基于电子墨水屏实现RGB显示器的开发设计

描述

我曾收到黑客播客鼓励我分享自己的电子报纸之旅。似乎我并不是唯一一个对它的潜力着迷的人。我在CES（消费电子展）上看到该技术的时候，我对这项技术感兴趣了二十多年。我记得可以与电子纸打印机/扫描仪组合重复使用的电子纸。通过保证纸张无电且可以至少重复使用1000次的纸张，将挽救许多树木。今天，电子报纸嫁给了控制者。这是一个改进，但是价格和尺寸都远远不够。然而，技术进步，并且新的RGB显示器正在开发中。技术已经准备好用于hackerspace吗？

我将7.5英寸的三色电子墨水标签转换为气象站和留言板。这些单元由我的本地硬件商店使用，可以在eBay上以$ 12的价格购买。下面我将介绍实现这一目标的漫长旅程。

细节

电子墨水技术非常适合定期更新信息板，例如门消息标牌或自定义天气显示。我想要一个带有大气压图但不带一点2英寸显示屏的显示器。一个宽敞的显示器挂在任何墙壁上，不受插座的限制。但是像7.5英寸这样的大尺寸显示器的价格似乎超出我的预算，尤其是因为我想将它们放在几个房间中。我已经购买了一些小型显示器，但是找不到它们的易用性。同时，每次去本地硬件商店时，我都会在每台设备上看到一个大型的两色电子纸显示屏。如果我可以尝试的话，它们似乎是一个完善的解决方案供我使用。该设备可能不会很昂贵，包括无线接口，电池和外壳，他们是否可以在每个商店中拥有数百个标签。因此，我为显示器背面拍照，并做了一些研究。

目前使用的是Chroma 74，黑色和黄色，电子货架标签。黄色在我的天气显示中非常适合晒太阳“ 74”代表屏幕尺寸，为7.4英寸，其尺寸几乎与亚马逊上出售的Waveshare 7.5英寸电子墨水相同。它还具有相同的640x384显示分辨率。我可能不是第一个想到这个主意的人，但是我在网上找不到很多东西。该显示器仅出售给零售商，并具有专有的无线接口。我可以通过内部图片找到FCC认证。显示电缆和电子设备与典型的Waveshare E-Ink连接器和电路相匹配，并在亚马逊上作为模块出售，此外还配有微控制器和电池。这些显示器确实具有良好的文档和Arduino库。受这一发现的鼓舞，我转向eBay看看是否可以买到一些东西。有一些卖家的全新单元有闲置，价格约为12美元（加上几美元的运费）。所以我购买了一些。

Chroma74个设备很快问世，看上去非常完美。我希望我能够获得显示部件号并下载数据表。然后，我将通过电子墨水帽连接到ESP32，但事情往往比最初看起来更具挑战性。我在显示电缆上找到了显示部件号（WFD0750BF19）。这是无锡视觉峰技术有限公司的7.5彩色显示器，但我找不到已发布的数据表。其他较小模块的数据表也可用，因此我有一些尝试。最令人惊讶的是，显示器连接器贴在控制器板上，与FCC图片不同。他们粘合连接器也就不足为奇了。它不仅便宜，而且不易振动。此外，电缆的引出线反向（或上下颠倒的连接）。该单元包含一个具有四个部分的PCB板，以及一组六个并联的2450电池。根据设备手册，他们将为显示器供电5年-讨论效率。

为了查看是否有简单的路径，我决定将显示器连接到带有7.5英寸显示器的通用电子纸Arduino草图的电子墨水帽。连接器被大量热量和病人解开。错误的动作会损坏电缆。多余的环氧树脂用酒精清洗。显示器的扁平电缆太锡了，我用胶水粘了一些薄的塑料以匹配常规连接器的厚度，以确保良好的连接。Waveshare E-Ink显示屏的HAT扩展插座可进行顶部或底部连接；前进两步，后退一步。胶水连接器具有额外的宽度，可在两侧提供胶水表面。侧面需要修整以适合插槽，但是几乎没有错误的余地。连接器的间距为0.5mm。进行完所有手术后，我连接了通用电子纸HAT和控制器。毫无意外，显示器工作正常。我确认忙信号正在响应某些命令，因此可以确定已与显示控制器通信。显示屏似乎正在使用IL0371或IL0373控制器。不幸的是，我听到了显示电路发出的嗡嗡声。当我插入小型电子纸显示器时，一切正常，因此控制仍然很好。而且我没有听到小显示屏嗡嗡作响的声音。向后退一步。在这一点上，我需要关闭这个项目几天。而且我没有听到小显示屏嗡嗡作响的声音。向后退一步。在这一点上，我需要关闭这个项目几天。而且我没有听到小显示屏嗡嗡作响的声音。向后退一步。在这一点上，我需要关闭这个项目几天。

我能听到嗡嗡声的事实使我比较了电子墨水Waveshare HAT和Chorma74电子纸控制器上的电路组件。另外，我从IL037x电子纸控制器数据表中获得了设计参考。许多电子纸电路非常相似，几乎就像几个制造商使用一种设计（或者也许只有一个制造商）。经过一个小时的检查，似乎组件的值非常接近，电路应该可以工作。我回到最初的想法来触发启动画面或测试屏幕。如果我短路外部闪光灯，则可能是电池电量不足或发生错误，将强制显示一条消息。我研究了处理器数据表，以查看是否可以使用其中一个测试点。我找到了连接到内部串行外设并连接示波器的引脚。

我回到了电子墨水HAT策略。我尝试了其他电子纸模块使用的所有不同的启动顺序。什么都没用，但是显示屏的一侧越来越暗。我炸了显示器吗？我回到了控制器数据表。有些比其他细节更多。我下载了所有可用的文档并进行了研究。其中一种显示类型使显示器的角部翻转为白色和黑色。它是一个在可见范围之外的角落，但是它提示我编写一个简单的更新配置文件，而不是使用内部更新序列。答对了！我的屏幕有点闪烁。我需要一个适当的配置文件来驱动更新序列。再次在网络上没有太多帮助。Chroma 74具有一个外部串行闪存。我转储了串行闪存的内容并对其进行了爬网，以查看是否可以找到显示工厂配置文件代码。该配置文件具有一种模式，如果将其写为表，我应该能够识别它。在这里不容易找到。在这一点上，我一步一步地浏览了所有可能的选项，并缓慢地向前爬。

几个晚上后，我能够正确驱动像素并显示图像。我可以用3种背面阴影和4种黄色阴影绘制图像。几乎是黄色的，我再也无法获得比商店中的设备还要深的黄色了。吸引带电粒子时有一条细线。如果用力过大，相邻像素也会开始移动。如果您没有等待足够长的时间，您将无法获得良好的对比度。我想确保黑色细线清晰。我经历了一个单一的配置文件在所有情况和环境下都能工作的艰辛。但是我的目标是将气象站安装在墙上。

您可以在网上找到许多有关电子纸技术如何工作的描述。（请参阅：e-ink-elektra-3-color-display）。原理很简单；您可以通过在显示器的正面和背面之间施加电压，将带静电粒子推向正面或背面。显示器具有以行和列排列的透明金属电极。在3色显示器的情况下，颜色粒子具有中性极性（并且可能会更大）。这些粒子在介质中的移动速度较慢，您需要将它们与其他带电粒子一起推动。我很难理解内部音序器（即LUT（查找表）），电极的操作方式以及更新频率的工作方式。

电子纸控制器是通用的，可以与任何类型的显示表面一起使用。控制器需要知道如何驱动行和列以提供清晰的图像。有很多变量，例如流体动力学和电极容量。顺序不如所有黑色前进那么直截了当，而是全部白色后退。显示器具有较大的滞后现象，您需要前后移动粒子几次以获得清晰的对比度。通过处理序列/配置文件，我意识到每个像素都由四位表示，但仅使用了三位。将图像下载到控制器内存后，要求控制器刷新屏幕。

控制器基于LUT运行完整的序列/配置文件。每个八像素值都有一个LUT序列，还有一个用于运行普通印版的LUT序列。通用LUT表提供有关如何驱动板行一侧的信息，而另一侧列则由基于LUT表的特定像素值驱动。LUT表指定板是否应通电以及应朝哪个方向（正，中性或负电压）通电。该控制器的LUT表在多个段中具有200多个插槽，可以重复。这些细分市场具有众多的潜水和持续时间选择。

自定义配置文件提供了很大的灵活性来执行有趣的效果。例如，假设您有四个像素，其值分别为0、1、2和3。您可以编写一个配置文件来激发0值像素，以向后推（排斥）黑色粒子。值1向前推动（吸引）黑色粒子；2将黑色向前推，然后向后推一小段时间，对于值为3的像素，将其推向中立。我们将以白色像素，黑色像素，灰色像素结束，然后是不变像素。因此，我们只能更新显示的一部分。这是一个过于简化的配置文件。

许多显示器的LUT表已经预先编程（OTP）。该配置文件旨在在不同的温度，湿度和显示器的使用寿命内工作。我无法在此显示器上激活内部LUT，但是我创建了两个配置文件：一个用于快速更新白色和黑色，另一个用于显示灰度和彩色的时间更长。我需要太阳变黄吗？我是否需要很长的刷新时间才能清除上一张图像的相似之处？这是非常有教育性和痛苦的练习。

在之前的几周中，我将安装程序连接好并在工作台上通电。我每周晚上只有几个小时分配给这个项目。但是现在，有了新的希望，并且显示屏运行良好，我拔下了USB电缆。下一步是计算电源预算，以便它可以依靠电池运行。重新启动设备后，屏幕无法正常工作。向后退了一步。好像我回到了第一广场！我工作了几个小时，但无法使显示器正常工作。我走了几天。我太沮丧了。看来我通过遍历不同显示器的序列将设备置于“工作”模式。在这一点上，我做了一百个排列。我想回到笔记中来重新创建“工作中的”设置。分开并同意。看来我必须使用两个不同的配置文件运行两次初始化。没有实际的显示数据表和规格时序，这些只是我的猜测，但是每次上电后它都能可靠地工作。

具有显示图像的功能，下一步是尝试天气草图，看看我可以在一组AA上运行多长时间。非常感谢David Bird提供的Arduino ESP32-e-Paper-Weather-Display库（“ https://github.com/G6EJD/ESP32-e-Paper-Weather-Display”），这项令人印象深刻的工作。我更新了GxEPD2 Arduino库，以驱动Chroma 74显示并成功运行7.5英寸的天气草图。不幸的是，尽我所有的努力以降低ESP32的功耗，我只能在两个AA上运行一个月，每30分钟更新一次。

我发现其他人都在为ESP32的睡眠功耗而苦苦挣扎。该单元消耗的电流比数据表中的值高得多。我还记得有一篇关于“一日骇客”的文章，其中有人将ATTiny用作ESP的电源控制。我有一些ATTiny85，现在我遵循了建议。目标是保持尽可能长的不活动状态，并最小化活动状态，尤其是WiFi时段。Web上有许多关于ESP节能的文章，但不幸的是，ESP在睡眠模式下将所有引脚设为三态，因此我需要等待一段时间才能使显示屏完成屏幕更新。最小化WiFi连接的一个有趣建议是使用静态IP来加快连接时间。为了缩短控制器的活动时间，我决定在刷新屏幕的请求后将ESP置于完全睡眠状态，而不是等待屏幕完成更新。这将激活时间缩短到2秒。ATTiny等待预定时间，直到显示器完成更新并完全切断显示器和ESP处理器的电源。我在ATTiny和ESP之间添加了双向串行通信。在ESP进入睡眠状态之前，它会告诉ATTiny何时再次提供电源。ATTiny内部计时不是很精确，但是不需要在30分钟内精确唤醒。现在，该装置应在3个AA或1个可充电18650上运行六个月。时间将会显示。我在ATTiny和ESP之间添加了双向串行通信。在ESP进入睡眠状态之前，它会告诉ATTiny何时再次提供电源。ATTiny内部计时不是很精确，但是不需要在30分钟内精确唤醒。现在，该装置应在3个AA或1个可充电18650上运行六个月。时间将会显示。我在ATTiny和ESP之间添加了双向串行通信。在ESP进入睡眠状态之前，它会告诉ATTiny何时再次提供电源。ATTiny内部计时不是很精确，但是不需要在30分钟内精确唤醒。现在，该装置应在3个AA或1个可充电18650上运行六个月。时间将会显示。

当前所有的工作都是使用外部E-Ink HAT在工作台上进行的概念验证。下一步是制造围墙并取得胜利。在准备第二台显示器之前，我决定将显示器与原始控制板上的驱动程序一起使用。电子墨水显示屏HAT的价格为15美元。这比我为显示器所付的一切额外费用还多！另外，为什么在去除环氧树脂的同时还要冒着损坏连接器的风险？重用板上的驱动程序有多困难？该控制板包括四个部分：带RF部分的TI处理器CC1110，外部MXIC 25V8006E-8M闪存芯片，电子纸驱动器（与Waveshare的E-Ink HAT几乎相同）以及用于显示器。

从一开始，我就决定不参与CC1110。我自己的一系列冒险似乎又使我分心。我选择从ESP32控制器焊接六根控制线和两根电源线（另外一根用于控制显示电源）。再说一次，绝非易事；这些痕迹没有测试点！但是有六个处理器编程测试板；如果我能桥接一些处理器引脚的话。因此，我盲目地跳了一下，以追踪到处理器和测试板的信号线。然后，我可以使用CNC路由器将自己做成一个很小的PCB桥接板。然后，我将其铜面朝下放置，并使用热风铅笔焊接。所以我做了; 一个小时后，我的木板很小。太糟糕了，我没有在开发板之前就对处理器进行过拆焊。处理器的下面有焊料接地垫。我应该知道，但是我对我的好主意视而不见。

由于该板对焊线的测试点不合理，因此我直接焊接至VQFN36工艺脚印垫。使用32AWG实心电线是可能的，但要用力稳定地操作。通过练习，我能够在10分钟内完成所有连接。我使用了三个编程板来保护标准的2.54标头。

下面是带有电池电压监控和手动更新按钮的最终图表。ATTiny在上电时将电池电压，上电计数和按钮状态发送给ESP。该按钮可以触发天气更新，空中代码升级或配置模式。我决定暂时使用ESP32-CAM模块，因为它们比ESP32裸模块便宜。如果我决定制造更多这些单元，则可以使用带有自定义PCB的ESP32S模块。

面对所有挑战，我对气象站进行了接线和编程。我对天气草图进行了一些小修改，然后将更新配置文件更改回黑白，以最大程度地提高更新速度。我的全彩色个人资料最多可能需要20秒。将来，当我决定显示天气地图时，我将尝试对其进行优化。黑白配置文件的时长为8秒。我设计了3D打印后壳，以容纳两节AA电池，但我重新使用了前挡板。都好？终于，几个月后，我可以赢得胜利，并自豪地在厨房的墙上发光。不，显然不是，外壳令人不悦，我被要求更新外观。一些冒险永无止境。因此，我购买了木质贴面，并制作了定制的木质外壳。最终，我被允许将其挂起。欢呼！

我打算为其他设备找到更多用途，例如每日警报留言板或门上的“ DND正在开会”显示屏。我希望这些信息能激发人们更多兴趣来探索这种电子货架单元。我提供了足够的信息来增强对他人的信心，以投入他们的时间。仅售12美元，对于具有显示驱动器，RF控制器和外壳的设备来说，这是一笔令人难以置信的交易。我希望有人将它推向前进并使用uint中的TI处理器。我希望有人可以将我指向展示手册，以创建一个好的个人资料并建立一个公共图书馆。另外，我相信在未来几年中，很多电子货架标签将在商店中过期。商店将采用新技术，并将报废所有这些设备，而不是更换电池。
责任编辑:pj