基于WinCE5．0的電子紙系統(tǒng)設(shè)計

摘 要 提出基于WinCE5．0的電子紙系統(tǒng)的解決方案。方案采用Freescale公司的MX31硬件平臺，實現(xiàn)了電子紙的4 級灰度顯示及其驅(qū)動程序，使得電子紙系統(tǒng)能在WinCE5．0上實現(xiàn)優(yōu)越的可讀性。另外，此方案結(jié)合WinCE5．0操作系統(tǒng)的特點，可以大大擴展電子紙系統(tǒng)的其他功能。
關(guān)鍵詞 電子紙 WinCE5．0 MX31

引 言
    在當今的桌面和嵌入式兩個系統(tǒng)中，陰極射線管(CRT)技術(shù)和液晶顯示(LCD)技術(shù)是屏幕印刷的兩大主流技術(shù)。這兩大技術(shù)有一個共同的特點——需要動態(tài)刷新整個屏幕來維持顯示，即光柵動態(tài)掃描。這種技術(shù)使得陰極射線管和液晶顯示需要不斷地消耗電能維持顯示，因此，它們并不適合移動嵌入式閱讀應(yīng)用。
    電子紙的出現(xiàn)改變了這種狀況。電子紙，也可以稱為“像紙一樣薄、可擦寫的顯示器”，是專門用于閱讀的電子裝置；其對比度較高、文字清晰、支持屏幕手寫、耗電量極小，并且能夠輕輕彎曲，也被業(yè)內(nèi)人士稱為“電子紙手寫平板電腦”。目前，擁有電子紙技術(shù)的公司主要有E-ink、東芝、摩托羅拉、LBM等公司。其中E-ink公司的電子紙技術(shù)比較成熟，已實現(xiàn)產(chǎn)品化，主要有Sony公司的電子書閱覽器PRS-500和iRex公司的便攜式電子紙手寫電腦iLiad 等。
    最近，F(xiàn)reescale公司推出的MX31平臺下的多媒體應(yīng)用處理器，最高主頻可以達到532 MHz，提供了高性能的多媒體處理技術(shù)，它具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)等特點。基于以上特點，本文提出了基于MX31的電子紙顯示系統(tǒng)解決方案，配合 WinCE5．O操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，功耗更低、系統(tǒng)擴展性更強，采用6 in四級灰度顯示，使得顯示更加逼真，達到了閱讀效果和舒適程度與傳統(tǒng)的打印紙一樣的效果。

1 電子紙顯示原理
    電子油墨是一種加工成薄膜狀的專用材料，與電子顯示設(shè)備結(jié)合在一起使用，是化學、物理學和電子技術(shù)的綜合應(yīng)用。電子油墨由數(shù)百萬個尺寸極小的微膠囊構(gòu)成，直徑與頭發(fā)絲相當。每一個微膠囊中含有白色和黑色顆粒，分別帶有正電荷和負電荷，它們懸浮在清潔的液體中。如圖1所示，電子油墨薄膜的頂部是一層透明材料，作為電極端使用；底部是電子油墨的另一個電極，微膠囊夾在這兩個電極問。微膠囊受負電場作用時，白色顆粒帶正電荷而移動到微膠囊頂部，相應(yīng)位置顯示為白色；黑色顆粒由于帶負電荷而在電場力作用下到達微膠囊底部，使用者不能看到黑色。如果電場的作用方向相反，則顯示效果也相反，即黑色顯示，白色隱藏?？梢姡灰淖冸妶鲎饔梅较蚓湍茉陲@示黑色和白色間切換，白色部位對應(yīng)于紙張的未著墨部分，而黑色則對應(yīng)著紙張上的印刷圖文部分。

2 整體方案
    電子紙顯示系統(tǒng)目前已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，比如電子閱覽器。目前市場上的所有電子紙產(chǎn)品幾乎都是基于Linux操作系統(tǒng)的，因為Linux操作系統(tǒng)的界面可以很容易地實現(xiàn)界面定制化。但是，可以預(yù)見的是，基于WinCE操作系統(tǒng)的電子紙屏幕系統(tǒng)的產(chǎn)品很快會問世，并且相對于Linux平臺，WinCE具有更人性化的界面和更多樣化的功能。通過使用WinCE操作系統(tǒng)，可以方便地在電子紙系統(tǒng)中擴展Microsoft的應(yīng)用程序，比如，可以在電子紙系統(tǒng)中看 Word、PPT等文檔，甚至可以上網(wǎng)瀏覽新聞，收發(fā)郵件，使用即時通信軟件等等。相信，在不久的一天，電子閱覽器不僅僅可以進行書籍的閱讀，而且可以進行簡單的辦公。因此，本系統(tǒng)在Freescale公司的MX31硬件平臺上，采用WinCE5．0操作系統(tǒng)，使得電子紙系統(tǒng)不僅僅可以閱讀多種格式的文檔，同時大大地提高了電子紙系統(tǒng)功能的可擴展性。

3 系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)的硬件由核心處理器部分和電子紙屏幕部分組成，整個系統(tǒng)基于Freescale公司的 MX31平臺，操作系統(tǒng)使用WinCE5．0。將電子紙驅(qū)動部分作為整個系統(tǒng)的一個部件，利用WinCE5．0提供的驅(qū)動框架把顯示屏的驅(qū)動程序加載在 WinCE5．0操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)啟動初始化過程中加載此驅(qū)動模塊，應(yīng)用層通過驅(qū)動程序接口調(diào)用此模塊實現(xiàn)畫面顯示。
3．1 核心處理器部分架構(gòu)
    處理器部分的硬件架構(gòu)如圖2所示，由嵌入式處理器ARM1136JF-S(主頻532 MHz)、SDRAM(128 MB)、Flash ROM(128 MB)、復(fù)位電路與晶振、電源管理以及主機接口部分組成。多媒體處理器ARM1136JF-S的主要功能是用于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?/p>

    ARM1136JF-S是ARM公司推出的一款高性能、低功耗的多媒體處理器。它最大的優(yōu)勢在于該CPU具有多媒體硬件加速器的特征，多媒體處理采用內(nèi)嵌的信號處理硬件功能加速和精簡指令運算編程來實現(xiàn)，既能實現(xiàn)高速信號處理計算又能大大降低CPU功耗，以較低CPU主頻來實現(xiàn)高速的圖像／語音編解碼處理，不僅實現(xiàn)了高處理性能和低處理功耗的統(tǒng)一，同時保證了系統(tǒng)功能和性能在軟件上的可升級和可拓展性。
3．2 電子紙屏幕部分架構(gòu)
    電子紙驅(qū)動部分的硬件架構(gòu)如圖3所示。電子紙屏幕顯示控制器Apolio根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)來查詢Flash ROM中的查詢表，決定是選擇從SRAM1或SRAM2中輸出數(shù)據(jù)到電子紙顯示屏中。

    顯示控制器Apollo芯片是一種TFT(Thin FilmTransistor，薄膜晶體管)主動矩陣電脈顯示的顯示控制器，是電脈顯示屏參考系統(tǒng)電子設(shè)計的一部分。Apollo芯片適合800×600 像素，支持1位和2位顯示。屏幕高寬比(aspect ratio)為4：3，同時驅(qū)動源極驅(qū)動和柵極驅(qū)動，支持8位并行異步數(shù)據(jù)總線接口，使用外部SRAM來存儲顯示的數(shù)據(jù)。它用一個外部查詢表(Look- Up-Table)來選擇顯示的圖像，此查詢表存儲在Flash ROM中。

4 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件層如圖4所示，主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序。系統(tǒng)選用了WinCE5．0操作系統(tǒng)，利用WinCE5．0操作系統(tǒng)提供的驅(qū)動框架，開發(fā)了顯示屏的驅(qū)動程序，使得WinCE5．0中的應(yīng)用程序可以調(diào)用開發(fā)的驅(qū)動程序顯示相關(guān)的文檔數(shù)據(jù)。為縮短開發(fā)周期，本系統(tǒng)使用了Freescale 公司的MX31軟件開發(fā)包，因此主要的任務(wù)就是驅(qū)動程序的編寫。從軟件的架構(gòu)層次來看，驅(qū)動程序直接與硬件層相關(guān)，它提供相關(guān)的接口供應(yīng)用程序調(diào)用，應(yīng)用程序通過調(diào)用顯示屏的驅(qū)動接口把相關(guān)的文件顯示在電子紙屏幕上。

    電子紙屏幕驅(qū)動的軟件架構(gòu)如圖5所示，WinCE5．0的顯示驅(qū)動由GWES．exe加載管理，應(yīng)用程序通過GDI(Graphic　Device Interface)接口來訪問顯示驅(qū)動程序。在WinCE5．0中，顯示驅(qū)動包括MDD(ModelDevice Driver)和 PDD(Platform Dependent Driv-er)層，其中MDD層是微軟的GPE(Graphics Prim-itive Engine)庫，它向上層提供了相應(yīng)DDI接口。因此，對于驅(qū)動部分的主要工作是編寫PDD層，在WinCE5．0提供的顯示驅(qū)動框架下，編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。

5 結(jié)果分析
    基于以上的設(shè)計方案，在MX31的硬件平臺上編寫了驅(qū)動程序，成功運行了系統(tǒng)。電子紙的效果如圖6所示。

    從系統(tǒng)效果來看，本系統(tǒng)可以正常工作。系統(tǒng)可以顯示任何WinCE5．0支持的文件格式，而且字體清晰，跟傳統(tǒng)打印的紙張顯示的字跡幾乎沒有區(qū)別。
    從測試結(jié)果看來，本系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)電子紙屏幕顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品化，它使得電子紙系統(tǒng)使用WinCE5．0操作系統(tǒng)，可以正常閱讀各種WinCE5．0支持的文檔。

結(jié) 語
    本系統(tǒng)在Freescale公司的MX31的硬件平臺上采用WinCE5．0的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了電子紙顯示系統(tǒng)。從最后的結(jié)果來看，系統(tǒng)能較好地顯示 WinCE5．0支持的各種文檔。此外，系統(tǒng)具有功耗低、擴展性強等特點。另外，如果系統(tǒng)能增加網(wǎng)絡(luò)功能，那么就能很容易地擴展系統(tǒng)的其他功能，如網(wǎng)絡(luò)瀏覽新聞、收發(fā)郵件、即時通信功能等。這些功能的增加可以極大地豐富電子紙產(chǎn)品的運用。