E-paper podbija kolejne rynki - technologia, oprogramowanie, wdrożenia

Idealną propozycją dla superenergooszczędnych urządzeń jest e-paper. Przez wiele lat wyświetlacze tego typu stosowane były jedynie w konsumenckich czytnikach e-booków. Od niedawna technologia ta jest również dostępna w zastosowaniach przemysłowych.

Czym jest e-paper?

Rys. 1. Zasada działania komórki wyświetlacza e-paper

Jest to wyświetlacz bazujący na technice zwanej elektroforezą. Polega ona na rozdzielaniu mieszaniny związków chemicznych na jednorodne frakcje poprzez wymuszenie ruchu ich cząsteczek w polu elektrycznym. Komórka wyświetlacza zbudowana jest z kapsułek zawierających naładowane, kolorowe drobiny zanurzone w bezbarwnym oleju. Kapsułki umieszczone są pomiędzy dwoma rzędami równoległych elektrod, które wystawiają je na działanie pola elektrycznego.

Aby wymusić pożądany ruch cząsteczek wyświetlacza na elektrody podaje się odpowiednie przebiegi (obwiednie - waveforms), których zadaniem jest przeniesienie jak największej ilości drobin jednego, wybranego koloru w kierunku przedniej części wyświetlacza, jednocześnie usuwając z niego pozostałe kolory. Nieodpowiednie dobranie sygnałów sterujących elektrodami skutkuje mieszaniem się różnych drobin i brakiem możliwości uzyskania odpowiedniego kontrastu, dlatego też przykładowe obwiednie opracowuje producent wyświetlacza.

Na świecie zostały już zaprezentowane wyświetlacze e-paperowe w pełni kolorowe wykorzystujące filtry RGB. W obszarze wyświetlaczy przemysłowych dwa podstawowe kolory to czarny i biały, ale dostępny jest aktualnie również czerwony. Trwają prace nad kolorem żółtym.

Elektroniczny papier jest wyświetlaczem refleksyjnym. Oznacza to, że nie zawiera energochłonnego podświetlenia, natomiast aby treść była widoczna, potrzebne jest światło zewnętrzne. Podobnie jak w przypadku zwykłego papieru, energia potrzebna na wyświetlenie treści potrzebna jest tylko w momencie "druku". Po ustawieniu treści jest ona widoczna cały czas, bez konieczności zasilania, co jest tutaj niewątpliwym atutem.

Kontrolery Solomon Systech

Tabela 1. Zestawienie popularnych kontrolerów do wyświetlaczy EPD

Podanie na każdy piksel odpowiedniego przebiegu sterującego jest zadaniem trudnym. Z pomocą przychodzą specjalizowane kontrolery firmy Solomon Systech. Producent ten stworzył rodzinę układów SSD16XX, która jest wyspecjalizowana w sterowaniu elektronicznym papierem. Są to kontrolery typu COG (Chip on Glass), czyli montowane bezpośrednio na szkle wyświetlacza, dzięki czemu cały wyświetlacz jest niezwykle cienki.

Różnice pomiędzy kontrolerami polegają, w pierwszej kolejności, na maksymalnej rozdzielczości, jaką są w stanie obsłużyć. Ciekawą cechą jest możliwość łączenia kaskadowego niektórych układów w celu zwiększenia liczby sterowanych łącznie pikseli. Przykładem takiego połączenia jest wyświetlacz 4,2" o łącznej rozdzielczości 400×300, w którym użyto dwóch kontrolerów SSD1608.

Każdy układ ma wbudowane pamięci przechowujące przebiegi sterujące elektrodami, z czego jedna jest typu OTP (One Time Programming). Pamięć OTP może być zaprogramowana fabrycznym przebiegiem waveform na etapie produkcji wyświetlacza, natomiast druga, programowalna, jest dostępna dla użytkownika i można do niej ładować dowolne przebiegi. Odświeżanie e-paperu jest wrażliwe na temperaturę otoczenia.

Kontrolery SSD16XX mają wbudowany kontroler I²C oraz obsługę czujnika temperatury LM75. Producent może umieścić w pamięci OTP waveformy odpowiadające zdefiniowanym przedziałom temperatury otoczenia. Dzięki temu wahania temperatury mają mniejszy wpływ na to, co jest widziane przez użytkownika. Miejsce, z którego pobierany jest przebieg, wybierane jest podczas sekwencji odświeżania.

Do elementów kontrolera należy również wbudowana przetwornica DC/DC tworząca napięcia wymagane w trakcie odświeżania treści wyświetlacza. Wymaga ona podłączenia kilku elementów dyskretnych. Interfejsy, którymi można komunikować się z kontrolerem to SPI, I²C lub równoległy 6800/8080, z czego najczęściej wybierany przez producentów e-paperu jest 3- lub 4-przewodowy SPI.

Praca z kontrolerem SSD16XX

Fot. 2. Trójkolorowy wyświetlacz e-papierowy

Solomon Systech zaprojektował swoje kontrolery w taki sposób, aby ułatwiały programiście pracę. Sterowanie wyświetlaniem treści nie odbiega znacznie od tego, które znamy z wyświetlaczy LCD, TFT lub OLED. Programista operuje na pamięci RAM, w której odwzorowany jest każdy piksel. Procedura inicjalizacyjna zawiera m.in. ustawienie kolejności skanowania segmentów wyświetlacza, ustawienie używanych zakresów wbudowanej pamięci RAM, oraz wpisanie używanego waveformu.

Ustawienie koloru wyświetlacza odbywa się w jego wbudowanej pamięci RAM. Kolor czarny reprezentowany jest przez logiczne zero, a biały stanem wysokim, więc odwrotnie niż podpowiadałaby intuicja. Po wpisaniu danych do RAM-u należy wykonać procedurę odświeżającą matrycę. W tym momencie producent mocno ułatwia sterowanie poprzez wbudowaną procedurę podzieloną na poszczególne części. Wywołuje się ją jedną komendą i obejmuje ona czynności wykonywane w kolejności:

• włączenie wewnętrznego oscylatora,
• włączenie przetwornicy,
• odświeżenie zawartości wyświetlacza za pomocą wgranego waveformu,
• wyłączenie przetwornicy,
• wyłączenie wbudowanego oscylatora.

Jeśli mamy do czynienia z wyświetlaczem z dodatkowym czerwonym kolorem, to kolor ten wykorzystuje odrębną pamięć RAM. Po wpisaniu informacji o czarnych pikselach należy wybrać drugą pamięć i do niej wpisać treść czerwoną. Po wpisaniu wystarczy uruchomić odświeżanie wyświetlacza.

A gdyby tak nie błyskało?

Fot. 3. Efekt częściowego odświeżenia wyświetlacza e-papierowego

Jedną z wad wyświetlaczy typu e-paper jest ich proces odświeżania. Jest on czasochłonny oraz nieestetyczny dla oka. Procedurze odświeżania zawartości wyświetlacza towarzyszą migotania obrazu, a całkowite odświeżenie trwa od kilku do kilkunastu sekund w zależności od temperatury otoczenia. Istnieje jednak możliwość natychmiastowej zmiany treści całego obrazu lub jego części. W tym celu należy użyć innego przebiegu odświeżającego obraz oraz zapisywać pamięć RAM w odpowiedni sposób.

Dzięki temu można uzyskać częstotliwość odświeżania ok. 2-3 Hz. Niestety takie szybkie odświeżanie ma swoją wadę w postaci pojawiających się przebić poprzedniej treści. Można zauważyć np. odznaczające się kontury, a nawet delikatne szarzenie tła, co obniża kontrast. Można ten efekt usunąć poprzez procedurę pełnego odświeżania. Przy projektowaniu np. panelu sterującego urządzeniem, szybkie odświeżanie jest niezbędne, aby zachować responsywność interfejsu. Przywrócenie pełnego kontrastu można wykonać, kiedy użytkownik oddali się od panelu.

Wdrażanie e-paperu

Elektroniczny papier jest ciekawą alternatywą dla klasycznych technologii w miejscach, gdzie liczy się zużycie energii. Niemniej w dzisiejszych czasach bardzo ważne jest szybkie działanie oraz wprowadzenie na rynek gotowego produktu. Nowości takie jak e-paper wymagają poświęcenia więcej czasu na wdrożenie i testowanie niż dobrze znane wyświetlacze LCD. Na skrócenie czasu potrzebnego na zaznajomienie się z technologią pozwala bliska współpraca z dostawcą, który oferuje pomoc doświadczonego zaplecza inżynierskiego.

Mateusz Salamon
Inżynier projektu
Unisystem Sp. z o.o.
www.unisystem.pl