编码)，让它保持原样(0b00编码)。第一个操作将把一个白色像素变成黑色，第二个操作将把一个黑色像素变成白色，第三个操作将什么都不做。稍后将详细介绍这些操作。但EPD显示屏有一个很大的缺点，就是EPD像素需要一些时间才能从黑变白，或者从白变黑。这段时间通常超过300毫秒，所以我们说环保署的反应时间很长。

然而，EPD通常以更高的帧速率刷新，比如60Hz。所以你可以看到在60Hz的设置下，像素不能在一帧内完全旋转。有两种方法，一种是降低刷新率，也就是保持一个帧长，另一种是增加更多帧。例如，如果您的屏幕的响应时间是1/3s(333ms)，您可以将帧速率降低到3Hz，或者发送20个低于60Hz的相同帧。我的司机使用了后来的方法。原因是，当使用第一个方法时，实际上可以看到屏幕从上到下刷新，因为数据是以这种速度发送的。第二种方法(更多的帧)不会有这种效果。你会看到整个屏幕都在刷新。(虽然实际上还是从上到下，但你看不见)所以这里的全部想法是:假设我们从一个分辨率为2px * 1px的白色屏幕开始，我们想让它显示一个轻像素，然后是一个暗像素:

。所以对于第一个像素，它已经是白色的(我们从白色开始)，所以发送第三个操作(保持原样)到屏幕。对于第二个像素，它需要是黑色的，所以我们将第一个操作(写入)发送到屏幕。这是一个帧，我们运行在60Hz以下，所以发送20次。我们应该得到我们所希望的。

但是，如果你在一个像素完全转向之前就停止驱动它呢?比如，在上一个例子中，我们只发送了10个帧。答案是它会保持灰色。这就是EPD面板上灰度显示的基本原理。通过控制驾驶时间，我们可以创建4个甚至16个灰色阴影。我的驱动程序使用了4bpp(16shades)模式来获得更好的图像质量，但是如果你能理解这个原理，你可以很容易地将它修改为4个阴影或者32个阴影。好吧，事情是这样的。在4bpp模式中，有16种灰色阴影。让我们继续我们关于响应时间的假设，1/3，从一个白色的屏幕开始。如果我们把1/3s平均分成15片，也就是1/45片。然后我们把帧速率变成45Hz，一个帧是1/45s。对于黑色的像素，很明显我们想要向屏幕发送“写”命令15帧，它会变成黑色。对于白色的像素，只需在所有16帧中发送“leave as is”，它就会留下白色。这和之前是一样的。但如果我们想让它是第一个灰色阴影(即亮度的1/15，请注意15/15是黑色的，0/15是白色的)，只需在第一个框架中发送“write”，在所有其他框架中发送“leave as is”即可。所以，第四个灰度是4帧的“写”加上11帧的“保持原样”。如果我们想要32度的灰色呢?调整帧速率到93Hz，我们几乎准备好了。

不幸的是，事情并没有那么简单。首先，我们的STM32软件驱动方法无法实现60Hz的刷新率。实际上它只能达到12Hz。所以4帧足够让像素从黑到白或者从白到黑。如果我坚持使用单色模式或2bpp(4级)灰度模式就可以了。但是如果我想做4bpp模式，我必须使用一些技巧。通常情况下，单片机将数据发送给屏幕的源驱动程序，当发送完成后，它让源驱动程序锁定数据并实际驱动像素。同时，单片机开始发送下一行的数据。当完成时，单片机将数据锁住，并告诉门驱动器切换到下一行。所以线路驱动时间大致就是数据发送过程的时间。现在由于CPU/GPIO慢，数据发送速度太慢，所以给我设定了一个驾驶时间的下限。但是正如我之前所说，更多的灰度需要更高的帧速率，这实际上意味着每帧的驱动时间更短。通常情况下，驱动时间大致是帧速率的倒数。但通过一个技巧，我们可以打破这种关系，使驾驶时间大大低于帧率的倒数。它实际上是一件容易的事。当单片机发送完一行数据后，它会锁定数据，等待t1短时间，然后关闭源驱动。当实际发送数据时，源驱动关闭，实际驱动时间是t1。这种方法会使帧速率更低，显示图像速度变慢，因为MCU发送数据的时间是“浪费”的。但这对我来说是一个很好的解决方案，因为我不经常刷新屏幕。

第二个问题是亮度与时间的关系不是线性的。例如，7/45s的驾驶时间应该是7/15的亮度，但实际上可能是1/2，有一点偏移。偏移通常是可以的，但真正的问题是有些时候有些阴影太近了以至于无法分辨。因此，许多细节都丢失了。信不信由你，使用我之前提到的方法比使用常规方法更容易解决这个问题。我只是添加了一个t1的查找表，所以不同的帧甚至可以有不同的驾驶时间!结果很好。

最后，我想简单介绍一下发送给环保署的实际数据。环保署采用2bpp格式。注意，2bpp并不意味着2bpp灰度。这只意味着在传输中，1个像素使用2位。还记得我一开始说的三个操作吗?我说的是编码0bxx，这是实际发送给环保署的东西。例如，如果我将0b01001000 (0x48)发送到屏幕上，它将“写入”第一个像素，“擦除”第三个像素，对第二个和第四个像素什么也不做。