采用MSP430F413单片机进行电子纸驱动低功耗的设计

1 引言

电子纸(ePaper)是新一代的显示装置，其对比度超高，超低功耗，超薄，而且可以任意弯曲折叠，柔韧性良好。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。这里介绍新一代显示装置电子纸的硬件驱动与设计，介绍主控制器MSP430微处理器的主要功能,实现电子纸驱动配置的低功耗.给出电子纸显示模块相应的功能子程序。利用其内置的LCDRAM作为显示缓存,I/O模拟时序,充分利用MCU的资源并提高程序的可移植性.完成基于MSP430的电子纸驱动接口的设计方案。

2 电子纸硬件设计

主控制器MSP430F413单片机是一种超低功耗混合信号16位单片机系列，采用16位精简指令系统，125 ns指令周期，大部分指令在一个指令周期内完成，16位寄存器和常数发生器，发挥最高代码效率，而且片内含有硬件乘法器，大大节省运算时间。选用 MSP430F413型单片机，在线系统设计、开发调试及实际应用上都表现出与其他单片机非常明显的优势。

本设计采用E-INK公司段码式电子纸，如图1所示。电子纸是在两层透明软片间夹放带静电的有色小球，两种颜色颗粒、分别带正负不同静电，胶片外面加以正负电极，同性排斥、异性相吸，小球位置移动，点亮某段，图2为电子墨水微胶囊剖面图。电子纸真值表与静态显示液晶模块相类似，分SEG段与TopPlane段，当SEG段和TopPlane段存在一个电势差时，电子纸中的电子墨水就会移动，相应段就会点亮和熄灭。

图3为系统硬件连接图，电子纸需要专门的驱动器方可驱动显示，本设计的电子纸驱动器件采用EPSON公司生产的S1C05112，S1C05112内置接口电路和驱动电子纸模块，采用3 V供电，便于与MCU通信。电子纸驱动模块分别与MCU的I／O 口连接。通过I／O模拟电子纸驱动模块时序图。

3 软件设计

软件部分采用模块化的设计思想，把程序化繁为简，便于程序的设计、调试及维护。程序设计中采用了宏定义，便于程序移植。南于电子纸每次显示都必须全部刷新，占用控制器的大部分内存资源，因此设计有效利用其LCD自带RAM。

3．1 电子纸驱动初始化

初始化内容包括电子纸DC-DC转换器设置，片选使能以及时钟信号的输入，为显示刷新做好充分准备，图4为通信时序图。上电顺序依次为LO_ACT．XCS，DD_ACT。

3．2 刷新显示电子纸

该函数读取LCDRAM中的数据，通过查询LCDRAM中的数据然后直接送到I／O端口，电子纸驱动器件获取显示数据后刷新电子纸。其相关程序代码如下：

3．3 低功耗设计

通过配置电子纸驱动的电源模块将其功耗降至最低，即拉低电子纸驱动的配置位DD_ACT和LO_ACT，电子纸驱动器件处于待机状态。此时电子纸仍可显示，包括掉电时。

4 功耗分析

表1是整个接口的功耗分析，将MCU和S1C05112分为工作和待机两个状态进行分析。

由表1可以看出，整个接口的总待机电流仅为0．2μA，在运算状态也只有240μA，在实际应用中显示刷新的频率不尽相同，240μA是系统工作的极限状态。

随着现代电子技术的发展，电子纸的应用出现急速扩大，应用于超市价格标签、在手机、电子书阅读器。电子纸已成为继液晶与OLED之后便携式电子装置使用的新型显示技术。