郭 輝，余世干，李林國(guó)

（阜陽(yáng)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041）

基于STM32的電子紙灰度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 輝，余世干，李林國(guó)

（阜陽(yáng)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041）

電子紙因其低功耗特性和良好顯示效果，在手持閱讀設(shè)備和智能標(biāo)簽等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。電子紙種類繁多，現(xiàn)在對(duì)其顯示的每個(gè)灰階的灰度還沒(méi)有統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)刷新圖像時(shí)電子紙灰度的動(dòng)態(tài)變化情況也還沒(méi)有便捷的測(cè)量方法。因此本文基于STM32設(shè)計(jì)了一套針對(duì)電子紙顯示灰度的檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能夠量化電子紙顯示的每個(gè)灰階，還能夠準(zhǔn)確記錄電子紙顯示灰度的動(dòng)態(tài)變化情況。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電子紙顯示的灰度狀態(tài)。

電子紙；灰度；STM32；檢測(cè)系統(tǒng)

電子紙（E-paper）是一種基于電子紙內(nèi)部油墨粒子雙穩(wěn)態(tài)特性的顯示技術(shù)，施加電壓時(shí)油墨粒子向電極移動(dòng)，去掉電壓后油墨粒子仍會(huì)停留在電極附近，因此電子紙只在刷新圖像的時(shí)候耗電，顯示圖像的時(shí)候不需要供電，相對(duì)于液晶顯示或OLED顯示技術(shù)需要不斷刷新屏幕來(lái)顯示圖像，電子紙的功耗是非常低的，可以廣泛的應(yīng)用在電子標(biāo)簽等需要低功耗顯示的場(chǎng)合中[1-5]。另外電子紙無(wú)需背光源，本身也不發(fā)光，和普通紙張一樣通過(guò)反射環(huán)境光來(lái)顯示，因此電子紙的顯示效果最接近紙張，對(duì)眼睛的輻射傷害也最小，有很好的閱讀舒適度性，在閱讀設(shè)備方面也有廣泛的應(yīng)用前景，市場(chǎng)上也已有多款基于電子紙的智能顯示設(shè)備和手持閱讀器[6-8]。

目前評(píng)價(jià)電子紙顯示器優(yōu)劣的方法，除了像普通平板顯示器一樣標(biāo)定像素壞點(diǎn)數(shù)量外，還會(huì)通過(guò)反射率檢測(cè)儀來(lái)測(cè)定電子紙的反射率[9]，不過(guò)反射率檢測(cè)儀一般是用來(lái)測(cè)量油漆、涂料的表面反射率或涂層覆蓋率的，并不是針對(duì)電子紙專門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試儀器。另外，電子紙灰度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)于優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形和分析油墨粒子特性都有重要意義，而目前也沒(méi)有簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法。為解決這些問(wèn)題，本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電子紙顯示灰度的檢測(cè)系統(tǒng)，包括電子紙靜態(tài)顯示灰度的量化檢測(cè)及電子紙顯示灰度動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程檢測(cè)。

1 顯示檢測(cè)方案

目前電子紙按顯示原理分主要有微膠囊電泳、電子粉流和電濕潤(rùn)顯示技術(shù)等，其中以E-ink公司的微膠囊電泳技術(shù)最為成熟。現(xiàn)在市場(chǎng)上的大部分電子紙產(chǎn)品都是基于這種技術(shù)，本文也是以這種技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。這種電子紙內(nèi)部是由微膠囊構(gòu)成的。每個(gè)微膠囊都包含一定數(shù)量的二氧化鈦粒子和炭黑粒子，其中二氧化鈦粒子是白色的，經(jīng)工藝處理后表面帶負(fù)電，炭黑粒子是黑色的，經(jīng)處理后表面帶正電，在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，白色和黑色粒子均勻分布在微膠囊內(nèi)的膠體懸浮液中。電子紙兩側(cè)電極加上電場(chǎng)后，微膠囊中帶電粒子會(huì)分別向兩極移動(dòng)，電子紙表面的公共ITO電極是透明的，會(huì)顯示出聚集到ITO電極附近的粒子顏色?？刂齐妶?chǎng)施加的時(shí)間可以使電子紙呈現(xiàn)出不同的灰階[10]。

根據(jù)電子紙中黑色粒子和白色粒子對(duì)光的吸收率和反射率不同，設(shè)計(jì)了圖2所示的電子紙灰度檢測(cè)系統(tǒng)，在一個(gè)封閉的黑色腔體內(nèi)放置一顆白色發(fā)光LED和一枚光敏傳感器，兩者之間放置隔光板，腔體開(kāi)出孔洞用于放置被檢測(cè)的電子紙，檢測(cè)時(shí)LED發(fā)出的光通過(guò)電子紙表面反射到光敏傳感器，AD轉(zhuǎn)換器將光敏傳感器的模擬量變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給STM32，STM32再將采集的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)做進(jìn)一步的處理。

圖2 電子紙灰度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 STM32處理器

STM32是意法半導(dǎo)體推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，按性能分有STM32F101“基本型”，STM32F103“增強(qiáng)型”和STM32F105、STM32F107“互聯(lián)型”等系列，基于本系統(tǒng)的檢測(cè)要求采用STM32F103CBT6系列芯片，時(shí)鐘頻率72 MHz，具有32個(gè)I/O，2個(gè)12位AD采樣通道，最高采樣頻率1 MHz，處理性能和外設(shè)資源都足以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 AD采樣方案

目前市場(chǎng)上已有的電子紙產(chǎn)品，在屏幕刷新的時(shí)候一般都會(huì)伴有閃屏，就是屏幕先全黑再全白，然后再顯示對(duì)應(yīng)的灰度圖像，雖然變化速度很快，但是眼睛還會(huì)感覺(jué)的到，為了檢測(cè)這一動(dòng)態(tài)過(guò)程，AD采樣頻率設(shè)置為10 kHz，即每隔0.1 ms對(duì)光敏傳感器輸出的模擬量采樣一次，這樣可以完整的記錄電子紙灰度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，通過(guò)分析這一動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以觀察油墨粒子的運(yùn)動(dòng)情況和響應(yīng)速度，還可以還原電子紙?jiān)谒⑵習(xí)r的驅(qū)動(dòng)波形，這對(duì)優(yōu)化電子紙的驅(qū)動(dòng)波形和油墨粒子性能都有很大的參考價(jià)值。

常見(jiàn)的AD轉(zhuǎn)換芯片一般用在多通道高速采樣場(chǎng)合，而本文的檢測(cè)系統(tǒng)只需采集一個(gè)光敏傳感器的模擬量，是單通道采樣，所使用的STM32F103系列芯片內(nèi)置2路12位的AD采樣通道，采樣速度和精度也都足以滿足系統(tǒng)檢測(cè)要求，因此設(shè)計(jì)采用STM32F103芯片內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器對(duì)光敏傳感器輸出的模擬量進(jìn)行采樣。

2.3 光敏傳感器

光敏傳感器根據(jù)輸入輸出信號(hào)量的關(guān)系可以分為線性和非線性，根據(jù)工作原理和結(jié)構(gòu)來(lái)分有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。

光敏電阻一般采用具有內(nèi)光電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制作，在光照的作用下材料的阻值明顯變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)電效應(yīng)。在光敏電阻兩端加上電壓，受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，通過(guò)光敏電阻的電流就會(huì)隨光強(qiáng)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有極性，是純電阻器件，使用時(shí)既可加直流電，也可以加交流電。其特點(diǎn)是容易受環(huán)境溫度影響，強(qiáng)光下線性度較差，光電馳豫過(guò)程較長(zhǎng)，不適合用在光照強(qiáng)度快速變化的場(chǎng)合[11]。

光敏二極管外形與普通二極管相似，但制作工藝不同，其管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié)，工作時(shí)需加上反向電壓，無(wú)光照時(shí)，有很小的反向暗電流，當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，也叫光生載流子，載流子在反向電壓作用下向電極移動(dòng)而產(chǎn)生電流，光的強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的載流子越多，反向光電流也就越大，因此輸出了一個(gè)隨光照強(qiáng)度的變化而變化的電流信號(hào)。光敏二極管的特點(diǎn)是頻率響應(yīng)特性好，對(duì)光照強(qiáng)度變化可以瞬時(shí)響應(yīng)，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)還具有良好的線性輸出，用不同材料制作的光敏極管可以具有不同的光譜特性[12]。

光敏三極管又稱光電三極管，可以等效為一個(gè)光敏二極管和一個(gè)半導(dǎo)體三極管放大輸出，相對(duì)于普通光敏二極管，光敏三極管對(duì)弱光更為敏感，若光強(qiáng)稍大則容易達(dá)到飽和狀態(tài)，所以輸出電流的線性度較差，一般用在弱光環(huán)境或靈敏度要求高的場(chǎng)合輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)量[13]。

電子紙的灰度檢測(cè)范圍包括反射率較大的白色和反射率較低的黑色，光敏傳感器接收的反射光強(qiáng)變化范圍較大，需要光敏傳感器在大范圍光強(qiáng)變化時(shí)有良好的線性輸出，另外，進(jìn)行電子紙顯示灰度動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程檢測(cè)時(shí)光強(qiáng)變化速度較快，這就要求光敏傳感器要有良好的頻率響應(yīng)特性，經(jīng)測(cè)試三種光敏傳感器，發(fā)現(xiàn)光敏二極管的輸出信號(hào)在電子紙灰度變化范圍內(nèi)有良好的線性度，頻率響應(yīng)也足以滿足對(duì)電子紙灰度動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)要求，所以采用光敏二極管作為檢測(cè)系統(tǒng)的光敏傳感器。

除了以上各個(gè)模塊，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行還有給系統(tǒng)供電的電源模塊，調(diào)試系統(tǒng)和給系統(tǒng)編程的JTAG模塊，以及顯示檢測(cè)數(shù)值的數(shù)碼管顯示模塊等，在進(jìn)行電子紙顯示灰度的動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)做進(jìn)一步的處理。檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電子紙灰度檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

3.1 電子紙灰度量化檢測(cè)

為測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)，購(gòu)買了市場(chǎng)上某品牌的電子紙閱讀器進(jìn)行測(cè)試，該電子紙閱讀器的圖像可以實(shí)現(xiàn)16個(gè)灰階顯示，不僅可以顯示閱讀文本，也可以顯示各種圖片。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)色卡的16進(jìn)制代碼，制作了16個(gè)灰階的圖像下載到閱讀器中，然后依次顯示檢測(cè)。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)色卡的黑白比色卡實(shí)物作為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，將光敏傳感器測(cè)量的白色比色卡作為灰度的最小值Gmin，將黑色比色卡測(cè)量值作為灰度的最大值Gmax，再測(cè)量電子紙顯示的不同灰階的值Gx，然后與Gmin、Gmax計(jì)算得出電子紙顯示灰階的灰度百分比G，可簡(jiǎn)稱為灰度比，計(jì)算公式如下：

對(duì)電子紙顯示的16階灰度的圖像進(jìn)行測(cè)量，得出了不同灰度圖像的灰度比，如表1所示。由表1可以看到，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠很好的區(qū)分電子紙閱讀器顯示的各個(gè)灰度，并能夠?qū)γ總€(gè)灰度給出對(duì)應(yīng)的量化數(shù)值，同時(shí)也可以看出，電子紙閱讀器顯示的最黑的灰階的灰度比為91.6，與標(biāo)準(zhǔn)比色卡的黑色相差不到10%，顯示的最白的灰階的灰度比為13.5，相對(duì)而言與標(biāo)準(zhǔn)比色卡的白色相差較大。說(shuō)明電子紙顯示的黑色更接近標(biāo)準(zhǔn)比色卡的黑色，而電子紙顯示的白色和標(biāo)準(zhǔn)比色卡的白色差距略大，因此電子紙?jiān)陲@示白色灰階時(shí)還有較大的優(yōu)化空間使其顯示的更白。

表1 電子紙顯示16階灰度的灰度比

所顯示的灰度

3.2 電子紙灰度動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程檢測(cè)

在電子紙閱讀器刷新圖像時(shí)，可以感覺(jué)到屏幕的閃爍現(xiàn)象。電子紙灰度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)際是電子紙驅(qū)動(dòng)電壓的變化導(dǎo)致微膠囊內(nèi)油墨粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，對(duì)電子紙灰度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的檢測(cè)，不僅可以觀察電子紙微膠囊內(nèi)黑白粒子的分布情況，還可以反映電子紙?jiān)谒⑿缕聊粫r(shí)驅(qū)動(dòng)波形的情況。通過(guò)分析電子紙刷新屏幕時(shí)微膠囊內(nèi)黑白粒子的運(yùn)動(dòng)和分布情況，可以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形，也可以有針對(duì)性的優(yōu)化微膠囊內(nèi)黑白粒子的配比和粒子尺寸等，對(duì)于優(yōu)化電子紙的高對(duì)比度和低功耗顯示效果都有重要的參考價(jià)值。

圖4給出了電子紙閱讀器在刷新屏幕時(shí)灰度比的動(dòng)態(tài)變化情況。圖4（a）是從白色灰階分別刷新顯示黑白灰色灰階時(shí)灰度比的變化曲線，圖4（b）是從黑色灰階分別刷新顯示黑白灰色灰階時(shí)灰度比的變化曲線。可以看到在屏幕刷新時(shí)電子紙都會(huì)先經(jīng)歷變白變黑再變白的過(guò)程，然后才顯示對(duì)應(yīng)的灰階。通過(guò)分析灰度比的動(dòng)態(tài)變化曲線，也可以描繪出電子紙屏幕刷新時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓的變化情況。

電子紙顯示的灰階圖像是由每個(gè)微膠囊像素電極的電壓(-15～15 V)決定的。像素電極加負(fù)電壓時(shí)吸附帶正電的炭黑粒子，排斥帶負(fù)電的二氧化鈦粒子，使得白色的二氧化鈦粒子向頂部的公共電極運(yùn)動(dòng)，電子紙就呈現(xiàn)出白色；像素電極加正電壓時(shí)則吸附帶負(fù)電的二氧化鈦粒子，排斥炭黑粒子，炭黑粒子聚集在頂部的透明電極附近，電子紙就呈現(xiàn)出黑色[14,15]。如圖5所示，Te時(shí)加負(fù)電壓使電子紙變白，其作用是擦除之前顯示的圖像；Ta階段先加正電壓再加負(fù)電壓，電子紙會(huì)變黑再變白形成閃爍現(xiàn)象，作用是激活微膠囊內(nèi)的油墨粒子；在Tw階段控制像素電極加正電壓的時(shí)間可使電子紙呈現(xiàn)出不同的灰度。本文設(shè)計(jì)的電子紙灰度檢測(cè)系統(tǒng)，可以更好觀察與分析這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖4 電子紙閱讀器灰度比動(dòng)態(tài)曲線

圖5 電子紙驅(qū)動(dòng)波形示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于STM32設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電子紙顯示灰度檢測(cè)系統(tǒng)，包括電子紙靜態(tài)顯示灰度的量化檢測(cè)，以及電子紙顯示灰度動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程檢測(cè)。通過(guò)分析比較各種光敏傳感器的原理和特性，采用具有良好線性度和頻率響應(yīng)特性的光敏二極管作為檢測(cè)系統(tǒng)的光敏元件。通過(guò)STM32對(duì)光敏二極管進(jìn)行AD采樣，然后計(jì)算得出電子紙顯示的各個(gè)灰階的灰度比。經(jīng)測(cè)試，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠很好的區(qū)分電子紙閱讀器顯示的各個(gè)灰度，并能夠?qū)γ總€(gè)灰度給出對(duì)應(yīng)的灰度比數(shù)值。過(guò)程檢測(cè)功能也能夠很好的記錄電子紙顯示灰度的動(dòng)態(tài)變化情況，通過(guò)分析刷新屏幕時(shí)灰度比的動(dòng)態(tài)變化曲線，可以直觀的反應(yīng)電子紙電子紙驅(qū)動(dòng)電壓變化情況，以及微膠囊內(nèi)油墨粒子的分布情況。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的灰度檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確高效的測(cè)量電子紙顯示的灰度等級(jí)和灰度動(dòng)態(tài)變化情況，這不僅可以方便的分析與優(yōu)化電子紙的驅(qū)動(dòng)波形和刷新速度，對(duì)于分析微膠囊中黑白粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和優(yōu)化粒子配比等也有重要的參考意義。

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Design of electronic paper’s grayscale detection system based on STM32

GUO Hui，YU Shi-gan，LI Lin-guo
（College of Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui,236041,China）

As electronic paper features low power consumption and good display effects,it has been extensively applied in hand-held reading equipment,smart tag and other fields.There are many kinds of electronic paper devices,but no uniform quantization standard for the gray level displays,besides,there`s not a convenient method to measure the dynamic change of the gray level of electronic paper.In this paper,a set of electronic paper display grayscale detection system has been designed based on MCU STM32,the system can not only be used to quantify the gray level displayed by the electronic paper,but also accurately record the dynamic changes of the gray level displaying.After a scientific testing,the system is stable and reliable,which can accurately measure the grayscale displayed by electronic paper.

electronic paper;grayscale;STM32;detection system

TP368.1

A

1004-4329（2017）03-059-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）03-059-05

2017-04-23

安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2017A837，KJ2017A838）；阜陽(yáng)師范學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2015FXXZK02）資助。

郭 輝（1987- ），男，碩士，助教，研究方向：智能化儀器儀表。