E ink дисплей подключить к компьютеру
Статей о том, как подключить дисплей на электронных чернилах к Arduino, STM32, ESP32 и т.д. (нужное подчеркнуть) на этом ресурсе более чем достаточно, и я не стану утомлять читателя очередным погодным информером. Речь пойдет о том, как в хозяйстве можно использовать электронную книгу, ставшую жертвой комбинации четвертой фундаментальной силой природы – гравитации и седалищной мышцы Человека Разумного. Хе-хе. Нисколько не сомневаясь в том, что читатель прекрасно знает принцип работы дисплея на электронных чернилах, все же очень кратко пробегусь по основным тезисам.
Для простоты рассмотрим, как устроен один чернильный «пиксель». В наиболее распространённом случае, это прозрачная сфера микронных размеров, наполненная неким подобием силиконового масла. В ней плавает некоторое количество частиц черного и белого цвета, имеющих разноименные заряды. И нет, это не электроны с протонами. Как правило частицы представляют собой полимер, обладающий электретными свойствами, то есть они способны долговременно удерживать электрический заряд со всеми вытекающими отсюда свойствами. То есть они будут соответственно себя вести в электрическом поле – заряженные частички будут испытывать силу притяжения или отталкивания от обкладок конденсатора с соответствующими зарядами. Ниже, я проиллюстрировал эту магию:
Справедливости ради, стоит упомянуть еще один распространенный вариант устройства пикселя, где черные и белые частички слеплены вместе образуя электрический диполь. В этом случае, такая частичка, при приложении электрического поля, просто вращается в соответствии с ориентацией поля.
Ну а теперь к сути.
Случилось страшное и безжалостная пятая точка смертельно ранила нашу читалку. В подобных случаях я себя всегда успокаиваю тем, что убитый девайс навсегда останется в моем сердце можно использовать как донор разных полезных ништяков. Ну ладно, экран мы разбили, но пиксели-то остались целыми. А значит приступим к операции и экспериментам. Справедливости ради надо сказать, что это далеко не первый мой эксперимент с мертвой читалкой и я наперёд знаю, что и как надо делать, чтобы получить нужную и полезную в хозяйстве вещь. Итак, первое что надо сделать, это разобрать убитый девайс и снять дисплей с электронными чернилами. Сейчас я буду нудно рассказывать о том, как это все сделать самому, ибо сфотографировать процесс не хватило мозгов. А потому:
В общем-то сам экран представляет собой бутерброд, где на активную стеклянную подложку приклеена гибкая пленка с намазанной с внутренней стороны пастой с пикселями. В разрезе это выглядит приблизительно вот так:
Для того что бы отделить активный слой от стеклянной подложки, достаточно немного прогреть феном бутерброд и пленка легко отделиться от основания. Однако, как правило стеклянная подложка по площади чуть больше защитной пленки и по краям пленка приклеена на довольно прочный клей и тут придётся немного повозиться, чтобы схватиться за край пленки. Проще всего использовать канцелярский нож для этих целей. На фото ниже уже препарированный экран, в нижней части частично отделена пленка от основания и видна стеклянная подложка:
По моему опыту есть два вида дисплеев, отличающихся клеевой основой для удержания пленки на подложке. Принципиально они ничем не отличаются, разве что при препарировании клей может либо остаться на основе, либо отделиться вместе с пленкой. В моем случае клей остался на пленке. На фото ниже, обратная сторона пленки покрыта темно-оранжевым клеем. Его тоже желательно удалить, это увеличит контрастность в конечном устройстве.
Клей отделяется как тончайшая, гибкая но довольно хрупкая пленка, обнажая слой с чернилами. Тут важна аккуратность, поскольку чернила легко можно смазать прикосновением пальца. Более того, их можно просто смыть водой.
Итак, мы сняли активный слой с чернилами. Что дальше? Опять теория. Как я уже писал выше, пиксели начинают активничать при приложении к ним электрического поля. Стеклянная подложка представляет собой матрицу из огромного числа обкладок конденсатора, где одна обкладка – один пиксель. Второй обкладкой служит прозрачный токопроводящий слой на защитной пленке. Таким образом, изменяя полярность на обкладках конденсатора, происходит изменение цвета пикселя.
А теперь сама суть. Подложка у нас не рабочая, но ничего не мешает нам самим изготовить ту самую подложку, вытравив на текстолите пиксели и подключив их… да хоть к ардуине и таки собрать очередной погодный информер с преферансом и барышнями. Вот прям информер я собирать не буду, для упрощения реализуем семисегментный дисплей, но суть та же. В теории это должно выглядеть примерно следующим образом:
Снова включаем воображение и представляем, что это текстолит с вытравленным рисунком семисегментного индикатора. Оранжевые участки это обкладки конденсатора. Синяя рамка — это зона, где расположен наш дисплей. Прямоугольник слева нужен для контакта с токопроводящим слоем дисплея, посредством которого и будет создаваться разность потенциалов. Из схемы видно, что каждый сегмент дисплея управляется отдельным контактом. Arduino UNO, на котором мы и построим устройство, имеет достаточно контактов для реализации двухразрядного индикатора. Я решил исполнить устройство в виде шилда и после разводки получил примерно такой рисунок:
Верхняя и нижняя стороны
Синим обозначен контакт для второй обкладки конденсатора, его мы соединим с токопроводящим слоем пленки. Я их по ошибке развел на разные контакты Arduino, но тут достаточно одного. Белые сегменты индикатора соединяются с контактами Arduino с противоположной стороны платы. Зеленая область нужна для очистки остаточного изображения на дисплее. Суть в том, что если мы будем изменять напряжение только на сегментах, то, в случае если мы сняли экран с остаточным изображением, то оно у нас так и останется в тех местах, где НЕ будет приложено напряжение между обкладками. То есть везде вне сегментов. Если же у нас экран был чист, то они и не нужны. Под экраном я развел контакты для кнопок управления, но впоследствии решил их не распаивать. Плату изготавливал классическим способом через фоторезист.
Верхняя и нижняя сторона заготовки. Фоторезист пленочный, наносил при помощи ламинатора. Маски распечатал на прозрачной пленке лазерным принтером. Лежат по бокам. Засвечивал матрицей УФ светодиодов.
Не засвеченный фоторезист смывал обычным стиральным порошком:
Травил в хлорном железе:
Остатки фоторезиста легко смываются ацетоном:
Теперь необходимо соединить сегменты индикатора, с обратной стороной платы. Я использовал обычные проволочные перемычки, после чего зачистил шкуркой верхнюю сторону платы:
Исключительно ради удобства решил нанести на плату паяльную маску на верхнюю сторону. Использовал двухкомпонентную зеленую.
Для начала креплю заготовку на устойчивое основание на малярный скотч:
Наносить маску буду через трафаретный шелк, натянутый на деревянную фоторамку:
Замешав пасту, наношу ее прямо поверх шелка и продавливаю пластиковым шпателем:
В результате получаем более-менее однородный и ровный слой маски:
Далее все это дело сушу 15 минут в коробке из-под обуви, с воткнутым в нее термофеном, и выставленной температурой в 150 градусов. Затем засвечиваю пасту ультрафиолетом через маску, распечатанную на все том же лазерном принтере и смываю стиральным порошком. Результат ниже:
Как видим, открытыми для дисплея остаются участки с сегментами и контактные площадки по бокам для верхней обкладки конденсатора.
Теперь займемся дисплеем. Поскольку он выполнен на полимерной пленке, нужную форму легко вырезать ножницами:
На дисплее сохранилось остаточное изображение, для этого и использовал дополнительный полигон вокруг сегментов. Стоит обратить внимание, что по бокам я снял слой чернил, эти открытые площадки нужны для контакта с полигонами верхней обкладки конденсатора. Тут надо заострить внимание на некоторых особенностях. Как я писал выше, пленка у меня снялась вместе с клеевой основой. Первый вариант клеил к плате вместе с этим клеем и для того, чтобы оголить участки по бокам, может возникнуть желание канцелярским ножом отрезать эти участки клея и затем их механически удалить. Но токопроводящее покрытие на пленке очень тонкое и даже легкий разрез легко его повреждает, в результате у нас будет отсутствовать контакт между участками экрана. На фото ниже образец поврежденного таким образом дисплея:
Тут мы видим, что клеевой слой я удалил вместе со слоем чернил, но прозвонка между боковыми контактами показала бесконечное сопротивление. Во втором варианте я удалил клеевой слой и просто смыл влажной салфеткой чернила с боковых контактов. Сам дисплей приклеил к плате на ту же пасту что и использовал для создания зеленой маски на плате. Затем несколько раз прогнал плату через ламинатор, засветил УФ светодиодами и распаял контакты для Aarduino:
Для улучшения контакта дисплея с боковыми площадками, я подложил между дисплеем и контактами на плате кусочки фольги и затем дополнительно покрыл все скотчем:
Теперь можно воткнуть шилд в Arduino и набросать скетч. Тут важно понимать, что при смене изображения, весь экран для начала нужно очищать, а потом выводить новое изображение.
Собственно, видео того, что получилось в результате. Идет счет от 1 до 99 в цикле.
На видео видно, что смена изображения идет через черный и затем белый экран, но как показала практика, от черного экрана можно отказаться, хотя в этом случае очищает немного лучше.
Здесь можно скачать PSD с разведенной платой и скетч.
Частичное обновление экрана
Типичный дисплей из электронной бумаги обновляется полностью, даже если меняется лишь часть изображения. В этом нет ничего страшного, поскольку расход энергии всё равно остаётся небольшим.
Но в некоторых моделях экранов E-Ink поддерживается функция частичного обновления: вместо того, чтобы «сбрасывать» весь экран, они обновляют только те участки изображения, которые изменились относительно предыдущего состояния. Это позволяет снизить энергопотребление до самого минимума и избавиться от мерцания изображения на той части экрана, где оно остаётся без изменений. Например, если вы выводите показания множества датчиков, а значение изменилось только у одного.
Примеры работы с Raspberry Pi
Для запуска примеров выполните железную и программную настройку платформы.
Варианты подключения E-Ink
Экраны E-Ink отличаются не только форм-фактором, но и способом подключения к управляющей платформе — будь то Arduino, Raspberry Pi или другие платы. Конечно, можно заморочиться и распаять два десятка контактов на FPC-коннекторе, но мы предпочитаем более изящные решения!
Экраны удобнее всего подключать через соответствующие шилды: для Arduino используйте e-Paper Shield, а для Raspberry Pi подойдёт e-Paper Driver HAT. Вам потребуется только подключить шлейф экрана к плате расширения, а затем надеть её на платформу, как стандартный Shield. Вуаля, никаких заморочек с питанием и согласованием сигналов.
Экран в виде Shield’а — фактически, это тот же дисплейный модуль, только заточенный для отдельных платформ. Например, экранные модули E-Ink для Raspberry Pi подключаются напрямую через GPIO-разъём, а заодно решают проблему монтажа.
Какие бывают модули E-Ink
Если вы выбираете экран из электронной бумаги для создания собственных устройств, то вам попадётся несколько форм-факторов.
Голый экран представляет собой панель E-Ink без какого-либо обвеса, которая поставляется на стеклянной или гибкой пластиковой подложке. Такой элемент удобно встравивать в корпус устройства или клеить на поверхность, но с подключением придётся немного повозиться.
Дисплейный модуль — это законченное устройство, в котором уже есть экранная панель и необходимая обвязка на плате: драйвер, преобразователи питания и т. п. Если вы не хотите, чтобы экранный модуль свободно болтался на кабелях, его можно закрепить на 4 винта.
Если отталкиваться от модельного ряда компании Waveshare, то в нём представлены дисплеи E-ink с диагональю от 1,54 до 10,3 дюймов. Смотрите и выбирайте экраны и дисплейные модули E-Ink в нашем каталоге.
Вывод текста
Для начала выведем пару строк на дисплей.
Плюсы
- Сверхнизкое энергопотребление.
- Дополнительная подсветка не нужна.
- Хорошая читаемость изображения под прямым светом.
- Свободные углы обзора.
Основные особенности дисплеев E-Paper
- отсутствие фоновой подсветки, длительное отображение информации на экране дисплея без подачи на него энергии;
- очень низкое потребление энергии, энергия расходуется только при смене изображения на экране дисплея;
- интерфейс SPI, который обеспечивает простое подключение дисплея к таким платам как Raspberry Pi/Arduino/Nucleo и т.п.;
- встроенный преобразователь напряжения, возможность работать с уровнями напряжения 3.3V/5V;
- поставляется вместе с руководством и ресурсами для разработки (есть примеры программ для Raspberry Pi/Jetson Nano/Arduino/STM32).
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- 1.54-Inch E-Paper Display (дисплей E-Paper с диагональю 1,54 дюйма) (купить на AliExpress).
Монохромные и цветные
Исходя из предыдущих пунктов, может показаться, что экраны E-Ink бывают только чёрно-белыми. На деле же электронные чернила бывают с разными пигментами: например, красного или жёлтого цвета. С их помощью получаются трёхцветные дисплеи, которые привносят дополнительные краски к привычному изображению.
Существуют также полноцветные экраны E-Ink, но они использовались только в дорогих электронных книгах и не получили широкого распространения, хотя работы в этом направлении по-прежнему ведутся.
Вывод изображения
Для старта подготовьте картинку для вывода её на экран — преобразуйте в массив чисел. Для этого понадобиться графический редактор GIMP и программа для создание массива символов из изображения LCDAssistant.
Повторимся ещё раз, каждый символ в массиве это байт, в котором храниться информация о том, какие пиксели (биты) закрашивать в данном байте. И так по очереди все байты на каждой странице.
Недостатки дисплеев E-Paper
Стоимость дисплеев E-paper значительно выше чем у других типов дисплеев. Другим существенным недостатков данных дисплеев является большое время, необходимое для обновления информации на экране дисплея – около 2-3 секунд. Таким образом, они хорошо подходят для отображения статичных изображений и текста и очень плохо – для отображения меняющихся изображений (анимации). Поэтому они и находят применение только, в основном, в различных “читалках” и почти никогда не применяются в проектах, требующих отображения видео.
Исходный код программы (скетча)
В данном проекте мы использовали дисплей E-Paper с диагональю 1,54 дюйма версии V2. Следует помнить о том, что коды программ для различных версий данного дисплея отличаются. Например, здесь мы использовали библиотеку apd1in54_V2.h, а библиотека epd1in54.h в нашем случае работать уже не будет – она подходит только для первой версии дисплея.
На краудфандинговой площадке indiegogo предлагается Dasung Paperlike Pro - второе поколение 13.3" монитора с электронными чернилами (e-Ink Carta). Данный монитор не имеет собственного питания и подключается по HDMI к компьютеру. Dasung Paperlike Pro работает с компьютерами под управлением Windows 7/8/10, MacOS, а также Linux (для корректной работы нужно установить драйвера, иначе долговечность монитора будет меньше, у него будет меньше режимов работы, а картинка может оказаться хуже). Монитор крепится при помощи стандартного крепления VESA. Dasung Paperlike Pro поддерживает разрешение 1600*1200.
В отличии от электронных книг, Dasung Paperlike Pro имеет высокую скорость обновления и низкие задержки. Конечно обновления не сравнить с обычным монитором, но в некоторых режимах можно смотреть даже видео. Хотя в целом конечно это не лучший вариант для видео, но для набора текста, программирования, просмотра страниц в Интернете и прочих задач он может стать одним из самых оптимальных решений. Особенно для таких как я, у кого очень сильно устают глаза от мониторов, планшетов и смартфонов.
Цена в 800 долларов для первых участников краудфандинговой компании конечно очень высокая. С другой стороны 13-дюймовая электронная книга Onyx Boox Max 3 стоит 859 долларов при покупке на Алиэкспресс и доставке в Россию. При этом данную электронную книгу можно использовать в качестве Андроид планшета, но вот выводить копию картинки с компьютера удастся только с задержками. И несмотря на наличие HDMI у Onyx Boox Max 3, Dasung Paperlike имеет больше подходящих для работы в качестве монтиора режимов. И конечно же не очень хочется задумываться о зарядке аккумулятора читалки. Так что альтернатив монитору Dasung Paperlike Pro пока нет.
Также можно приобрести Dasung Paperlike Pro на американском Амазоне.
Обновление (23 декабря 2019г)
В связи с выходом третьей версии Onyx Boox Max, обновлена информация в посте.
На краудфандинговой площадке indiegogo предлагается Paperlike 3 - третье поколение монитора с электронными чернилами (e-Ink). Разрешение экрана e-Ink Carta составляет 2200x1650. Работает по HDMI с любым оборудованием, в том числе с ПК, Mac, iPhone и iPad. Цена при заказе на краудфандинговой платформе составляет 900 долларов США. Отгрузку обещают уже в октябре 2018 года.
p.s. Цена на монитор Dasung Paperlike 3 кажется слишком завышенной, особенно при сравнении с 13-дюймовой читалкой Onyx Boox Max 3, которая работает от аккумулятора, имеет процессор, память, а также miniHDMI вход. Хотелось бы конечно самому оценить, насколько картинка Onyx Boox Max 3 при работе в качестве монитора отличается по контрасту, скорости обновления и другим параметрам. Тем более, что отзывы по Оникс Букс, по сравнению с Dasung Paperlike, совершенно не впечатляют.
Используйте экран E-Ink с диагональю 1,54 дюйма для вывода текстовой и графической информации.
Дисплей выполнен на электронных чернилах: расходует минимум энергии, имеет компактные размеры и хранит изображение после отключения питания.
Примеры работы с Arduino
Для упрощения работы с E-Ink-дисплеем используйте библиотеку E-Paper. В ней вы найдёте примеры кода с подробными комментариями.
Схема проекта
Схема подключения дисплея E-Paper к плате Arduino Uno представлена на следующем рисунке.
Дисплей E-Paper имеет разрешение 200x200 пикселов, поэтому пропускной способности протокола SPI вполне хватит для передачи данных на этот дисплей. Дисплей E-Paper поддерживает питающее напряжение 3.3V, поэтому он подключен к контакту 3.3V платы Arduino Uno. Остальные контакты дисплея толерантны (могут работать) с напряжением 5V. Контакт GND дисплея подключен к контакту GND платы Arduino Uno. Контакт DIN дисплея подключен к цифровому контакту 11 платы, контакт CLK – к контакту 13 платы, CS – к контакту 10, DC – к контакту 9, контакт RST – к контакту 8, контакт BUSY – к контакту 7. Полная схема соединений между дисплеем E-Paper и платой Arduino Uno представлена в следующей таблице.
Дисплей E-Paper | Плата Arduino Uno |
3.3V | 3.3V |
GND | GND |
DIN | D11 |
CLK | D13 |
CS | D10 |
DC | D9 |
RST | D8 |
BUSY | D7 |
Собранная конструкция проекта показана на следующем рисунке.
Схема подключения
Дисплей общается с управляющей платформой по шине SPI с дополнительными пинами. Для подключения экранов к управляющим платформам Raspberry Pi используйте Waveshare e-Paper Driver HAT.
Мы привыкли видеть в большинстве любительских проектов экраны на жидких кристаллах (LCD), а органические дисплеи OLED только-только начинают их теснить. Но есть ещё один любопытный тип дисплеев: электронная бумага e-Paper, которая встречается в основном на «читалках». Сегодня вполне реально использовать экраны E-Ink в своих самодельных устройствах на Arduino и Rapspberry Pi. Разбираемся, какие они бывают и в чём отличия между модулями.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
epd . SetFrameMemory ( paint . GetImage ( ) , 0 , 10 , paint . GetWidth ( ) , paint . GetHeight ( ) ) ;
epd . SetFrameMemory ( paint . GetImage ( ) , 0 , 30 , paint . GetWidth ( ) , paint . GetHeight ( ) ) ;
Затем мы отобразим на экране дисплея картинку, для этого сформируем для картинки шестнадцатеричный (HEX ) код. Это можно сделать, например, с помощью конвертера Image2cpp. В качестве картинки, выводимой на экран дисплея, мы будем использовать лого сайта CircuitDigest (ссылка на него приведена в конце статьи). Шестнадцатеричный код (hex code) этой картинки необходимо записать в библиотеку imagedata.cpp.
0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,
0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,
0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,
На следующей картинке показан результат работы нашего проекта – на экран дисплея выведена одна строка текста и картинка (лого сайта CircuitDigest). Но даже вывод одного такого изображения отнял очень много памяти у платы Arduino Uno. Поэтому для полноценной работы с дисплеями E-Paper желательно использовать микроконтроллерные платы с большим объемом памяти, например, ESP8266, ESP32, STM32, Raspberry Pi. У дисплея E-Paper есть такая особенность как возможность обновления изображения части экрана, не обновляя при этом содержимое всего экрана дисплея. Обновление всего экрана дисплея занимает около 2 секунд и на это затрачивается достаточно много энергии. А обновление части экрана и происходит быстрее, и требует значительно меньшего количества энергии.
Послесловие
Какие выводы можно сделать из данного эксперимента?
Во-первых, технология не так сложна, как кажется на первый взгляд и вполне годна для использования в домашних поделках.
Во-вторых, убитая читалка — это вовсе не повод ее отправлять на мусорку.
И самое вкусное — очевидно, что радиолюбитель может не ограничиваться теми средствами вывода информации, которые нам предоставляет производитель. Мы имеем возможность самостоятельно изготовить дисплей любой формы и нужного нам размера. Более того, я уже экспериментировал с нанесением дисплея на гибкую печатную плату, небольшой тизер:
На фото выше, прототип наручных часов, изготовленный на гибкой печатной плате.
А теперь скромно озвучу свои наполеоновские планы. В этой статье можно прочесть о технологии изготовления электронных чернил. Принципиальных сложностей там нет. Есть мысль упростить и попробовать повторить самостоятельно.
P.S. Если будет интерес, запилю статью с поэтапным изготовлением наручных часов на гибкой печатной плате с самодельным экраном E-ink.
Спасибо за просмотр.
Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Технология E-paper (electronic paper) известна под названием "электронная бумага" или "электронные чернила". Основная цель создания дисплеев E-Paper – это имитация обычной бумаги, то есть с такого дисплея текст читать практически так же удобно, как и с листа обычной бумаги.
Дисплеи E-paper появились в начале 2000-х годов и даже получили на некоторое время широкое распространение в электронных "читалках". Им пророчили большое будущее и в качестве экранов для смартфонов, но, к сожалению, в этой нише им не удалось выдержать конкуренции с используемыми сейчас дисплеями, в основном, из-за большой инерционности изображения на них. Но, тем не менее, дисплеи E-paper продолжают выпускаться и заняли свою узкую нишу в ряде применений. Поэтому в данной статье мы рассмотрим подключение дисплея E-Paper с диагональю 1,54 дюйма к плате Arduino Uno.
Кроме платы Arduino дисплеи E-paper можно подключать и к другим микроконтроллерным платам, например, Raspberry Pi, STM32, jetson. В данной статье мы рассмотрим печать символов и изображений на экране дисплея E-paper, проанализируем энергопотребление подобного дисплея и рассмотрим преимущества и недостатки подобных дисплеев.
В заключение
Если вы уже вдоволь наигрались с ЖК-дисплеями и хотите сделать устройство с максимальной автономностью — обратите внимание на экраны E-Ink. Электронная бумага поможет наглядно отобразить информацию и держать её без расхода энергии, пока драгоценный заряд аккумулятора тратится на что-то более полезное.
Вывод геометрических фигур
Методы библиотеки также позволяют выводить геометрические фигуры.
Что такое E-Ink
Чтобы лучше понять суть электронной бумаги, нужно сперва ознакомиться с общим принципом работы электрофоретических дисплеев, к которым она относится. В таких устройствах пиксели имеют два устойчивых состяния, а переключение между ними происходит под действием электромагнитного поля.
В случае с электронной бумагой каждый пиксель — это микрокапсула с жидкостью и твёрдыми пигментными частицами (электронными чернилами), обладающими собственным зарядом. Благодаря этому частицы реагируют на электромагнитное поле и перемещаются в капсуле в зависимости от положительного или отрицательного заряда. Таким образом можно блокировать или отражать падающий свет и получать на экране монохромное изображение.
В этом и заключается одно из главных отличий дисплеев на электронных чернилах E-Ink от жидких кристаллов LCD: экран из электронной бумаги не требует постоянной подсветки, а изображение формируется лишь отражённым светом. При этом не происходит лишних преобразований светого потока, в то время как ЖК-дисплею нужна постоянная подсветка, которая проходит через два поляризатора и теряет интенсивность.
Кроме того, энергия расходуется только на переключение состояний электронных чернил, а чтобы поддерживать текущее изображение, дисплею E-Ink совсем не нужна энергия. Неудивительно, что эта технология завоевала себе нишу там, где нужно подолгу выводить статическое изображение под внешним светом — например, в электронных книгах.
Технические характеристики дисплея E-Paper 1,54'
- рабочее напряжение: 3.3V/5V;
- интерфейсы: 3-х проводный SPI, 4-х проводный SPI;
- размеры модуля дисплея: 48mm × 33mm;
- размеры экрана дисплея: 27.6mm × 27.6mm;
- размер точки дисплея: 0.138 × 0.138;
- разрешение: 200 × 200 пикселов;
- цвет дисплея: черный, белый;
- число уровней серого цвета: 2;
- время частичного обновления экрана: 0.3 с;
- время полного обновления экрана: 2 с;
- мощность, необходимая для обновления экрана: 26,4 мВт;
- потребляемая мощность в режиме ожидания:
- угол обзора: >170°.
Преимущества дисплеев E-Paper
Дисплеи E-Paper (электронная бумага) не излучают свет, а отражают его. В этом плане они не похожи на традиционные ЖК или OLED-дисплеи. Они больше похожи на обычные чернила на бумаге. Данная особенность делает дисплеи E-Paper очень удобными для чтения и они обладают отличной читаемостью даже под прямыми солнечными лучами. Еще одна замечательная особенность подобных дисплеев заключается в том, что они могут хранить статичный текст и изображения в течение нескольких месяцев без потребления электричества. Дисплеи E-Paper могут отображать текст и изображения, даже когда они выключены (!), что делает их идеальными для применения в маломощных проектах.
Протокол связи дисплея E-Paper
E-Paper осуществляет взаимосвязь с другими устройствами на по протоколу SPI, но протокол SPI, используемый им, немного отличается от стандартного SPI протокола. Используемый в дисплее SPI протокол необходим только для передачи данных, которые используются для формирования изображения на экране дисплея, поэтому линия передачи данных от ведомого (slave) к ведущему (master) устройству не нужна, в отличие от стандартного SPI протокола. В следующей таблице представлено описание контактов (распиновка) дисплея E-Paper.
Контакт | Описание |
VCC | 3.3V/5V |
GND | земля |
DIN | SPI MOSI pin (передача данных) |
CLK | SPI SCK pin (линия синхронизации) |
CS | SPI chip selection, low active (выбор чипа) |
DC | выбор режима команд/данных (high - данные, low - команды) |
RST | External reset, low active (внешний сброс) |
BUSY | Busy status output, high active |
Протокол SPI в дисплее E-Paper имеет следующие особенности:
(a) Когда на контакте CS низкий уровень (low) – чип готов к работе, а когда на CS высокий уровень (high) – чип отключен (disabled).
(b) Контакт DC управляет переключением между режимами передачи команд/данных. Когда на DC 0 – включен режим команд, а когда на DC 1 – включен режим данных.
(c) Контакт (линия) синхронизации протокола SPI в данном случае имеет обозначение SCLK.
(d) Контакт (линия) передачи данных от ведущего к ведомому протокола SPI в данном случае имеет обозначение DIN.
Тайминги (временные моменты) передачи данных в протоколе SPI в данном случае определяются с помощью параметров CPHA и CPOL.
1 – в холостом (незанятом) состоянии (idle state) CPOL показывает уровень линии синхронизации данных. Когда CPOL равен 0, то на линии низкий уровень (low). С другой стороны, CPOL оказывает незначительное влияние на передачу данных.
2 – Когда CPHL = 0 данные собираются (забираются) на первом тактовом фронте линии синхронизации (serial synchronous clock), когда CPHL = 1 данные собираются на втором тактовом фронте линии синхронизации.
(e) Существует 4 доступные настройки протокола SPI. Широкое применение находит способ SPI0 с параметрами CPHL = 0 и CPOL = 0. Передача данных начинается на первом спадающем фронте линии SCLK как показано на диаграмме ниже, 8 бит данных объединяются в один временной цикл. Данные передаются побитно, сначала наиболее значащие биты (MSB).
Основные принципы работы дисплея E-Paper 1,54'
Модуль дисплея типа "электронные чернила" (e-Ink Paper) с диагональю 1,54 дюйма от компании Waveshare работает по протоколу SPI, имеем разрешение 200x200 пикселов и содержит встроенный модуль контроллера. Подобные дисплеи отличаются крайне низким энергопотреблением поскольку они не содержат панели фоновой подсветки и не требуют непрерывной подачи энергии для отображения информации на экране – энергия в них тратится только при смене изображения на экране. Также они отличаются широкими углами обзора и хорошей "читаемостью" на солнце, что делают их очень удобными в ряде случаев. В нашем проекте мы будем использовать подобный дисплей стоимостью около 15$.
Преимущества и недостатки
Как видно, технология электронной бумаги e-Paper обладает некоторыми выигрышными свойствами, но в то же время, у неё есть ряд недостатков, продиктованных технологическими ограничениями.
Минусы
- Ограниченная цветовая гамма, чаще всего — монохромная.
- Ограниченное количество оттенков серого (от 2 до 16 градаций).
- Относительно долгое время переключения пикселей (450 мс и выше).
Схема подключения
Дисплей общается с управляющей платформой по шине SPI с дополнительными пинами. Для подключения экранов к управляющим платформам Arduino используйте Waveshare e-Paper Shield
Энергопотребление дисплея E-Paper
Мы измерили энергопотребление дисплея E-Paper с помощью USB измерителя тока (USB current meter). Когда происходит обновление экрана дисплея на это затрачивается достаточно много тока (приблизительно 7-9 mA), а когда дисплей не обновляется он потребляет совсем мало так (0.02 mA). Таким образом, дисплеи E-Paper можно использовать в устройствах, получающих питание от батареек.
Измерения тока дисплея E-Paper показаны на следующих картинках (во время процесса обновления экрана и после его завершения). Но здесь следует учитывать тот факт, что мы измерили немного большее значение тока чем потребляет непосредственно сам дисплей, поскольку в данном случае мы измерили его энергопотребление совместно с платой Arduino Uno.
Читайте также: