基于涂鴉智能開發板的墨水屏座位管理器——1.電路設計篇

一、概述

電子墨水屏的概念越來越火，與之關聯的電子標簽，電子公交站牌等產品也如雨后春筍一樣涌出，墨水屏具有無藍光的護眼效果，接近180度的可視角度，類紙張的質感，即使在陽光下也不會影響閱讀，且使用時無需布線，功耗低，顯示效果穩定可靠，適用于各種辦公及商業場景，

本demo是基于墨水屏設計的一款低功耗座位管理器，具備聯網管理，續航力強，顯示清晰等優勢，也可以根據不同場景需求改造終端顯示方式，大家是不是躍躍欲試，

二、硬體設計

• 整體架構方案如圖

1.主控板

主控板選擇由涂鴉智能出品的TYDE-ZTU-MCU-L431三明治開發板，

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主控芯片

TYDE-ZTU-MCU-L431的主控芯片選用STM32L431CCT6，

這是一款基于Arm Cortex -M4 32位RISC核心的超低功耗微控制器，作業頻率可達80 MHz，Cortex-M4核心具有浮點單元(FPU)單精度，支持所有Arm?單精度資料處理指令和資料型別，它還實作了一套完整的DSP指令和記憶體保護單元(MPU)，提高了應用的安全性，

STM32L431CCT6設備嵌入高速存盤器(閃存高達256kbyte, 64kbyte的SRAM)，有四種保護機制:讀出保護、寫保護、專有代碼讀出保護和防火墻，

STM32L431還具備一個快速12位ADC (5 Msps)，兩個比較器，一個運算放大器，兩個DAC通道，一個內部電壓參考緩沖器，一個低功耗RTC，一個通用32位定時器，一個專用于電機控制的16位PWM定時器，四個通用16位定時器，和兩個16位低功耗定時器，此外還有多達21個電容感測通道可用，功能非常強大，

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通訊模組

通訊模組的功能是獲取涂鴉IoT平臺下發的資料資訊，并將該資訊傳遞給主控MCU，MCU也可以也通過通信模組，將資料上報到云端，

涂鴉提供的支持多種通信協議、多種尺寸規格、多種作業溫度、多種焊接方式的一系列超高性價比自研模組，廣泛應用于各種產品型別和開發方式，開發者可根據自身的產品需求進行靈活選擇，

由于本次有低功耗的需求，建議開發者選擇一些支持低功耗模式的模組，比如Bluetooth LE，Zigbee等，并且根據所選模組，適當修改一下電路，

供電方式

開發板具有兩種供電方式，分別是USB和電池供電，且兩種供電方式只能二選一，

方式一

第一種方式是由USB供電，USB提供的5V電壓，一部分給U1 CH340C串口芯片供電，另外一部分通過U3 BL1117 LDO，將5V電壓轉化為3.3V電壓，給單片機和模組供電，

具體電路如下圖

這種方式適用于除錯階段，由于有CH340C串口芯片，用戶插上USB，借助串口除錯助手，可以直接和MCU進行通訊，但是U1和U3為非低功耗器件，漏電流較大，因此正常作業時，整機功耗較高，

方式二

另外一種方式是由一顆CR2450扣式紐扣電池，通過D2二極管，直接給單片機和模組供電，

這種方式電路較為簡單，整機器件的靜態功耗只有幾微安，完全滿足低功耗設備的要求，

CR2450紐扣電池是鋰錳環保紐扣式電池，其儲存壽命長、產品性能穩定可靠、自放電率低、抗漏液性強，2450代表著電池的標準尺寸，24表示直徑是24mm，5代表電池的高度為5mm，0代表電池形狀為圓柱，新電池開路電壓通常在3.3V左右，容量大概520mAh，

具體電路如下圖

這兩路供電方式可以通過P4處的跳線帽進行切換，如下圖，其中P_3.3V為USB方式供電，B_3V為紐扣電池供電，

2.功能板

功能板主要有兩個核心器件，一個是字庫芯片，它可以為開發者提供所需中文、英文或者數字的像素陣列，另一個為墨水屏，將像素陣列的資料寫入墨水屏后，墨水屏即可顯示開發者想要的畫面，字庫芯片和墨水屏使用的都是SPI介面，

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字庫芯片

本方案采用GT5SLAD3B-FA 標準矢量字庫芯片，當然開發者也可以選用其他字庫芯片，

GT5SLAD3B-FA是一款支持16-192點陣的矢量字庫芯片，使用灰度演算法使漢字邊緣變得比純點陣字更加柔和、平滑，采用高通超小型嵌入式矢量字庫，具有字體平滑及不失真等特點，可以產生多種高質量的文字輸出，可以支持加粗、傾斜、反白、陰影等文字特效，支持GBK 中文，GB18030中文，ASCII碼，拉丁文這幾種編碼，

它的應用原理圖非常簡單，具體如下圖

具體引腳功能為：

• 串行資料輸出（SO）：該引腳用來把資料從芯片串行輸出，資料在時鐘的下降沿移出，

• 串行資料輸入（SI）：該引腳用來把資料從串行輸入芯片，資料在時鐘的上升沿移入，

• 串行時鐘輸入（SCLK）：資料在時鐘上升沿移入，在下降沿移出，

• 片選輸入（CS#）：所有串行資料傳輸開始于CS#下降沿，CS#在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間保持為高電平，

• 總線掛起輸入（HOLD#）：該信號用于片選信號有效期間暫停資料傳輸，在總線掛起期間，串行資料輸出信號處于高阻態，芯片不對串行資料輸入信號和串行時鐘信號進行回應，

  當HOLD#信號變為低并且串行時鐘信號（SCLK）處于低電平時，進入總線掛起狀態，

  當HOLD#信號變為高并時串行時鐘信號（SCLK）處于低電平時，結束總線掛起狀態，

字庫芯片使用方便，在此之前，開發者通常是使用文字取模軟體進行取模，然后存盤在程式陣列里，再拿去顯示，如果只顯示一些特定的字符或文字，這是一個不錯的方式，但是當需要顯示的字符比較多時，這種方法就不太適合了，這時候字庫芯片的作用就體現出來了，

字庫芯片廠家有提供對應的.lib靜態庫檔案，這種靜態庫檔案, 是由c源檔案經過與開發者相似的環境進行編譯得到的，使用方式和c檔案一致，把lib檔案和對應的h頭檔案添加到開發者的開發專案工程里即可，根據頭檔案定義的函式介面，進行呼叫，

開發者只需要輸入所需文字的對應字符編碼（比如GB18030編碼），文字寬度，文字高度，文字粗細這幾個引數，就可以獲取該文字的點陣陣列，再將點陣陣列資料傳遞顯示函式中，就可以將文字顯示出來了，非常簡單，具體細節可以查看韌體開發章節，

點擊這里查看GT5SLAD3B-FA資料手冊

墨水屏

電子墨水屏又被稱為電子紙顯示技術，電子紙顯示技術（簡稱EPD），由美國麻省理工大學教授約瑟夫.雅各布森及其研發團隊，經歷30余年研發成功，

墨水屏的原理很簡單，電子墨水屏是由許多電子墨水組成，電子墨水可以看成一個個膠囊的樣子，每一個膠囊里面有液體電荷，其中正電荷染白色，負電荷染黑色，當我們在一側給予正負電壓，帶有電荷的液體就會被分別吸引和排斥，這樣，每一個像素點就可以顯示白色或者黑色了，

因為電子墨水的重繪是不連續的，每一次重繪完成就可以保持現在的圖形，即使拔掉電池也依舊保存，可能有人會問，為何電池沒電，墨水屏也會一直顯示最后的畫面，那是因為電子墨水具有雙穩態磁滯效應，所以即便電池沒電，小球也不會回復原狀或者進入隨機的混沌狀態，而是保持最后畫面的狀態，此時耗電量為0，

本次使用墨水屏型號為QYEG0420BNS19A，外形尺寸為91.0 x77.0x 1.2mm，顯示區域尺寸為84.8 x 63.6mm，解析度為400 x 300，支持顯示黑色和白色兩種顏色，支持全屏重繪和區域重繪兩種模式，重繪功耗為12.6mW，

這里給開發者介紹一下全刷和區域刷的區別

1）全刷：電子紙重繪需要畫面閃爍多次后，最終顯示所需要的畫面，其中閃爍的目的是清除顯示殘影，以達到最佳的顯示效果，

2）局刷：電子紙重繪無畫面閃爍，局刷需要用戶在使用的時候，重繪幾次后，進行一次全刷操作，以清除顯示殘影，

另外，墨水屏正常使用的溫度范圍：0~50℃ ，濕度范圍：35%~65%RH，要避免陽光長時間直射顯示屏表面，

它有如下特性

● 內置驅動器IC，無需另配驅動器，僅需少量外圍器件，即可通過MCU控制顯示，節省資源，

● 超寬視角 將近180°

● 超低功耗（斷電可以繼續保持顯示內容）

● 純反射模式

● 防眩硬涂層前表面

● 低電流深度睡眠模式

● 采用COG封裝, IC厚度300um

● 使用壽命（無故障重繪次數）：100萬次以上

開發者可以參考下面的電路原理圖

其中主要引腳功能如下

翻閱資料手冊如下，可知源極驅動電壓VSH引腳和門極驅動電壓VGH引腳電壓典型值都遠大于芯片電源引腳，因此對該引腳還需要進行一個升壓的處理，

如原理圖所示，3.3V輸入源，電感L1，MOS管Q1，電容C1，二極管D3，電阻R2構成了一個最基本的boost升壓電路，MOS管Q1的導通或截止狀態，由E_GDR控制，

當MOS管Q1導通時，輸入電壓經過電感L1后直接通過限流電阻R2回傳到GND，這導致通過電感L1的電流線性的增大，此時輸出濾波電容C1向負載放電，

當MOS管Q1截止時，由于電感L1的電流不能在瞬間發生突變，因此在電感L1上產生反向電動勢Vs以維持通過電流不變，此時二極管D3導通，3.3V和Vs兩電壓串聯后，以超過3.3V大小的電壓向負載供電，并對輸出濾波電容C1充電，如此回圈，由此實作對E_PREVGH引腳的升壓操作，

同樣的，對于E_PREVGL引腳：

當MOS管Q1截止時，電容C2充電，二極管D1導通，D2截止，電流經過D1流向GND，理想情況下電容C2兩端的電壓差為3.3V+Vs，

當MOS管Q1導通時，Q1的漏極接近0V，由于電容C2電壓不能突變，可認為二極管D2的K極電勢為-(3.3V+Vs)，電容C2放電，二極管D1截止，D2導通，電流經過D2流向C2，由此實作對E_PREVGL引腳負電壓“升壓”操作，

介紹完墨水屏的驅動電路，再和開發者們介紹一下墨水屏的使用方法，

墨水屏的操作流程整體也是比較簡單的，大致流程如下，

另外再和開發者強調以下幾點：

• 墨水屏重繪頻率建議開發重繪時間間隔至少180秒（支持局刷功能的產品除外），
• 墨水屏若有在低功耗場景中使用需求，如果顯示畫面不經常重繪，建議開發者將墨水屏設定為睡眠模式或者將墨水屏驅動供電部分通過模擬開關斷開，這樣操作既可以降低功耗，同時也可以延長墨水屏的使用壽命，
• 使用場所要求：墨水屏顯示屏建議在室內使用，若在戶外使用，需要讓墨水屏避免長時間陽光直射，同時做好紫外線防護措施，開發者在設計產品的時候，要首先考慮使用環境是否滿足墨水屏正常作業的溫濕度要求，

點擊這里查看QYEG0420BNS19A資料手冊

三、整機搭建

1.單片機與模組部分

2.開發板與硬體模塊部分

字庫芯片與墨水螢屏部分：

設備整體圖：

以上就是基于涂鴉智能主控板、字庫芯片及墨水屏設計的墨水屏座位管理器方案，在完成硬體方案設計及搭建的同時我們也在開發座位管理器嵌入式實作方案，甚至讓墨水屏方案能夠應用于智慧辦公，智慧零售等更多場景，再次之前如果對我們硬體方案設計有更好的建議，后者對墨水屏方案有更多的期待，歡迎留言交流！