基于PC的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[圖]

引言

隨著信息交換技術(shù)的飛速發(fā)展，人們需要掌握的信息激增。一方面，傳統(tǒng)的以紙張為媒介的圖書出版的弊端越來越明顯；另一方面，由于計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來，電子顯示設(shè)備的使用范圍越來越廣泛。雖然它們較傳統(tǒng)紙張具有可重復(fù)擦除，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但它們易使人產(chǎn)生視覺疲勞，需持續(xù)供電，并沒有顯著地改變?nèi)藗兊拈喿x習(xí)慣。電子紙兼顧了紙張和其它電子顯示器的優(yōu)點(diǎn)，是一種類紙的柔性電子顯示設(shè)備。但是，電子紙刷新速度和顯示質(zhì)量不及其它電子顯示設(shè)備，這方面也成為了研究的熱點(diǎn)。

國內(nèi)關(guān)于電子紙的研究起步較晚，且目前主要集中在顯示技術(shù)的研究方面，對(duì)電子紙屏幕的測(cè)試研究得比較少，對(duì)其測(cè)試現(xiàn)在沒有系統(tǒng)的方法，沒有成型的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。而驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電子紙屏幕的顯示效果影響很大，由此，本文的主要研究工作是設(shè)計(jì)一個(gè)基于PC 的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)配置屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)，對(duì)屏幕顯示效果進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到測(cè)試的目的。

電子紙屏幕種類眾多，本文研究的電子紙為有源矩陣驅(qū)動(dòng)的電泳電子紙。

1 電泳粒子運(yùn)動(dòng)模型

關(guān)于電泳粒子的顯示原理和有源矩陣的顯示控制可在文獻(xiàn)[5]中找到，本文主要對(duì)電泳粒子的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行進(jìn)一步的討論，得出極板間電壓和通電時(shí)間對(duì)屏幕顯示的重要影響，進(jìn)而得出屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)。

根據(jù)Kubelka- Munk 顏色理論，光在均勻媒介內(nèi)擴(kuò)散，物體通過反射光譜決定其顯示的顏色，光在上下兩個(gè)方向被散射和吸收。電泳粒子的理論顯示模型為：有色電泳粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過粒子與極板的距離達(dá)到顯示效果。由于電泳粒子被電泳液包圍，所以粒子除了受到電場(chǎng)力作用外，還受到液體黏滯阻力的影響。黏滯阻力與粒子的瞬時(shí)速度有一定關(guān)系，當(dāng)物體速度不太大時(shí)，黏滯阻力滿足：

f=kv

其中，f 代表黏滯阻力，v 代表粒子的瞬時(shí)速度，k 為系數(shù)，根據(jù)STokes 定律，其符合：

k=6πrη

其中，r 為電泳粒子的半徑，η 為電泳液的黏度。再考慮到粒子的重力和在液體中受到的浮力，根據(jù)牛頓第二定律，最終的運(yùn)動(dòng)模型為：

其中，q 代表粒子所帶電荷，E 代表極板間電壓，F(xiàn)' 為粒子受到的浮力，mg 為粒子重力。對(duì)于特定的粒子，重力和浮力都已經(jīng)確定，主要是電場(chǎng)力和黏滯阻力影響粒子的速度，進(jìn)而影響粒子移動(dòng)的位移。

由于f 總與粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反，隨著粒子運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，因而存在一個(gè)極限速度vm。

當(dāng)粒子達(dá)到這個(gè)速度之后，如果粒子受力不變，則它將做勻速直線運(yùn)動(dòng)。下式給出v 與vm 的關(guān)系：

由于負(fù)指數(shù)函數(shù)是一個(gè)衰減很快的函數(shù)，粒子的加速或減速過程比較短暫，因此粒子大部分時(shí)間將以vm 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，vm 與電場(chǎng)力的關(guān)系如下式所示：

即vm 與電場(chǎng)力正相關(guān)，根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)位移、速度和時(shí)間的關(guān)系可知，通過控制極板間的電壓和通電時(shí)間，對(duì)電子紙屏幕顯示的影響近似線性。

前一小節(jié)已經(jīng)討論了電泳粒子勻速直線運(yùn)動(dòng)的近似模型，通過改變極板間電壓和通電時(shí)間可以影響電子紙的顯示效果。有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式電子紙，可以控制屏幕上每個(gè)像素的顯示，因此屏幕測(cè)試參數(shù)應(yīng)該可以針對(duì)屏幕上的每個(gè)像素點(diǎn)。由于屏幕的刷新是一個(gè)由當(dāng)前圖案變化到希望顯示圖案的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)于每個(gè)像素，測(cè)試參數(shù)應(yīng)給出由當(dāng)前圖案上的像素值變化到希望顯示圖案上的像素值極板間的電壓和通電時(shí)間的變化。對(duì)于那些當(dāng)前圖案上的像素值與希望顯示圖案上的像素值都相同的像素，其變化規(guī)律是一樣的，可統(tǒng)一處理。根據(jù)電子紙驅(qū)動(dòng)控制方式，得到屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)為：下極板控制矩陣、上極板控制矩陣、測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。

（1）waveform（WF）矩陣（控制下極板的參數(shù)）。

由電子紙驅(qū)動(dòng)方式，下級(jí)板可精確地控制到每個(gè)像素，因此，下極板控制矩陣主要負(fù)責(zé)每個(gè)像素上粒子的移動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)中的電子紙可以顯示16 階灰度圖像，即共有16 個(gè)不同的像素值。又因?yàn)橥�電時(shí)間需要用離散的值來代表，假設(shè)在時(shí)間T 內(nèi)一定可以完成屏幕的刷新，則將T 分成N 段，每段時(shí)間為T/N,將其中的每段稱為一幀。因此WF 矩陣的大小為N*16*16,其中對(duì)于WF 矩陣的每一個(gè)值WF[n][i][j]

的含義是：在第n 幀時(shí)，屏幕上像素值為i 的粒子要變成像素值為j 的粒子，在下極板所要加的電壓值。

前面已經(jīng)介紹過，加在極板上的電壓只能是幾個(gè)離散的值。實(shí)際上硬件只產(chǎn)生一種電壓，設(shè)為V,加上符號(hào)以后，共有三種電壓值+V,- V 和0,可以用二進(jìn)制位00 代表0,01 代表+V,10 代表- V,因此可以用兩個(gè)二進(jìn)制位來表示W(wǎng)F 矩陣中的一個(gè)值。另外可以將矩陣壓縮到原來大小的1/4,其中每一個(gè)字節(jié)表示4 個(gè)電壓值，這可以縮短數(shù)據(jù)傳輸過程的時(shí)間。

（2）VCOM 矩陣（控制上極板的參數(shù)）。

由于上極板并不能提供每個(gè)像素點(diǎn)的精確控制，整個(gè)極板在同一幀時(shí)是等電勢(shì)的，因此VCOM矩陣大小為N*1*1.其中N 的含義和VCOM 的含義與WF 矩陣中含義類似，即VCOM 的每個(gè)值代表在該幀要加在上級(jí)板上的電壓值。與waveform 不同的是，VCOM 矩陣中還有一個(gè)停止位，其含義為：

當(dāng)某幀含有停止位時(shí)，該幀為停止幀，此時(shí)，屏幕將不再繼續(xù)刷新。由于兩個(gè)二進(jìn)制位可以表示4 個(gè)字，可以用11 表示停止位。因此也可以用兩個(gè)二進(jìn)制位代表一個(gè)VCOM 中的值，也可以將矩陣壓縮至原來的1/4,以減少數(shù)據(jù)傳輸量。

通過上下極板的控制矩陣便可得到極板間的電壓，其關(guān)系為：

圖1 為它們之間的關(guān)系，由圖可知，極板間的電壓將會(huì)有+2V,+V,0,- V,- 2V五個(gè)值。

（3）測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。

首先，為了通過配置WF 矩陣和VCOM 矩陣來測(cè)試屏幕的顯示效果，必須讓電子紙顯示不同的圖像，因此需要將不同的圖像數(shù)據(jù)傳遞給控制器端。其次，由于屏幕刷新只涉及屏幕當(dāng)前顯示的圖像和屏幕希望顯示的圖像，而屏幕當(dāng)前顯示的圖像可以保存在控制器端的固定存儲(chǔ)中，因此每次傳遞給硬件的圖像數(shù)據(jù)只需是希望顯示圖像的數(shù)據(jù)。再者，由于當(dāng)前測(cè)試的屏幕能顯示的最大灰階為16,因此只需要16 階灰度圖片的圖像數(shù)據(jù)即可。

由于16 階灰度圖像為索引圖像，其調(diào)色板的信息一般是固定的，因此只需要傳遞灰度圖像的索引數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上的參數(shù)設(shè)計(jì)，屏幕測(cè)試的主要目的是如何減少刷新所需的幀數(shù)，同時(shí)改善屏幕的顯示效果。下面將對(duì)測(cè)試的結(jié)果提出一些量化的參數(shù)，以顯示不同測(cè)試參數(shù)的優(yōu)劣，供測(cè)試人員參考。

首先，可以定義響應(yīng)時(shí)間，即要經(jīng)過多久才能完成一次屏幕的刷新。這個(gè)參數(shù)的獲取比較簡(jiǎn)單，根據(jù)下式就可以實(shí)現(xiàn)：

其中，T 代表響應(yīng)時(shí)間，N' 代表實(shí)際需要刷新的幀數(shù)，這和傳遞給屏幕的幀數(shù)N 不一樣，N' 是減去后面那些全部為0 的幀得到的，t 為每幀持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)ISO12646 提出的關(guān)于軟打樣的標(biāo)準(zhǔn)，其包括測(cè)試屏幕的分辨力、均勻性、幾何精度、白點(diǎn)和黑點(diǎn)的亮度等的方法。這些參數(shù)及測(cè)試方法都可以運(yùn)用到電子紙屏幕的測(cè)試中，只需將測(cè)試方法中提到的圖片作為測(cè)試圖像，然后再觀察屏幕顯示的結(jié)果。由于有指定的硬件設(shè)備可以測(cè)出電子紙屏幕上各像素點(diǎn)的灰度值，這樣可以使測(cè)試結(jié)果更可靠。

可以利用圖2 中的圖像進(jìn)行測(cè)試，其可以測(cè)試測(cè)試參數(shù)中所有值的優(yōu)劣，另外可以測(cè)試當(dāng)前參數(shù)設(shè)置下，屏幕能夠顯示的最大灰階（由于灰度圖片不便于印刷顯示，圖2 僅顯示了圖片的灰階，0~f 分別表示0~15 灰階）。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為兩部分，PC 端程序和控制器端程序，其中PC 端部分主要負(fù)責(zé)參數(shù)的編輯和顯示，并將編輯好的參數(shù)以規(guī)定的格式發(fā)送到控制器端；控制器端主要負(fù)責(zé)接收PC 發(fā)送過來的參數(shù)，如果數(shù)據(jù)接收完畢之后，一方面，通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將校驗(yàn)和發(fā)送給PC 端，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，另一方面，通過顯示控制模塊，利用控制參數(shù)將測(cè)試圖像顯示到電子紙屏幕上，此后，可以通過肉眼觀察或利用專門的硬件檢測(cè)參數(shù)的效果。

由于軟件端程序?qū)崿F(xiàn)技術(shù)比較成熟，下面?zhèn)戎亟榻B控制器端程序的設(shè)計(jì)和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

（1）通信協(xié)議。

本系統(tǒng)采用RS- 232 串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼�確性，采用校驗(yàn)和機(jī)制對(duì)每次接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。一次通信傳輸?shù)牧鞒虉D如圖3 所示，其中第1~3 組數(shù)據(jù)分別為WF 矩陣、VCOM 矩陣和測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)在傳送過程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，而測(cè)試中的參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，比如缺少一個(gè)比特，這將對(duì)測(cè)試過程產(chǎn)生很大的影響。因此有必要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)和不匹配時(shí)通知用戶重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。校驗(yàn)和的具體計(jì)算方法如下：

其中，N 代表一個(gè)傳送階段接收的字節(jié)數(shù)。求和時(shí)采用字節(jié)加法，即求和過程中任何超出數(shù)據(jù)表示范圍的數(shù)據(jù)高位自動(dòng)丟棄，僅保留低8 位。求完之后，將結(jié)果的低4 位作為校驗(yàn)和的高4 位，將接收到的字節(jié)計(jì)數(shù)的低4 位作為校驗(yàn)和的低4 位。這樣能夠檢測(cè)到傳輸過程中的比特差錯(cuò)和字節(jié)差錯(cuò)。

（2）控制器端程序。

控制器端程序采用Altera 公司CyclONe 系列的FPGA 芯片作為主控芯片。在Quartus II 集成開發(fā)環(huán)境下，采用Verilog HDL 語言進(jìn)行開發(fā)，并利用ModelSim 進(jìn)行仿真，通過JTAG 電纜將編譯好的程序下載到FPGA 芯片中執(zhí)行。

控制器端程序模塊和實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的主要技術(shù)如下：

數(shù)據(jù)接收模塊：此模塊接收PC 端發(fā)送過來的參數(shù)，傳遞給信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，并在每個(gè)傳送階段結(jié)束后計(jì)算校驗(yàn)和。此模塊實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)接收器，利用計(jì)數(shù)器對(duì)輸入時(shí)鐘分頻，采用過采樣和濾波判斷開始位，并使用狀態(tài)機(jī)和移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：將數(shù)據(jù)接收模塊計(jì)算的校驗(yàn)發(fā)送給PC 端。此模塊實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)發(fā)送器，由于校驗(yàn)和的設(shè)計(jì)，每次發(fā)送給PC 端的數(shù)據(jù)只有1 字節(jié)，因此發(fā)送模塊不用使用緩存，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。將輸入時(shí)鐘分頻之后，采用狀態(tài)機(jī)和8 選1 的選擇器便可將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，從串行口發(fā)送出去。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊：轉(zhuǎn)換從串口接收到的數(shù)據(jù)，得到適合顯示控制模塊使用的信號(hào)。

顯示控制模塊：根據(jù)所給的圖像數(shù)據(jù)將圖像顯示到電子紙屏幕上。首先將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM 中，接收完成后利用參數(shù)將測(cè)試圖像顯示在屏幕上。

5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證通信控制系統(tǒng)與外部接口的接口信號(hào)是否正確，利用ModelSim 對(duì)程序進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示。

仿真時(shí)采用的時(shí)鐘頻率為50MHz,為了便于顯示，仿真時(shí)將狀態(tài)切換的時(shí)間間隔T1 設(shè)為50 個(gè)時(shí)鐘周期，錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)間間隔T2 為狀態(tài)切換間隔的5 倍，仿真串口波特率為115,200bps.由圖可知，開始從串口得到的數(shù)據(jù)為0x07,剛開始收到數(shù)據(jù)時(shí)，RST_N 有效，表示數(shù)據(jù)接收開始。當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，CHIP_SELECT_N 信號(hào)有效表示接收第1 組數(shù)據(jù)，經(jīng)過2 個(gè)周期的寫信號(hào)延時(shí)之后，WRIte_ENABLE_N 有效一個(gè)周期。當(dāng)收到第6 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過了T1 的時(shí)間間隔，因此狀態(tài)進(jìn)行切換，CHIP_SELECT_N 無效，此時(shí)將通過TxD發(fā)送校驗(yàn)和。由于總共接收了6 個(gè)數(shù)：0x07、0x55、0x00、0x55、0x55、0x00,校驗(yàn)和是0x66,TxD 開始位、數(shù)據(jù)位、停止位依次為0、01100110、1.進(jìn)入狀態(tài)1 后，收到一個(gè)數(shù)據(jù)，分析同前一階段。最后，當(dāng)經(jīng)過T2 的時(shí)間間隔，RST_N 信號(hào)無效，表明一次傳輸結(jié)束或出現(xiàn)錯(cuò)誤。

為了驗(yàn)證前面提出的電泳粒子運(yùn)動(dòng)模型的正確性，利用軟件模擬了電泳粒子的顯示過程，采用第2節(jié)中提出的顯示參數(shù)對(duì)顯示進(jìn)行控制。軟件模擬的過程如圖5 所示，該圖顯示了模擬從圖2 的右邊圖像變化到左邊圖像的過程，從圖中可以看到，除了個(gè)別顏色的像素外，屏幕首先變?yōu)槿�白狀態(tài)，然后變?yōu)槿�黑狀態(tài)，然后再變化到希望顯示的圖像。由于測(cè)試參數(shù)中每兩個(gè)色階的控制參數(shù)是一樣的，且沒有考慮到其它因素，因此最后顯示出來的圖像只具有8個(gè)色階，總體符合預(yù)期效果。

圖6 所示為系統(tǒng)運(yùn)行的效果圖，利用本系統(tǒng)，將ISO12426 標(biāo)準(zhǔn)所需的測(cè)試圖顯示在電子紙屏幕上。

利用一些常規(guī)的測(cè)量設(shè)備，測(cè)試出在不同控制參數(shù)下電子紙屏幕顯示的效果，如亮度、分辨率、均勻性等。測(cè)試人員通過不斷地改進(jìn)控制參數(shù)，便能使屏幕達(dá)到更好的顯示效果。

6 總結(jié)與展望

電子紙屏幕的測(cè)試對(duì)電子紙的顯示性能非常重要，本文分析并設(shè)計(jì)了電子紙的屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于PC 的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)。其可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)的屏幕參數(shù)，縮短開發(fā)周期；指導(dǎo)生產(chǎn)制造時(shí)針對(duì)一類屏幕的控制方式，改善屏幕的顯示效果。

由于本文設(shè)計(jì)的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)采用較為簡(jiǎn)單的串口通訊，每次測(cè)試花費(fèi)的時(shí)間大約為30s ,速度較慢，未來可以改進(jìn)為USB 等高速通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，以提高測(cè)試速度。另外，目前本系統(tǒng)只能針對(duì)黑白屏幕的電子紙進(jìn)行測(cè)試，在以后的研究中可以添加對(duì)彩色電子紙的控制與測(cè)試手段。