低功耗电子标签的设计毕业设计论文

1、毕业设计（论文）题目：低功耗电子标签的设计院（系）：自动化学院专业：自动化班级：自动1201班毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文低功耗电子标签的设计是 本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的 文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者：时间：年月日指导教师已阅：时间：年月日西安邮电大学本科毕业设计（论文）选题审批表申报人亢红波职称副教授学院自动化题目名称低功耗电子标签的设计题目来源科研教学其它是题目类型硬件设计是软件设计论文艺术作品

2、题目性质实际应用是理论研究题目 简述设计一种电子标签，能对所代表商品的名称、价格等其他特点内容进行显示，内容可调，并 使用体积更小的电子纸进行显示，节省体积。对学 生知 识与 能力 要求1. 熟悉嵌入式单片机原理、对陀螺仪及显示驱动知识有一定了解；2. 有较好的软硬件设计基础；3. 有独立解决一般技术问题的能力。预期 目标1. 设计出相应软硬件；2. 能实现所要求的功能；3. 完成毕业设计论文。时间 进度2015.12.5至2016313收集资料、理解题目、整理文献综述，完成开题报告；2016.3.14至2016.3.27题目分析、方案设计；2016.3.28至2016.4.24设计硬件，实现

3、算法，对设计系统进行调试、改进完善；2016.4.25至2016.5.23撰写毕业论文；2016.5.24至2016615论文修改、打印、准备毕业答辩。系（教研室）主任 签字2015年12月5日主管院长 签字2015年12月5日西安邮电大学本科毕业设计(论文)开题报告学号06121023姓名赵欢导师亢红波题目低功耗电子标签的设计选题目的：随着无线通信技术、显示技术等电子技术的日益完善，电子标签逐渐走进我们的事业。作为一种新型的 价格呈现方式，电子标签将能很好的弥补传统标签的不足。电子标签是一种放置在商品货架上，能够通过串口通信实时接收价格等商品信息，并通过电子显示屏显 示的应用电子系统。实现了

4、计算机数据库中的商品信息与标签显示信息的一致性，摆脱了纸质标签的不便。目前新推出的电子纸显示屏，采用点阵式显示，且具有低功耗的特性，最大的特点是双稳态性。在图像 显示成功后，可以做到零功耗保持图像，能很好的满足对低功耗的需求；且分辨率较高，显示效果清晰细腻， 使用电子纸做电子标签，有较好的用户体验。目前电子标签的总体趋势是：采用电池供电，釆用电子纸屏幕显示。因此，电子标签设计的主要工作也 集中在这两个方面：(1) 电路的低功耗设计，尽量延长电池的使用时间，减少人工维护的频率；(2) 电子纸屏幕驱动的开发，能够更加高效的显示细腻、完美的图像。基于以上几点，本设计提出低功耗电子标签的设计。本设计可

5、以很好结合电子纸显示屏和电池供电的优 势，在延长电池使用时间的前提下，更加清晰的显示图像，可以显著提升客户用户体验，提升商品或者品牌 在客户心目中的档次，在取得功能优势的同时，更能提升客户的心理认可和关注度，做到进一步吸引消费者。前期基础：(1) 已学课程数字电路逻辑设计、模拟电路设计及应用、单片机原理及应用。(2) 掌握的工具a) protel 99 se：可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，使用protel 99 se完成电子纸驱动电路的印制电路板设计；b) i ar for stm8：由于本设计采用的是stm8单片机，此单片机常用的开发环境是iar for

6、stm8,它 支持windows操作系统，可以进行编译；(3) 软硬件条件a) 硬件条件:stm8ldiscoveiy开发板、电子纸驱动电路计算机中的商品信息数据编码处理后，通过usb串口传送到电子标签上，经过信号还原处理后在屏幕 上显示，显示内容为商品信息。主控制器采用stm8l101单片机，驱动电路部分包括电压设计、主控制器与 电子纸的连接部分、外接模块部分等。b) 软件条件：iar for stm8电子纸驱动程序的作用是，将mcu接收到的图像像素的数据，通过程序的层层控制，最终转化成电子 纸驱动器的电平信号，从而达到控制电子纸屏幕显示的功能。电子纸驱动程序根据mcu指令为电子纸屏幕 管理

7、显存、控制电压输出以及选择刷新模式，在此基础上配置寄存器、设计功能函数，设计程序流程图，完 成驱动程序设计，最终完成电子纸显示。要解决的问题：目前正在使用的电子货架标签解决方案有多种，但其主要问题在于两个方面：供电方式、显示技术。(1) 供电方式考虑到超市结构容易变化，电网布线有难度，不宜采用有线电源输入的方式供电。因此，电子标签最好 采用电池供电的方式，方便电子标签的移动和布置。但是，这样会对电路的设计提出新的要求，即对功耗的 控制，必须保证在电池供电的情况下，依旧能够保证相当长的工作时间，否则频繁的更换电池，就会无法起 到减少人力成本和物力成本的目的。(2) 显示技术目前用于电子标签显示屏

8、的现实技术主要有：led数码管、段位式lcd显示屏、tft显示屏。led数码管的方式，成本低，电路简单容易实现，但是显示内容过于单调，仅能用于变化价格，功能过 于单调，仍旧无法摆脱大量人力支援。led数码管采用的是发光二极管长亮的方式进行显示，功耗比较大， 不满足电池供电的设计要求，且分辨率低，容易反光。段位式lcd显示屏，能够显示文字等信息，且采用被动光源相对省电，但是段位式lcd显示屏面积比 较小，显示内容过于单调，且无法更改字体和显示图像。tft显示屏，是目前手机等嵌入式设备中广泛使用的屏幕，显示内容丰富，支持图像显示，能够很好的 介绍、展示商品，在功能上基本能满足电子标签的全部需求。然

9、而功耗较大，使用电池的情况下，使用tft 显示屏几乎是不可能完成的任务。目前新推出的电子纸显示屏，采用点阵式显示，且具有低功耗的特性，最大的特点是双稳态性。在图像 显示成功后，可以做到零功耗保持图像，能很好的满足对低功耗的需求；且分辨率较高，显示效果清晰细腻, 使用电子纸做电子标签，有较好的用户体验。综上，本设计拟用电池供电，使用低功耗控制器，采用电子纸显示屏以达到低功耗且图像清晰的目的。 对上面问题的解决思路为两点：利用电子纸显示屏的低功耗模式，采用低功耗控制器以达到低功耗的目的， 使用电池供电以达到减少人力和成本的目的来设计电子标签。工作思路和方案：在开始做本课题前，要认真复习模拟电路、数

10、字电路和单片机的基本知识，了解低功耗电路的结构设计, 掌握电子纸gde043a2的驱动原理及电路设计。完成本课题需要熟练掌握stm8l101单片机的开发应用。第一周：复习电路和数字电路以及模电知识，查找相关资料；第二周至第三周：查阅有关电子纸gde043a2的驱动原理和掌握单片机的各个模块，并完成开题报告; 第四周至第六周：编写部分程序，设计硬件电路并用软件进行调试；第七到第九周：开始设计搭建低功耗电路以及电子纸驱动模块的电路设计，软件上对各模块进行调整， 使之能够独立的正确运行；第十周至第十一周：对系统进行整体测试调试，解决问题，完成课题的设计； 第十二周至十四周：完成论文撰写，准备论文答辩

11、。指导教师意见签字2016年1月9日西安邮电大学毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名赵欢性别女学号专业06121023:當自动 1201 班课题名称低功耗电子标签的设计指 导 敬 师 意 见评分（百分制）：指导教师（签字）：年 月曰评 阅 教 师 意 见评分（百分制）：评阅教师（签字）：年 月曰验 收 小 组意 见评分（百分制）：验收教师（组长）（签字）：年 月曰答 辩 小 组意见评分（百分制）：答辩小组组长（签字）：年月日评分比例指导教师评分（%）评阅教师评分（%）验收小组评分（%）答辩小姐评分（%）学生总评成纽百分制成绩等级制成绩答 辩 委 员 会 意 见毕业论文（设计）最终成绩（等级）：

12、学院答辩委员会主任（签字）：年月日目录摘要iabstractii1. 课题的选题意义12. 系统设计22.1系统的设计思想概述22.2系统的工作原理22.3系统的研究内容23. 硬件设计33硬件设计思路33.2主控模块设计332l主控制器选型332.2. 主控制器介绍-432.3主控制器模块设计- -73.3显示模块设计733.显示屏选型73.3.2. 显不屏介绍8333.显不屏驱动芯片介绍933a显示模块设计113.4存储模块设计123.4.1. 存储芯片选型123.42存储芯片介绍133.4.3. 存储模块设计-133.5电源模块设计143.6串口通讯模块设计163.7人机交互模块设计16

13、4. 软件设计174.1软件设计整体架构174.2主控制器控制流程184.3 flash模块设计194.4电子纸驱动模块设计205. 系统调试225.1系统调试环境搭建225.2图文信息转换软件245.3串口调试助手245.4调试255.4.1. 存储功能测试-255.4.2. 显示功能测试- -26543.软硬件联调 -266. 总结287. 致谢29参考文献30附录一硬件mcu原理图附录二电源供电原理图附录三硬件实物图附录四部分代码摘要标签广泛应用在商场、超市中，随着商场、超市的数量增加，标签的需求量 增长迅猛。但是普通的标签需要大量的人力物力，且易出错、毁坏甚至丢失。人 力物力的增加导致

14、标签使用成木剧增，因此，使用一种性价比较高的标签显得愈 发重要。电子标签是一种显示设备，用来放在货架上显示商品信息的显示屏。通过它 的通讯接口，人们可以及时的更新显示在电子标签上的商晶信息，更改方便，显 示内容丰富。木文提出一种基于低功耗的电子纸的电子标签设计，实现的功能是通过 stm8l101驱动电子纸，w25q16存储图文信息，按键实现图文信息的切换，使 电子纸显示多样化的图文混合信息。该设计低功耗，多样化显示，具有良好的显 示与使用效果，有助于为用户提供更好的服务，继而增加商场的核心竞争力。关键字：电子纸；stm8l101；低功耗；hx8705； w25q16abstractlabel

15、is widely used in the supermarket and the mall. the demand of the label that is used in the market and store increases rapidly. the general label is not only requires lots of mental and labor pressure and material resources, but also easy to make mistakes and even lose important information. the inc

16、rease in manpower and material resources leads to the use-cost of label increasing rapidly, so it is more and more important for people to use cost-effective label.rfid (radio frequency identification) is a display device, which can show the goods information on its screen and can be placed on the g

17、oods shelf. people can update the commodity information that is showed on the display timely. it is flexible and rich content.this thesis presents a label design based on the usage of e-paper that is low-power. the e-paper is derived by the stm8l101, and the w25q16 stores the image text information

18、that is changed by keying. all these designs make the image text infonnation diversified. all in all, this design is low-power and diversified-display, which has good effect of display and usage. in addition, this design also contributes to provide a better service for clients and enhance the core c

19、ompetitiveness of markets.keywords:e-paper;stm8l 101 ;low power consumption;hx8705;w25q 161.课题的选题意义现代零售业的快速新兴，不同类别、不同档次定位的购物商场日益增多。商场 的环境有所区别，消费者更倾向于去较舒适、自由的选购环境。山随之而来的是商 家的竞争加剧，商家做出一些营销活动来吸引顾客，但是降低利润只是一部分措施， 更为有效的则是尝试新技术，以降低运营成本，从而提高用户舒适度，吸引更多的 顾客商场竞争最直接的就是商品价格的竞争，导致物品的标签处于频繁变动状 态，需要一种可以简便、快捷、准确的可修

20、改货物的标签。目前商场普遍用的是传统的纸质价格标签，纸质标签更改耗费人力，修改一个 标签需要最少两分钟，而且属于一次性产品，纸质标签修改的手动错误率较高，可 能会影响商誉或者行政处罚。随着商品的多样化，标签需求巨增，传统标签不能显 示过多商品信息属性，界面单调，更新工作量极其巨大，随着材料、人力的成本增 加，纸质标签的使用成本增加。尝试新技术便成了必然的选择。本课题设计的低功耗电子标签是一种新型的价 格呈现方式，能够很好的完善传统纸质标签的不足。电子标签是一种电子显示设备， 将商品信息显示在货架上的电子显示屏上。需要修改商品信息时，通过通信端口向 电子纸发送命令，电子纸就会把更改后的图文信息显

21、示岀来，不需要人工手动修改， 更改显示信息更加快捷，人工错误率降低，显示内容丰富，不仅可以显示价格，还 可以显示图片、折扣、库存量等，实现了商品信息的优化显示功能，而且电子标签 可以反复使用，节能环保。2系统设计2.1系统的设计思想概述本课题的设计理念是设计一种低功耗的电子标签，采用了点阵显示的电子纸显 示屏，电子纸又称为e-paper,采用电泳显示技术，显示效果清晰，反射率低，避免 阅读疲劳，可以重复使用，还可以多样化的显示商品的信息。考虑到商场布线困难， 电子纸供电电路采用锂电池供电，方便标签的移动和控制，并能够保持较长的时间。 电子纸屏幕显示驱动的开发，采用stm8单片机，具有低功耗，开

22、发方便的特点。 本设计满足了低功耗，多样化、快捷、准确的显示商品信息的需求，使得商品更加 准确多样的展示在大家的面前,提高了客户的用户购物体验，进一步吸引了消费者。2.2系统的工作原理系统的工作原理：商品信息通过bitmap进彳亍编码处理并存储在外部flash中, 经过通信接口将商品信息传送给电子标签控制器，将需要更新的商品信息通过微控 制器处理，变成电子纸显示屏驱动芯片所能识别的电平信号，电子纸通过信号还原 后将数据信息显示在电子纸显示屏上。商品信息可以单屏显示，也可多屏显示。可以将电子纸显示屏分为几个部分， 设计好每一部分需要显示的信息，从而达到商品信息显示的清晰，一目了然。2.3系统的研

23、究内容本课题设计了以stm8单片机为主控制器，电子为显示屏的低功耗电子标签, 结合软件和硬件设计，实现标签的功能。软件部分由电子纸显示模块，flash存储 模块，按键控制模块，串口通讯模块等组成，使用iar for stm8为开发环境编写 软件程序，硬件部分包括电子纸显示模块，flash存储模块，按键控制模块，串口通 讯模块，电源管理模块等，采用protel设计屯路原理图来阐述硬件的思想。3. 硬件设计本章根据课题中的需求，完成低功耗电子标签的芯片选型、芯片介绍及各个模 块的电路设计。3.1硬件设计思路低功耗电子标签是根据电子纸显示技术设计的。电子标签主要由stm8f101单 片机、w25q1

24、6外扩flash存储模块、电子纸显示模块、串口通讯模块、电源管理 模块等组成。系统的硬件设计有超低功耗和性价比较高的要求，系统的硬件设计 思路如图3-1所不。图3-1系统硬件图3.2主控模块设计3.2.1.主控制器选型 核心，在具体选择的时候主要从以下几点进行考虑：电子标签属于种量产化的产品,需要长时间的工作,主控制器是整个课题的1. 超低功耗。电子标签设计的目的是为了解决纸质标签更换麻烦的问题，如果 不是低功耗，需要频繁的更换电池或者进行网络格局布线，就会失去简便的优势。2. 控制能力强大。在电子纸显示模块，需要处理接收到的数据，控制电子纸驱 动芯片写入存储在flash中的数据，要求有较快的

25、反应速度。3. i/o端口够用。常见的电子纸驱动芯片的引脚数量较多，基本都需要与主控 制器连接，还需要预留一些引脚连接flash模块及拓展一些必需的模块，因此主控 制器i/o端口数量需要较多。4. 开发调试简便。电子标签需要进行反复的代码测试，需要相关的软硕件调试 工具，才能完成本课题的设计。5. 性价比高。因为电子标签需要用在超市，数量较多，所以需要性价比较高的 微控制器。流行的电子纸驱动主控器一般为msp430或者stm32,但是这些主控器管脚多, 控制功能复杂，功耗与成本也较高.本课题最终选择stm8l101为主控制器。 stm8l101是8位超低功耗单片机，该单片机包括有一个集成式调试

26、模块，硕件接 口为swim,可以在应用调试和超高速闪存中编程，在线仿真山。stm8l101单片 机具有超低功耗、低压的特点。3.2.2.主控制器介绍木课题最终选择stm8l101为主控制器。stm8l101是8位超低功耗单片机, 是stm8l系列比较古老的一款芯片，stm8l101有32个引脚，内部flash为8kb, 内部ram为1.5kb,最大时钟频率为16mhz,工作温度范围为40到125摄氏度 之间，工作电源电压为1.65v3.6v,有18个i/o端口，定时器为3个，外围设备 有红外线、por、pwm、wdt。最低功耗模式:0.30 ua,动态运行模式：150ua/mhz叫根据本课题所

27、需选择了 32引脚的封装，具体封装如图3-2所示。(s 工)zodn (sh)e3dn (s手 odn (sh)sodn (sh)90dn (se ovd n32 31 30 29 28 27 26 25nrst/pa1 (hs)匚124 pd7 (hspa2 (hs)匚223j pd6 (hspa3(hs)匚322j pd5 (hs)pa4 (hs)匚421 pd4 (hs)pa5 (hs)匚520 pb7 (hs)pa6(hs)匚6193 pb6 (hs)vw匚718j pb5 (hs)vdo(:817 pb4 (hs)9 10 11 12 13 14 15 16sssx£

28、63;uljuuljulju图3-2主控制器32引脚封装图stm8l101的引脚定义如表31所示。表31主控制器引脚定义序号引脚名类型作用1nrst/pa1i/opai2pa2i/o3pa3i/o4pa4/tim2 bkini/o定时器3-中断输入5pa5/t1m3 bkini/o定时器3-中断输入6pa6/c0mp refi/o比较器7vsss地8vdds电源9pdo/t1m3 ch2/comp1 ch3i/o定时器3-通道2/比较器1-通道310pd1/tim3 etr/comp1 ch4i/o定时器3-触发/比较器1-通道411pd2/c0mp2 ch3i/o比较器3-通道312pd3/

29、c0mp2 ch4i/o比较器3-通道413pbo/tim2 ch1/comp1 ch1i/o定时器3-通道1/比较器1-通道114pb1/t1m3 ch1/comp1 ch2i/o定时器3-通道1/比较器1-通道215pb2/t1m2 ch2/comp2 ch1i/o定时器3-通道2/比较器3-通道116pb3/tim2 etr/c0mp2 ch2i/o定时器3-触发/比较器3-通道217pb4/spi nss1/0sp1主/从选择续表序号引脚名类型作用18pb5/spi scki/ospi时钟19pb6/spi m0sii/ospi主输出/从输入20pb7/spi mis0i/ospi主输

30、入/从输出21pd4i/o22pd5i/o23pd6i/o24pd7i/o25pc0/i2c sdai/oi2c数据26pc1/i2c scli/oi2c时钟27pc2/usart rxi/o串口接收28pc3/usart txi/o串口发送29pc4/usart ck/cc0i/ousart同步时钟/配置时钟输出30pcsi/o31pc6i/o32pao/swim/beep/ir timi/oswim输入输出/蜂鸣器输出/定时器输岀根据stm8l101的引脚定义结合数据手册，可知stm8l101单片机具有以下几个特性：1. 单片机特性：电源电压低：1.65v3.6v；a超低功耗（停机状态：0

31、.3ua；活跃停机状态：0.8ua；动态运行状态： 150ua/mhz）；工作温度范围广。2. 存储器具有数据eeprom功能，灵活的读写保护模式，可在线编程，支持 擦除300k次。3. 时钟具有快速唤醒时间的内部16mhz rc,可驱动iwdg和awu的内部低 功耗38khz rc,可以控制复位和供应管理。为了降低功耗，该产品具有三种低功 耗模式：等待模式、主动停止模式、暂停模式。4. i/o多达30个，全部可映射到外部中断矢量上，可编程输入上拉，有2个 16位通用定时器，为双通道，一个定时器为8位，红外遥控，独立看门狗，自动唤醒单元，蜂鸣定时器，spi同步串行接口，具有波特率发生器的串口，

32、2个4个输入 的比较器。5. 该stmslioixx嵌入了一个内部稳压器产生1.8 v电源供应内核和外设。该 稳压器有两种不同的模式:主电压调节模式(m vr)和低功耗电压调节模式(lpvr)o 当进入暂停或active-停止模式下，系统为了减少电流消耗从mvr到lpvr自动切 换。3.2.3.主控制器模块设计采用stm8l101作为主控制器，主控模块是整个系统的核心，其他外设模块, 例如：usart模块、iic模块、spi模块及gpio模块等需要在主控的协调控制下完成各种功能，主控模块从flash模块获取图文信息，经过数据处理，在电子纸上显示出来。stm8l101主控制器最小系统如图33所示

33、。u?3nd，|ltcq3.3卫竝nrst 2 epd clk ? epd leepp oe 4touch 05t comp rebepd do 号epd di 却epd d2 卫epd d3 乂 touchtouch2些epd stv15epd cpv16nrst/pa1pa2pa3pa4/tim2 bk1npa5/tim3 bkin pa6/comp-ref vss vddpd0/tim3 ch2/comp1 ch3 pd1/t1m3 etr/comp1 ch4 pd2/comp2.ch3 pd3/comp2.ch4pb0/tim2 ch1/comp1 chi pb1/tim3 ch1/c

34、omp1 ch2 pb2/tim2 ch2/comp2.ch1 pb3/tim2 etr/comp2 ch2pao/swim/beep/ir tim "pc6 pc5 pc4/usart ck/cco pc3/usart.tx pc2/usart.rx pc1/i2c scl pc0/i2c sda pd7 pd6 pd5 pd4 pb7/spi miso pb6/spi mosi pb5/spi sck pb4/spi nss32 swim31vpos ctrl卫 vgh ctrl2監ctp928ch340 rxd27ch340 txd"冷scl25 sda兰 1ti)

35、d7今epd d6? epd d5辿 epi) im空 mosi 兰sck17 nssr? 4.7kstm8l101k3 i图3-3主控制器最小系统3.3显示模块设计3.3.1.显示屏选型电子显示技术已经渗透到日常生活中，例如：电子标签、投影仪、牌匾等等， 电子显示技术是多学科结合的产物，电子显示技术的迅猛发展，加速了社会的发展 速度。根据显示器本身是否发光，将电子显示技术可以分为两类：1. 由显示器本身发光形成的，例如：dpd、led、oled等；2. 显示器本身不发光，但是能够反射自然光，例如：lcd、epdo应用在电子标签上的显示器，在具体选择的吋候主要从以下几点考虑：1. 低功耗。商场

36、中商甜一般变动不是很大，电子标签基本处于静止状态，所以 需要低功耗；2. 显示效果好。对于电子标签来说，显示应该具有多样性,而不只仅仅是价格， 名称，且需要适于阅读。经过以上两点的考虑，选择使用epd屏幕。epd屏幕采用的电子纸显示技术， 具有双稳态的特性，断电也不会影响显示，断电后述可以保持较久的时间，一般情 况下，电子墨水显示器仅仅耗电0.1w左右，非常省电；epd屏幕显示信息清晰， 屏幕大小有不同的规格，比较人性化，显示多样性，可以显示图片，并且具有较高 的分辨率，lcd屏幕较小，显示内容较为简单，易反光，led分辨率较低，易反光， 显示内容简单，不能多样化，综上所述，显示器选择epd屏

37、幕。3.3.2.显示屏介绍电子纸采用gde043a2,此款电子纸是大连佳显电子有限公司制造的， gde043a2显示屏是一种tft电泳矩阵，高分辨率黑白显示屏，为4.3寸可以应用 在便携设备上，例如：阅读器，可以显示较小的图片，而且显示清晰。电子纸 gde043a2实物图如图3-4所示。图3-4电子纸gde043a2实物图电了纸显示模组是tft驱动的电泳显示屏，集成电路包括源驱动电路和栅驱动 电路，此显示屏的特性有以下几点： 800*600像素显示白色反射率超过百分之三十对比度&1 4:3屏幕高宽比a超宽视角，将近180°超低功耗纯反射模式双稳态显示适合商业的温度范圉广a灰阶

38、数为4,分别为黑，口，灰阶低电流深度睡眠模式内置驱动器ic,无需列配驱动器，仅仅需要少量的外围器件即可成功驱动， 节约资源a使用寿命:100万次以上，无故障刷新次数选择gde043a2,也是因为上述的特点，可以很方便快捷的实现电子标签的功 能。3.3.3.显示屏驱动芯片介绍本课题采用大连佳显公司的电子纸gde043a2,此款电子纸自带驱动芯片 hx8705, hx8705是通过800通道输出的源驱动和600通道输出的栅驱动来驱动 epd面板的。源驱动由它由一个800比特长的2比特宽移位寄存器与4组2比特宽 的输入，800位长2位宽度的锁存器和800路3级电压驱动组成。在锁存和oe信 号每2位宽

39、的数据进行解码，3个控制信号。电平偏移之后，控制信号使第3级电 压驱动器输岀vpos, vneg或vss电压。栅驱动是专为43v驱动电压范围内的2 级门输岀，该电路是由cmos工艺的，消耗功率很低。hx8705驱动芯片具有以下特点：三级源输出 800通道源输岀最大源驱动频率为25mhz源驱动电压范围：16v+16va 4组2比特宽数据输出a 2级栅输出 600通道源输出最大栅驱动频率：200mhz栅驱动电压范围：43v数字电源电压：2.7v36v双向数据转移能力高压cmos工艺技术> cog包装hx8705的引脚定义如表3-2所示。表3-2 hx8705驱动芯片引脚定义序号引脚名i/o作

40、用1clk输入源驱动时钟2shr输入源驱动起始方向控制3sph输入源驱动启动脉冲信号4le输入锁存使能50e输入输出使能6cpv输入栅驱动时钟7stv输入栅驱动启动脉冲信号8r/l输入栅驱动起始方向控制9m0de2/m0de1输入输出模式选择（髙/低平）10vpos输入源驱动正电压11vneg输入源驱动负电压12vdd输入数字电源13vss输入地14vgh输入栅驱动正电压15vgl输入栅驱动负电压16d0：7输入数据信号17vcom输入公共电极连接端由以上引脚介绍可知，当shr为高的时候，设备开始脉冲输入引脚sph在clk 的上升沿，这使得使能内部移位寄存器改变。起初clk上升沿，第一数据d|

41、0:7| 中存储的797800锁存电路；当第200个clk上升沿，数据d0:7中存储的第1 4锁存电路。le控制800位长2位宽锁存，当le二h的吋候，它将移位寄存器中的数据加载 到锁存器，并且驱动器输出开始根据锁存器中的数据，改变其输出。r/l引脚决定移位寄存器的移位方向。当r/l为高的时候，s797s800是第一 个数据输出第一，当r/l为低的吋候，s1s4的是第一个数据输出。式有四种，分别为：> 当 mode1=h,> 当 mode1=h,> 当 mode1 二l,> 当 mode1=l,mode2=h 时,mode2=l 时,mode2=h 时,m0de2=l

42、时,由上表可知，mode1和mode2共同控制栅驱动的输出模式，栅驱动输出模 栅输出模式为单脉冲模式； 栅输出模式为连续双脉冲模式； 栅输出模式为跳跃式双脉冲模式; 栅驱动直接输出vgl。3.3.4.显示模块设计电子标签的显示部分采用gde043a2电子纸，和液晶屏驱动原理一样，要实现 电子纸屏幕多样化的显示，需要设计专门的电子纸驱动电路来控制电子纸。主控制 器通过驱动芯片控制电子纸完成显示，驱动电路和主控制器连接，接受主控制器输 入的指令信号，将指令信号转换为模拟波形信号，这些信号根据电子纸波形文件中 的标准，转换成电平信号，驱动电路和电子纸显示屏连接，电子纸的源驱动和栅驱 动接收到电平信号

43、，就将每一个像素按照主控制设置的呈现出来，即就是显示模块 应该包括两个部分：驱动芯片和主控制器的连接；驱动芯片和显示屏的连接。如图3-5为电子纸显示模块驱动电路设计原理。图3-5电子纸显示模块电路设计原理驱动芯片和主控制器接口电路：hx8705是辅助主控制器控制电子纸显示的额，通过stm8l101的i/o 口实现 对驱动的控制，驱动芯片hx8705和主控制器stm8l101的接口电路如图36所示。pa2<epd_clkpa3<4epd_lepa4epd_oepb2epd_sphpb3epd_stvpc4epd-cpvpd0:7epd_d0:7stm8l101hx8705图3-6驱动

44、芯片和主控制器接口驱动芯片和电子纸显示屏接口电路：因为电子纸显示屏的厂家已经设计了源驱动器和栅驱动器，所以hx8705对电 子纸的控制实质是通过控制源驱动器和栅驱动器来完成的，驱动芯片hx8705和电 子纸显示屏的接口如图3-7所示。hb8705gde043a2图3-7驱动芯片和电子纸显示屏接口3.4存储模块设计3.4.1.存储芯片选型stm8l101在电子标签设计屮作为主控制器，电子纸显示模块内存空间不能满 足多样化显示的要求，所以采用外扩flash的办法进行图文信息存储和读取，图片 采用bitmap软件进行解析为十六进制，存储在flash芯片上面，需要显示的时候通 过stm8l101进行处

45、理，在电子纸上显示。本设计在考虑性价比的前提下，采用 w25q16存储芯片。3.4.2.存储芯片介绍w25q16(16m-bit)是一个flash存储器，可以在主控制器内存不足的时候为主控 制器扩充内存。25q系列比普通的串行flash存储器更灵活，性能更优越，基于双 倍/四倍的spi,它们能够可以立即完成提供数据给ram,包括存储声音、文本和 数据。w25q16的引脚如表3-3所示。表3-3 w25q16引脚定义引脚序号引脚名i/o作用1/cs输入选择输入2d0(i01)输入/输出数据输出输入3/wp(i02)输入/输出写保护输入/数据输出4gnd地5di(100)输入/输出数据输入输出6c

46、lk输入时钟输入7/hold(103)输入/输出保持输入/数据输出8vcc电源由w25q16引脚结合数据手册可知，w25q16具有以下特点：芯片支持的工作 电压2.7v到3.6v,正常工作口寸电流小于4ma,掉电13寸低于lua。工作温度为-40°c 到85 °c。w25q16由192页组成，每一页的256字节用一次页编程指令即可完成，有页 擦除和全片擦除，有256个可擦除扇区和32个可擦除块。支持标准串行外围接口 spi,告诉的双倍/四倍输出，双倍/四倍用的引脚：串行i寸钟、片选段、串行数据1/02 和1/03。spi支持最高80mhz的频率，当用双倍/四倍指令的时候，相

47、当于双倍输 出时的最高速率160mhz,四倍输岀吋的最高速率320mhz,引脚和写保护引脚可 编程写保护。3.43.存储模块设计本课题因为stm8l101内存太小，不能存储多样化的图文信息，所以需要增加 内存，有两种方案：sd卡和外扩flash,考虑到电子纸需要量产化，选用外扩flash,使用w25q16存储芯片存储图文信息，结合软件部分完成相应的功能。 w25q16和主控制器的连接电路如图3-8所示。nss 13.3vm1so 20.1 uf873.3vsckmosiu?cs vcc do hold wp clk gnd diw25q16_1图3-8 vv25q16与主控制器连接电路图3.5

48、电源模块设计电子标签的设计理念之一就是为了避免频繁的更新纸质标签，所以在设计电源 模块的时候，需要考虑功耗尽可能的小，因为显示屏发送接收的数据相对来说较多 且频繁，而电子标签的屏幕是4.3寸，使用纽扣电池。需要经常更换电池，不符合 这个设计理念，因此，本课题使用锂电池供电，3.3v锂电池给主控制器供电，电子 纸驱动芯片hx8705的电气特性如表3-4所示。表3-4驱动芯片hx8705的电气特性参数符号条件值最小值典型值最大值单位信号地vss0v逻辑电压vddvdd二3. 3v33.33.6v栅正电压vgh7vgl+50v栅负电压vgl-25-5v源正电压vposvpos二-15v-0.3152

49、0v源负电压vnegvneg二15v-16-15-10v公共电极电压vc0m-2.5adjusted-1v根据驱动芯片的电气特性，可知驱动电子纸显示屏的电源模块至少需要五种不 同的电压输岀，在本课题中拟使用以下五种电压，分别是3.3v、15v、15v、20v、 23v,电源模块与驱动芯片的接口如图39所示。电源hbx7805vneg>15vvpos+15vvss>gndvdd+3.3vvcom-15vvgh+23vvgl20v图3-9电源模块与驱动芯片接口图3-10源正电压和源负电压电路图本课题采用3.3v锂电池供电，将锂电池提供的3.3v电源通过tps6108升压转 换器和充电泵

50、转换成15v和-15v,即为源正电压vpos和源负电压vneg,电路如 图3-10所示。然后，将15v和15v借助充电泵模块分别转换为23v, 20v,即栅负电压和 栅正电压。电压转换完成，达到epd而板的源驱动器和栅驱动器能够正常工作的目 的。对于锂电池的充电本课题通过5v电压适配器输入，给锂电池进行充电。用led 指示电池充电状态及充电完成，红色为通电进行中，绿色为充电完成。36串口通讯模块设计电子纸显示屏是通过有线方式接收计算机发送的图文信息，主要通过串口通讯 模块。本课题设计串口通讯模块，为了方便计算机和显示屏之间点对点通信，从而 方便调试。本课题采用usb转ttl,只能近距离通讯，串

51、口通讯模块直接连接 stm8l101主控制器和计算机，组成串口通讯模块，使得软硬件的调试更加容易， 本课题的串口通讯模块电路图如图3-11所示。u?17jch340 txds ch340 rxdsb?usb d+k?心22 yusb d- r?v?a22 6丄眦22pfgndvcc txdr232 rxd皿 v3ud+dgq ud- _e1 xi qsr xo ctsc? ch340g pf3vuf3.r?j 上工一gnd16lbflffhgnd gndusb 转 ttl图3-11串口通讯模块电路图3.7人机交互模块设计w25q16具有足够大的内存，可以一次性存储10张图文信息，stm8l10

52、1主控 制器具有超低功耗，基于这两种优势，本课题增加了人机交互模块，通过触摸按键 控制图片的更新，设计了一个触摸按键进行切换，用来控制电子纸所存内容的显示 情况，使人对电子纸的手动控制成为现实，让电子纸更方便的被应用，按键部分电 路图如图312所示。3.3vtouch outgndm touch pad图312触摸按键模块电路设计4. 软件设计电子标签的软件设计主要包括电子标签的显示程序、电子纸的驱动程序、 flash存储设计。4.1软件设计整体架构电子纸驱动程序的工作原理是，flash把图像像素的数据发送给主控制器，主控 制器将接收到的图像像素的数据，通过程序控制，转化成电子纸驱动器hx78

53、05的 电平信号，从而控制电子纸显示屏显示。电子纸显示屏的显示，以硬件为基础，编写软件，熟悉主控制器和电子纸驱动 芯片的主要功能和相互间的配合，从模块到整体，分析与芯片相关的端口配置、初 始化、时序控制、寄存器控制等，在完成以上内容的基础上，配置寄存器、设计功 能函数、设计函数树，将程序进行整合，最终完成驱动程序的设计。软件设计架构 如图41所示。图4-1软件设计架构完成epd面板屏幕的显示，flash要完成的工作是：w25q16初始化、端口配 置、储存将要显示的内容；stm8l101需要完成的工作是：stm8l101初始化、相 关端口的配置、控制flash控制epd面板的图片显示；电子纸芯片hx7805需要 完成的工作是：配置端口、hx7805初始化、控制图片的显示。4.2主控制器控制流程在程序设计中，为