电润湿电子纸多灰度动态显示驱动系统设计与实现
电润湿电子纸多灰度动态显示驱动系统设计与实现
单升起;林珊玲;林志贤;郭太良
【摘 要】为了解决电润湿电子纸显示器存在的视频闪烁、电荷泄露问题以及实现电润湿多灰度动态显示,本文针对电润湿电子纸显示器研究设计了一套驱动系统.首先,根据完整的电润湿电子纸驱动系统必须具备的功能,提出了嵌入式+现场可编程门阵列(FPGA)的驱动系统架构,其中嵌入式平台可以对视频源进行实时图像处理,FPGA根据接收到的处理后的数据进行相应的时序控制.接着,采用现有电泳电子纸的源栅驱动芯片作为电润湿电子纸的驱动芯片.最后,本文提出了不等子帧和复位帧的概念用以解决视频闪烁和电荷泄露问题从而更好地实现多灰度显示.实验结果表明:该驱动系统成功解决了电润湿视频闪烁、电荷泄露以及多灰度显示等问题,使电润湿电子纸的视频刷新率达到30 Hz,像素最高灰度可以达到16灰阶并且在该灰度下的电润湿反射率接近60%.整个驱动系统基本满足了多灰度动态显示.%In order to solve the problems of video scintillation,charge leakage and achieving dynamic multi-grayscale display on electrowetting electronic paper displays,a set of driving system was de-signed for the study of electrowetting electronic paper displays.First of all,this paper proposes a dri
v-ing system architecture of embedded platform + FPGA based on the functions that the complete elec-trowetting electronic paper drive system must have,in which the embedded platform can carry out real-time image processing on the video source.And the corresponding timing control will be achieved by FPGA according to the received processed data.Next,the source gate driver chip of the existing e-lectrophoresis electronic paper is used as the driver chip of the electrowetting electronic paper.Finally,this paper proposes the concepts of unequal subframes and reset frames to solve the problem of video flicker and charge leakage so as to achieve a better multi gray scale display.The experimental results show that the drive system successfully solves the problems of electrowetting video flicker, charge leakage and multi-grayscale display problems.The video refresh rate of the electrowetting elec-tronic paper reaches to 30 Hz,the maximum gray level of the pixel can reach 16 gray scale and the re-flectivity is close to 60% at the highest gray level.The whole drive system basically meets the dynamic display of multi grayscale.
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2018(033)003
【总页数】8页(P213-220)
【关键词】电润湿电子纸;驱动系统;多灰度动态;视频闪烁;电荷泄露
【作 者】单升起;林珊玲;林志贤;郭太良
【作者单位】福州大学物理与信息工程学院,福建福州350100;福州大学物理与信息工程学院,福建福州350100;福州大学物理与信息工程学院,福建福州350100;福州大学物理与信息工程学院,福建福州350100
【正文语种】中 文
【中图分类】TP368.1;TP311.1
1　引  言
以Amazon和索尼公司的电泳电子纸显示器(EPD)为代表的电子纸显示器已经成为一种重要
的信息可视化工具[1]，目前EPD响应速度太慢而不能实现视频的播放[2]。然而自2003年荷兰皇家飞利浦的Rob. Hayes团队在Nature杂志上发表了一篇关于电润湿的文章[3]，电润湿显示才正式进入了大家的视线。电润湿其响应速度快，可以用于播放视频。并且具有制造容易[4]、透光率高[5]和低功耗的优点。这些特性使得电润湿电子纸适合于便携式设备，通常用于户外视频内容显示。针对电润湿电子纸的驱动，不同的公司和研究机构也进行了不同的研究，如韩国液晶显示器(LCD)研究和开发中心，Ho-Yong Jung 等人[6]研发了一种符合电润湿电子纸频率和电压的专用驱动芯片、R.C.van Dijk[7]提出一种用于电润湿电子纸的驱动波形。然而这些基本都是研究一些驱动芯片和驱动波形。很少有关于电润湿电子纸的整机驱动系统，这种系统可以自动实现图像获取、图像处理、图像显示相关的操作。
而在本文中，我们提出了一套完整的整机驱动系统，可以实现16灰阶的动态视频显示。并且通过对驱动波形进行创新改进，基本解决了电润湿电子纸的电荷泄露和视频闪烁的问题。
2　电润湿电子纸的驱动原理
显示器闪烁电润湿电子纸的显示原理和像素结构如图1所示，图1(a)是像素结构的剖面图(横截面)，该
结构包括白衬底、透明电极，疏水涂层、油墨、像素墙。如图1(a)所示，当没有施加驱动电压在像素电极上时，油墨将平铺在疏水层上，光线通过水层到达油墨，反射后显示油墨的颜，此时像素定义为关闭状态。如图1(b)所示，当给像素电极施加驱动电压时，油墨不再铺满整个像素格，而是在界面张力的作用下被推挤到一边，反射基板暴露在自然光下从而反射白基板的颜，此时像素定义为打开状态。图1(c)是油墨平铺时的俯视图；如图1(d)是油墨收缩时的俯视图。油墨收缩的程度和反射光的大小由驱动电压大小决定，当驱动电压低于阈值电压时油墨收缩程度非常小，反之当驱动电压高于阈值电压时电压越大油墨收缩程度越大。又由于油墨的伸缩有一定的延迟时间，所以可以利用子帧实现多灰度显示，通过不同大小电压子帧的组合达到对像素驱动时间和驱动电压的改变，从而改变每个像素的反射光大小，反射光的变化就会引起灰度变化[8]。
图1　电润湿电子纸的显示原理和像素结构Fig.1　Display principle and pixel structure of electrowetting electronic paper
3　电润湿电子纸驱动系统框架
有源电润湿电子纸驱动系统工作框图如图2所示。驱动系统主要包括两大部分：嵌入式系统
部分、时序控制电路部分。嵌入式部分由S5PV210平台实现，主要负责图像获取、图像处理、图像传输。电润湿时序控制电路包括FPGA和源栅驱动器，其中FPGA主要负责图像数据的接收和电润湿专有驱动波形的产生和控制。源栅驱动部分主要包含栅极驱动器和源极驱动器两个部分，主要负责将来自FPGA的像素信息进行移位锁存、D/A转换、信号放大。
图2　驱动系统工作框图Fig.2　Working diagram of driving system
已经有了一些相关的文章研究了电润湿电子纸的驱动系统[8-10]。但是本论文提到的驱动系统与之前已经出现过的电润湿驱动系统相比有利于开发成独立的多媒体设备。系统的图像获取、图像处理由嵌入式系统自动完成，并将处理后的数据传输给后级的FPGA;FPGA负责系统的时序控制，可以灵活方便地控制时序的产生从而提高系统的可移植性，这意味着驱动系统不需要任何其他的波形发生器或时序控制器等设备支持，因此驱动系统适合不同便携设备的应用。其次针对电润湿电子纸面板参数设计了特有的驱动波形-基于不等子帧的驱动波形。该驱动波形很好地实现了电润湿电子纸的多灰度显示。
4　电润湿电子纸驱动系统方案设计
电润湿驱动系统需要高性能的软硬件支持才能实现多灰度动态视频显示，因此整个系统分为嵌入式和FPGA两部分，其中嵌入式部分主要负责图像的获取和图像的处理以及图像的传输控制，FPGA部分主要负责从嵌入式系统获取处理后的图像数据并进行时序控制。驱动系统工作流程图如图3所示。
图3　驱动系统工作流程图Fig.3　Working flow chart of driving system
4.1　嵌入式系统设计
在嵌入式部分选用S5PV210作为硬件平台。主要包括SD卡、图像处理、LCD控制3个模块。SD卡的串行外设接口(SPI)模式和1位模式位宽过小，传输速率太慢不适合高分辨率视频图像的显示，所以我们可以采用4位SD模式并行传输，其传输速率的快慢由公式(1)中B_Clock和divisor预分频数决定。其中B_Clock等于10～63 MHz，divisor≥1,因此SD卡传输速率(SDCLK)最高时钟频率达63 MHz,最高传输速率(4线模式)可达240 Mbit/s，最高支持1 920×1 080分辨率，因此完全可以支持高分辨率视频图像的输出。
SDCLK=B_Clock/divisor.
(1)
图像处理模块通过移植Opencv到S5PV210上实现，Opencv是一种目前常用的图像处理开源库，S5PV210处理器可以支持Opencv库的移植，因此可以利用移植后的Opencv对从SD卡获得的视频数据进行视频分割、图像分辨率、图像位深等相应处理，从而达到对不同视频源的自适应处理以符合电润湿的面板结构与参数。
LCD控制模块主要是将处理后的图像数据不失真的传输给FPGA，这里设计一个基于Linux的图像库软件，该图像库可以对Opencv处理后不同的格式、分辨率、灰度的图像或视频进行自适应传输。这样不仅可以提高系统的自动处理能力而且支持电润湿的动态显示。
4.2　FPGA时序控制设计
在电润湿时序控制部分主要由FPGA作为核心处理器，电润湿电子纸的所有驱动波形和时序信号都由该部分产生。该部分主要包括LCD信号接收与处理模块、数据缓存模块、时序控制模块(TCON)模块以及电润湿电子纸驱动。接下来的部分将对每个模块做详细介绍。
4.2.1　LCD信号接收与处理模块
S5PV210主机和FPGA是通过LCD接口进行视频数据传输。为了在FPGA端获得24位的RGB数据，我们需要在FPGA中编写相应的时序模块与主机的LCD时序相对应，这样才能正确的从主机中接收数据。因此根据S5PV210提供的LCD时序信号提出了LCD数据接收与处理算法，如图4所示。

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