基于涂鸦智能开发板的墨水屏座位管理器——1.电路设计篇
时间：2022-09-27 04:30:01
一、概述
电子墨水屏幕的概念越来越流行，相关的电子标签、电子公交车站标志和其他产品如雨后春笋般涌现。墨水屏幕具有无蓝光的护眼效果，视角接近180度，纸张质地，即使在阳光下也不会影响阅读。使用无接线，功耗低，显示效果稳定可靠，适用于各种办公和商业场景。
本demo它是一种基于墨水屏幕设计的低功耗座椅管理器，具有网络管理、耐久性强、显示清晰等优点。终端显示模式也可以根据不同的场景需求进行改造。你渴望尝试吗。
二、硬件设计
- 如图所示
1.主控板
主控板由涂鸦智能生产TYDE-ZTU-MCU-L431三明治开发板。
点击此处查看主控板完整原理图
点击此处查看完整的主控板PCB
主控芯片
TYDE-ZTU-MCU-L431的主控芯片选用STM32L431CCT6。
这是一个基础Arm Cortex -M4 32位RISC超低功耗微控制器的核心工作频率可达80 MHz。Cortex-M4核心有浮点单元(FPU)支持一切的单精度Arm?单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一套完整的DSP指令和内存保护单元(MPU)，提高应用安全性。
STM32L431CCT6设备嵌入高速存储器(闪存高达256kbyte, 64kbyte的SRAM)，读保护、写保护、专有代码读保护和防火墙有四种保护机制。
STM32L431还拥有快速12位ADC (5 Msps)，两个比较器，一个操作放大器，两个DAC通道，内部电压参考缓冲器，低功耗RTC，一般32位定时器，16位电机控制PWM此外，还有多达21个电容感外，还有四个通用16位定时器和两个16位低功耗定时器，功能非常强大。
点击此处查看STM32L431数据手册
通讯模组
通信模块的功能是获取涂鸦IoT平台发布的数据信息传递给主控MCU，MCU数据也可以通过通信模块向云报告。
涂鸦提供一系列超高性价比的自主研发模块，支持各种通信协议、尺寸规格、工作温度和焊接方法，广泛应用于各种产品类型和开发方法。开发者可以根据自己的产品需求灵活选择。
由于需要低功耗，建议开发者选择一些支持低功耗模式的模块，如Bluetooth LE，Zigbee等待，并根据所选模块适当修改电路。
供电方式
开发板有两种供电方式，即USB电池供电，两种供电方式只能选择一种。
方式一
第一种方法是由USB供电。USB提供的5V部分电压U1 CH340C串口芯片供电，另一部分通过U3 BL1117 LDO，将5V电压转化为3.3V给单片机和模块供电。
具体电路如下图所示
这种方法适用于调试阶段，因为有CH340C用户插入串口芯片USB，可以直接用串口调试助手MCU通信U1和U三是非低功耗装置，漏电流大，正常工作时整机功耗高。
方式二
另一种方式是一个接一个CR2450扣式纽扣电池，通过D二极管单片机和模块供电的二极管。
这样电路相对简单，整机静态功耗只有几微安全，完全满足低功耗设备的要求。
CR2450纽扣电池是锂锰环保纽扣电池，储存寿命长，产品性能稳定可靠，自放电率低，耐漏液性强。2450代表电池的标准尺寸，24代表直径24mm，55代表电池的高度为5mm，0代表圆柱形的电池形状。新电池的开路电压通常为3.3V容量约520mAh。
具体电路如下图所示
这两种供电方式可以通过P4处的跳线帽进行切换，如下图，其中P_3.3V为USB方式供电，B_3V为纽扣电池供电。
2.功能板
功能板主要有两个核心设备，一个是字库芯片，可以为开发者提供所需的中文、英文或数字像素数组，另一个是墨水屏幕。在墨水屏幕上写下像素数组的数据后，墨水屏幕可以显示开发者想要的图片。字库芯片和墨水屏幕使用SPI接口。
点击此处查看功能板完整原理图
点击此处查看功能板完整性PCB
字库芯片
本方案采用GT5SLAD3B-FA 当然，开发者也可以选择标准矢量字库芯片。
GT5SLAD3B-FA矢量字库芯片支持16-192点阵，采用灰度算法使汉字边缘比纯点阵字更柔和、更光滑。采用高通超小型嵌入式矢量字库，具有字体光滑、不失真的特点，可产生各种高质量的文本输出，可支持粗体、倾斜、白色、阴影等文本效果，支持GBK 中文，GB18030中文，ASCII代码，拉丁文。
其应用原理图非常简单，如下图所示
具体引脚功能如下：
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串行数据输出（SO）：该引脚用于串行输出芯片中的数据，并沿着时钟的下降沿移出数据。
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串行数据输入（SI）：该引脚用于将数据从串行输入芯片，数据沿时钟上升。
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输入串行时钟（SCLK）：数据在时钟上升沿移动，在下降沿移动。
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片选输入（CS#):所有串行数据传输始于CS#下降沿，CS#传输过程中必须保持低电平，两个指令之间必须保持高电平。
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挂起输入总线（HOLD#):该信号用于在片选信号有效期间暂停数据传输。在总线悬挂期间，串行数据输出信号处于高阻态，芯片不响应串行数据输入信号和串行时钟信号。
当HOLD#信号变低，串行时钟信号变低（SCLK）在低电平时，进入总线悬挂状态。
当HOLD#信号变高，并时串行时钟信号（SCLK）在低电平时，总线悬挂状态结束。
字库芯片使用方便。在此之前，开发人员通常使用文本模具软件来模具，然后存储在程序数组中，然后显示。如果只显示一些特定的字符或文本，这是一个很好的方法。但当需要显示更多的字符时，这种方法并不合适，此时反映了字库芯片的作用。
字库芯片制造商提供相应的.lib静态库文件，这种静态库文件， c源文件是通过编译与开发者相似的环境获得的，使用方法与c文件一致，并将其编译成c源文件lib将文件和相应的h头文件添加到开发和相应的h头文件添加到开发人员的开发项目中。
开发人员只需输入所需文本的对应字符编码(例如GB18030编码)、文本宽度、文本高度、文本厚度等参数，可以获得文本的点阵数组，然后在显示函数中传输点阵数组数据，可以显示文本，非常简单，具体细节可以查看固件开发章节。
点击此处查看GT5SLAD3B-FA数据手册
墨水屏
电子墨水屏又称电子纸显示技术。电子纸显示技术(以下简称EPD），麻省理工大学教授约瑟夫夫.经过30多年的研发成功，雅各布森及其研发团队。
油墨屏幕的原理非常简单，电子油墨屏幕由许多电子油墨组成，电子油墨可以被视为胶囊的外观。每个胶囊都有一个液体电荷，其中正电荷是白色的，负电荷是黑色的。当我们在一出正负电压时，带电的液体就会被吸引和排斥。这样，每个像素点都可以显示白色或黑色。
因为电子墨水的刷新是不连续的，所以每次刷新都可以保持当前的图形，即使拔下电池。有些人可能会问，为什么电池没有电，墨水屏幕总是显示最后一张图片，因为电子墨水有双稳态磁滞效应，所以即使电池没有电，球也不会回到原来的状态或进入随机混乱状态，而是保持最后一张图片的状态，当功耗为0。
这次使用墨水屏的型号是QYEG0420BNS19A，外形尺寸为91.0 x77.0x 1.2mm，显示区域尺寸为84.8 x 63.6mm，分辨率为400 x 300，支持黑白两种颜色的显示，支持全屏刷新和局部刷新，刷新功耗为12.6mW。
这里介绍一下全刷和局部刷的区别
1)全刷:电子纸刷新后，需要多次闪烁画面，最终显示所需画面，其中闪烁的目的是去除残影，达到最佳的显示效果。
2)局刷:电子纸刷新无画面闪烁。局刷需要用户刷新几次，然后进行全刷操作，以清除残影。
此外，正常使用墨水屏的温度范围为0~50℃ ，湿度范围：35%：~65%RH，避免阳光长时间直射显示屏表面。
它具有以下特点
● 内置驱动器IC，没有额外的驱动器，只有少量的外围设备可以通过MCU控制显示，节约资源。
● 超宽视角 将近180°
● 超低功耗(断电可继续显示内容)
● 纯反射模式
● 前表面防眩硬涂层
● 低电流深度睡眠模式
● 采用COG封装, IC厚度300um
● 使用寿命(无故障刷新次数):100万次以上
开发者可以参考下面的电路原理图
主要引脚功能如下
| Name | Description |
|---|---|
| GDR | N勾道场效应管的栅极驱动控制脚 |
| RESE | 控制回路的电流检测输入脚 |
| VSH2 | 正源极驱动电压 |
| TSCL | I2C数字温度传感器的时钟信号接口 |
| TSDA | I2C数字温度传感器的数据信号接口 |
| BS1 | 总线接口选择引脚 |
| BUSY | 繁忙状态输出引脚 |
| RES# | 复位信号输入脚， 低电平有效 |
| D/C# | 数据/命令控制引脚 |
| CS# | 芯片片选引脚 |
| SCL | SPI接口的时钟引脚 |
| SDA | SPI接口的数据引脚 |
| VDDIO | 逻辑接口的电源引脚， 应与VCI脚连接 |
| VCI | 芯片电源引脚 |
| VSS | 参考地 |
| VDD | 核心逻辑电源引脚 |
| VPP | 测试脚 , 保持开路 |
| VSH1 | 正源极驱动电压 |
| VGH | 正门极驱动电压和VSH1的电源引脚 |
| VSL | 负源极驱动电压 |
| VGL | 负门极驱动电压，VCOM和VSL的电源引脚 |
| VCOM | VCOM驱动电压 |
翻阅数据手册如下，可知源极驱动电压VSH引脚和门极驱动电压VGH引脚电压典型值都远大于芯片电源引脚，因此对该引脚还需要进行一个升压的处理。
如原理图所示，3.3V输入源，电感L1，MOS管Q1，电容C1，二极管D3，电阻R2构成了一个最基本的boost升压电路，MOS管Q1的导通或截止状态，由E_GDR控制。
当MOS管Q1导通时，输入电压经过电感L1后直接通过限流电阻R2返回到GND，这导致通过电感L1的电流线性的增大，此时输出滤波电容C1向负载放电。
当MOS管Q1截止时，由于电感L1的电流不能在瞬间发生突变，因此在电感L1上产生反向电动势Vs以维持通过电流不变。此时二极管D3导通，3.3V和Vs两电压串联后，以超过3.3V大小的电压向负载供电，并对输出滤波电容C1充电，如此循环，由此实现对E_PREVGH引脚的升压操作。
同样的，对于E_PREVGL引脚：
当MOS管Q1截止时，电容C2充电，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1流向GND，理想情况下电容C2两端的电压差为3.3V+Vs。
当MOS管Q1导通时，Q1的漏极接近0V，由于电容C2电压不能突变，可认为二极管D2的K极电势为-(3.3V+Vs)，电容C2放电，二极管D1截止，D2导通，电流经过D2流向C2，由此实现对E_PREVGL引脚负电压“升压”操作。
介绍完墨水屏的驱动电路，再和开发者们介绍一下墨水屏的使用方法。
墨水屏的操作流程整体也是比较简单的，大致流程如下。
另外再和开发者强调以下几点：
- 墨水屏刷新频率建议开发刷新时间间隔至少180秒（支持局刷功能的产品除外）。
- 墨水屏若有在低功耗场景中使用需求，如果显示画面不经常刷新，建议开发者将墨水屏设置为睡眠模式或者将墨水屏驱动供电部分通过模拟开关断开，这样操作既可以降低功耗，同时也可以延长墨水屏的使用寿命。
- 使用场所要求：墨水屏显示屏建议在室内使用，若在户外使用，需要让墨水屏避免长时间阳光直射，同时做好紫外线防护措施。开发者在设计产品的时候，要首先考虑使用环境是否满足墨水屏正常工作的温湿度要求。
点击这里查看QYEG0420BNS19A数据手册
三、整机搭建
1.单片机与模组部分
2.开发板与硬件模块部分
字库芯片与墨水屏幕部分：
设备整体图：
以上就是基于涂鸦智能主控板、字库芯片及墨水屏设计的墨水屏座位管理器方案。在完成硬件方案设计及搭建的同时我们也在开发座位管理器嵌入式实现方案，甚至让墨水屏方案能够应用于智慧办公，智慧零售等更多场景。再次之前如果对我们硬件方案设计有更好的建议，后者对墨水屏方案有更多的期待，欢迎留言交流！
