電子墨水屏 Electronic Paper, Digital Paper

電子墨水屏又稱電子紙, 其結構是兩片基板, 上面分佈著微小透明顆粒, 顆粒是一種帶正負電的黑色, 紅色和白色粒子密封於內部液態微膠囊. 不同顏色的帶電粒子會因施加電場的不同, 朝不同的方向運動，在顯示屏表面呈現出黑或白, 紅或白的效果, 這樣，在電子紙的表面就可以顯示出圖案和文字, 視覺效果與紙張極為類似, 不發光, 只有畫素顏色變化時(例如從黑轉到白)才耗電, 掉電後屏上畫面仍保留, 這個特性使其特別適合於在路牌, 標籤, 價籤這樣的場合使用. 但是這個特性也會帶來一些副作用, 例如長時間展示同一畫面, 會導致顯示顆粒老化, 畫面不易清除, 以及重新整理慢等情況. 在長時間不使用時, 建議清屏(白屏)後再斷電, 放置時顯示面朝上. 如果需要長時間展示一個畫面, 最好設定為每隔數小時重新整理一次, 減緩老化.

之前在合宙上買了一片1.54寸的墨水屏一直在吃灰, 這次趁點亮的機會把AIR32F103上的驅動範例給做了.

微雪驅動庫

微雪可能是因為墨水屏才被大家熟知, 其實這家做了相當多的電路模組, 主要做外銷, 國內瞭解的比較少.

他們維護了一個品類眾多(45種)的墨水屏型號列表, 在 GitHub 上有一個專門的程式碼倉庫

https://github.com/waveshare/e-Paper

微雪的這個驅動庫程式碼質量還是不錯的. 裡面帶了針對 RaspberryPi, Arduino 和 STM32 的驅動, STM32的這個驅動, 用的硬體是 STM32F103ZET6, 遷移到AIR32F103很方便.

驅動庫當前支援以下的45種墨水屏型號, 從1.54寸到7.5寸, 其命名方式是 1N54 代表 1.54英寸, 如果同一尺寸有多個, 用 B, C, D, V2, V3 等字尾區分.

EPD_1IN54
EPD_1IN54B_V2
EPD_1IN54B
EPD_1IN54C
EPD_1IN64G
EPD_2IN7_V2
EPD_2IN7
EPD_2IN7B_V2
EPD_2IN7B
EPD_2IN9_V2
EPD_2IN9
EPD_2IN9B_V3
EPD_2IN9BC
EPD_2IN9D
EPD_2IN13_V2
EPD_2IN13_V3
EPD_2IN13
EPD_2IN13B_V3
EPD_2IN13B_V4
EPD_2IN13BC
EPD_2IN13D
EPD_2IN36G
EPD_2IN66
EPD_2IN66B
EPD_3IN0G
EPD_3IN7
EPD_3IN52
EPD_4IN01F
EPD_4IN2
EPD_4IN2B_V2
EPD_4IN2BC
EPD_4IN37G
EPD_5IN65F
EPD_5IN83_V2
EPD_5IN83
EPD_5IN83B_V2
EPD_5IN83BC
EPD_7IN3F
EPD_7IN3G
EPD_7IN5_HD
EPD_7IN5_V2
EPD_7IN5
EPD_7IN5B_HD
EPD_7IN5B_V2
EPD_7IN5BC

將微雪驅動庫移植到AIR32F103

新增驅動庫程式碼

將微雪倉庫匯出, 需要的部分都在 STM32/STM32-F103ZET6/User 目錄下, 將其中程式碼部分複製到AIR32F103的庫目錄下, 形成目錄結構為

Libraries
├── AIR32F10xLib
├── CMSIS
├── Debug
├── DeviceSupport
├── EPaper
│    ├── Config            # 組態檔
│    ├── e-Paper           # 對應每一個型號的 .c 和 .h 檔案, 驅動的核心
│    ├── Examples          # 對應每一個型號的測試範例, 都實現了 EPD_test(void) 這個方法
│    ├── Fonts             # 字型, 5個英文字型, 2箇中文字型(只是少數幾個漢字)
│    └── GUI               # 點線面的繪製方法

因為目的是要在 GNU GCC 下使用 Makefile 編譯, 所以有些地方需要優化一下

將目錄重新命名一下, e-Paper 改為 Lib
將 Debug.h 刪除, 其內容整合到 DEV_Config.h
將 DEV_Config.c 和 DEV_Config.h 的公用部分(固定部分)提取為 EPD_Common.c 和 EPD_Common.h, 放到 Lib 下
將 DEV_Config.h 中的設定部分提出來建立 EPD_Config_Template.h, 這個檔案在建立專案時, 可以更名為 EPD_Config.h 放到專案目錄下.

變成這樣的結構

├── EPaper
│    ├── EPD_Config_Template.h
│    ├── Examples
│    ├── Fonts
│    ├── GUI
│    └── Lib

進一步將每一個型號提取為宏, 然後對 Lib 和 Examples 下的每個驅動和測試 c 檔案, 增加宏判斷

#ifdef EPD_1IN54

...

#endif

這樣可以在 EPD_Config.h 中使用宏設定啟用哪一個型號, 例如對於合宙這塊1.54的屏, 只需要啟用 1N54 這個宏

/**
 * Uncomment the part number to enable
*/

// #define EPD_1IN02
// #define EPD_1IN54_V2
#define EPD_1IN54
// #define EPD_1IN54B_V2
// #define EPD_1IN54B
// #define EPD_1IN54C
// #define EPD_1IN64G
...
...
// #define EPD_7IN5B_V2
// #define EPD_7IN5BC

這樣編譯時未啟用的型號, 其驅動和測試會直接跳過

修改 Makefile

編輯專案模板的 Makefile, 增加設定項, y 代表啟用墨水屏驅動

# Build with Waveshare e-paper lib, y:yes, n:no
USE_EPAPER    ?= y

以及對應的編譯包含項, 這裡使用的是修改過名稱後的目錄名

ifeq ($(USE_EPAPER),y)
CDIRS   += Libraries/EPaper/Lib \
      Libraries/EPaper/Examples \
      Libraries/EPaper/Fonts \
      Libraries/EPaper/GUI

INCLUDES  += Libraries/EPaper/Lib \
      Libraries/EPaper/Examples \
      Libraries/EPaper/Fonts \
      Libraries/EPaper/GUI
endif

驅動墨水屏的範例專案

硬體部分

AIR32F103CBT6, 墨水屏驅動編譯完只有30多KByte, 所以用哪個型號都可以
合宙的1.54寸墨水屏. 如果使用其它墨水屏, 記得修改啟用對應的宏

接線是典型的 SPI 接線方式, 和普通LCD一樣, 但是沒有背光, 增加了一個 Busy 腳

 * Waveshare 1.54' E-Paper Demo
 * 
 * AIR32        E-Paper
 * - PA2        BUSY
 * - PA3        CS
 * - PA4        DC(Data/Command)
 * - PA5        SCK/SCL
 * - PA6        RES
 * - PA7        SI/SDA
 * - GND        GND
 * - 3.3V       VCC

軟體部分

設定 EPD_Config.h

將 EPD_Config_Template.h 複製到專案目錄下, 更名為 EPD_Config.h 並開啟編輯
啟用 EPD_1IN54, 將其反註釋
EPD_DEBUG設為1, 可以開啟串列埠紀錄檔輸出
定義 RESET, DC, CS, BUSY 這幾個 GPIO 對應的 PORT和 PIN, 這些 PIN 腳隨後需要在程式中初始化
定義幾個關鍵方法的宏


/**
 * Uncomment to enable the part
*/
// #define EPD_1IN02
// #define EPD_1IN54_V2
#define EPD_1IN54
// #define EPD_1IN54B_V2
// ...
// #define EPD_7IN5BC

#define EPD_DEBUG 1

/**
 * e-Paper GPIO
 */
#define EPD_RST_PIN     GPIOA, GPIO_Pin_6
#define EPD_DC_PIN      GPIOA, GPIO_Pin_4
#define EPD_CS_PIN      GPIOA, GPIO_Pin_3
#define EPD_BUSY_PIN    GPIOA, GPIO_Pin_2

/**
 * GPIO read and write
 */
#define EPD_Digital_Write(_pin, _value) GPIO_WriteBit(_pin, _value == 0? Bit_RESET:Bit_SET)
#define EPD_Digital_Read(_pin)          GPIO_ReadInputDataBit(_pin)
#define EPD_SPI_WriteByte(_value)       SPI_TxRx(_value)
#define EPD_Delay_ms(__xms)             Delay_Ms(__xms)

#endif

初始化外設

因為是範例專案, 就不單獨分檔案了, 都新增到 main.c.

初始化普通 GPIO, PA2是輸入, PA3, PA4, PA6 都是輸出

void APP_GPIO_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_6;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_6);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}

初始化SPI1, 這裡用 PA5作為SCL, PA7作為SDA

void APP_SPI_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7);

  SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_1Line_Tx;
  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8;
  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
  SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 0;
  SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

  SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

對應 EPD_Config.h 中的 EPD_SPI_WriteByte() 宏定義, 建立 SPI 的位元組讀寫方法

uint8_t SPI_TxRx(uint8_t data)
{
  uint8_t retry = 0;
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET && ++retry);
  SPI_I2S_SendData(SPI1, data);
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET && ++retry);
  return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

執行驅動測試

在 main() 中初始化後直接呼叫微雪自帶的測試函數. 這個測試會寫入圖, 然後寫入文字, 區域性重新整理, 最後清屏, 進入睡眠.

int main(void)
{
  //...

  APP_GPIO_Config();
  APP_SPI_Config();

  EPD_test();

  while (1);
}

遇到的問題

字型編譯錯誤

原驅動庫中文使用的是 GB2312 的編碼, 而我在 Ubuntu 下肯定是不用 GBK 的, 所以會亂碼, 我把這部分都改成 UTF-8 了, 因此對應的漢字的位元組數也從2變成了3, 需要做對應的修改

fonts.h

typedef struct
{
  unsigned char index[3];                                  //<-- 從 2 改成 3
  const char matrix[MAX_HEIGHT_FONT*MAX_WIDTH_FONT/8];
} CH_CN;

GUI_Paint.c

void Paint_DrawString_CN(UWORD Xstart, UWORD Ystart, const char * pString, cFONT* font,
                        UWORD Color_Foreground, UWORD Color_Background)
{
//...

            /* Point on the next character */
            p_text += 3;                                  //<-- 從 2 改成 3
//...

原先的字型定義方式為

/*--  文字:  好  --*/
/*--  微軟雅黑12;  此字型下對應的點陣為：寬x高=16x21   --*/
{"好",
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x30,0x00,0x73,0xFF,0x70,0x0F,0xFE,0x1E,
0x7E,0x3C,0x6E,0x38,0xEE,0x30,0xEF,0xFF,0xFC,0x30,0x7C,0x30,0x38,0x30,0x3E,0x30,
0x7E,0x30,0xE0,0x30,0xC1,0xF0,0x00,0x00,0x00,0x00},

這種初始化賦值應該是 ARM GCC 支援, 但是 GUN GCC 不支援, 編譯會報錯, 兩個struct成員變數不能用同一個花括號, 需要改為

  /*--  文字:  好  --*/
/*--  微軟雅黑12;  此字型下對應的點陣為：寬x高=16x21   --*/
{
  index:"好",
  matrix: {
    0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x30,0x00,0x73,0xFF,0x70,0x0F,0xFE,0x1E,
    0x7E,0x3C,0x6E,0x38,0xEE,0x30,0xEF,0xFF,0xFC,0x30,0x7C,0x30,0x38,0x30,0x3E,0x30,
    0x7E,0x30,0xE0,0x30,0xC1,0xF0,0x00,0x00,0x00,0x00}
},

或者下面這種形式

  /*--  文字:  好  --*/
/*--  微軟雅黑12;  此字型下對應的點陣為：寬x高=16x21   --*/
{
  "好",
  {
    0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x30,0x00,0x73,0xFF,0x70,0x0F,0xFE,0x1E,
    0x7E,0x3C,0x6E,0x38,0xEE,0x30,0xEF,0xFF,0xFC,0x30,0x7C,0x30,0x38,0x30,0x3E,0x30,
    0x7E,0x30,0xE0,0x30,0xC1,0xF0,0x00,0x00,0x00,0x00}
},

經過以上的修改, 就可以正常編譯了.

範例專案原始碼

程式碼已經提交到 GitHub 倉庫

https://github.com/IOsetting/air32f103-template/tree/master/Examples/NonFreeRTOS/SPI/Waveshare_1N54_E-Paper

將目錄下的檔案複製替換掉 User 目錄下的檔案, 再編輯 Makefile, 開啟 EPaper 庫就能編譯.

如果需要驅動其它型號的墨水屏, 編輯 EPD_Config.h 將#define EPD_1IN54註釋掉, 再將需要啟用的型號取消註釋即可.

AIR32F103(十一) 在AIR32F103上移植微雪墨水屏驅動

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