郭 辉，余世干，李林国

（阜阳师范学院 信息工程学院，安徽 阜阳 236041）

基于STM32的电子纸灰度检测系统设计

郭 辉，余世干，李林国

（阜阳师范学院 信息工程学院，安徽 阜阳 236041）

电子纸因其低功耗特性和良好显示效果，在手持阅读设备和智能标签等领域有广泛的应用。电子纸种类繁多，现在对其显示的每个灰阶的灰度还没有统一的量化标准，对刷新图像时电子纸灰度的动态变化情况也还没有便捷的测量方法。因此本文基于STM32设计了一套针对电子纸显示灰度的检测系统，不仅能够量化电子纸显示的每个灰阶，还能够准确记录电子纸显示灰度的动态变化情况。经测试该系统运行稳定可靠，能够准确测量电子纸显示的灰度状态。

电子纸；灰度；STM32；检测系统

电子纸（E-paper）是一种基于电子纸内部油墨粒子双稳态特性的显示技术，施加电压时油墨粒子向电极移动，去掉电压后油墨粒子仍会停留在电极附近，因此电子纸只在刷新图像的时候耗电，显示图像的时候不需要供电，相对于液晶显示或OLED显示技术需要不断刷新屏幕来显示图像，电子纸的功耗是非常低的，可以广泛的应用在电子标签等需要低功耗显示的场合中[1-5]。另外电子纸无需背光源，本身也不发光，和普通纸张一样通过反射环境光来显示，因此电子纸的显示效果最接近纸张，对眼睛的辐射伤害也最小，有很好的阅读舒适度性，在阅读设备方面也有广泛的应用前景，市场上也已有多款基于电子纸的智能显示设备和手持阅读器[6-8]。

目前评价电子纸显示器优劣的方法，除了像普通平板显示器一样标定像素坏点数量外，还会通过反射率检测仪来测定电子纸的反射率[9]，不过反射率检测仪一般是用来测量油漆、涂料的表面反射率或涂层覆盖率的，并不是针对电子纸专门设计的测试仪器。另外，电子纸灰度变化的动态过程对于优化驱动波形和分析油墨粒子特性都有重要意义，而目前也没有简便的检测方法。为解决这些问题，本文基于STM32单片机设计了一种针对电子纸显示灰度的检测系统，包括电子纸静态显示灰度的量化检测及电子纸显示灰度动态变化的过程检测。

1 显示检测方案

目前电子纸按显示原理分主要有微胶囊电泳、电子粉流和电湿润显示技术等，其中以E-ink公司的微胶囊电泳技术最为成熟。现在市场上的大部分电子纸产品都是基于这种技术，本文也是以这种技术进行检测系统的设计，如图1所示。这种电子纸内部是由微胶囊构成的。每个微胶囊都包含一定数量的二氧化钛粒子和炭黑粒子，其中二氧化钛粒子是白色的，经工艺处理后表面带负电，炭黑粒子是黑色的，经处理后表面带正电，在没有外加电场的情况下，白色和黑色粒子均匀分布在微胶囊内的胶体悬浮液中。电子纸两侧电极加上电场后，微胶囊中带电粒子会分别向两极移动，电子纸表面的公共ITO电极是透明的，会显示出聚集到ITO电极附近的粒子颜色。控制电场施加的时间可以使电子纸呈现出不同的灰阶[10]。

根据电子纸中黑色粒子和白色粒子对光的吸收率和反射率不同，设计了图2所示的电子纸灰度检测系统，在一个封闭的黑色腔体内放置一颗白色发光LED和一枚光敏传感器，两者之间放置隔光板，腔体开出孔洞用于放置被检测的电子纸，检测时LED发出的光通过电子纸表面反射到光敏传感器，AD转换器将光敏传感器的模拟量变化转换为数字信号发送给STM32，STM32再将采集的数据处理后通过显示模块显示出来，同时将数据发送给上位机做进一步的处理。

图2 电子纸灰度检测系统原理图

2 检测系统设计方案

2.1 STM32处理器

STM32是意法半导体推出的基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，按性能分有STM32F101“基本型”，STM32F103“增强型”和STM32F105、STM32F107“互联型”等系列，基于本系统的检测要求采用STM32F103CBT6系列芯片，时钟频率72 MHz，具有32个I/O，2个12位AD采样通道，最高采样频率1 MHz，处理性能和外设资源都足以满足系统的设计要求。

2.2 AD采样方案

目前市场上已有的电子纸产品，在屏幕刷新的时候一般都会伴有闪屏，就是屏幕先全黑再全白，然后再显示对应的灰度图像，虽然变化速度很快，但是眼睛还会感觉的到，为了检测这一动态过程，AD采样频率设置为10 kHz，即每隔0.1 ms对光敏传感器输出的模拟量采样一次，这样可以完整的记录电子纸灰度的动态变化过程，通过分析这一动态过程，可以观察油墨粒子的运动情况和响应速度，还可以还原电子纸在刷屏时的驱动波形，这对优化电子纸的驱动波形和油墨粒子性能都有很大的参考价值。

常见的AD转换芯片一般用在多通道高速采样场合，而本文的检测系统只需采集一个光敏传感器的模拟量，是单通道采样，所使用的STM32F103系列芯片内置2路12位的AD采样通道，采样速度和精度也都足以满足系统检测要求，因此设计采用STM32F103芯片内置的AD转换器对光敏传感器输出的模拟量进行采样。

2.3 光敏传感器

光敏传感器根据输入输出信号量的关系可以分为线性和非线性，根据工作原理和结构来分有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。

光敏电阻一般采用具有内光电效应的半导体材料制作，在光照的作用下材料的阻值明显变小，这种现象称为光导电效应。在光敏电阻两端加上电压，受到适当波长的光线照射时，通过光敏电阻的电流就会随光强的变化而变化，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，是纯电阻器件，使用时既可加直流电，也可以加交流电。其特点是容易受环境温度影响，强光下线性度较差，光电驰豫过程较长，不适合用在光照强度快速变化的场合[11]。

光敏二极管外形与普通二极管相似，但制作工艺不同，其管芯是一个具有光敏特性的PN结，工作时需加上反向电压，无光照时，有很小的反向暗电流，当有光照时，携带能量的光子进入PN结，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键而产生电子空穴对，也叫光生载流子，载流子在反向电压作用下向电极移动而产生电流，光的强度越大，产生的载流子越多，反向光电流也就越大，因此输出了一个随光照强度的变化而变化的电流信号。光敏二极管的特点是频率响应特性好，对光照强度变化可以瞬时响应，在一定光强范围内还具有良好的线性输出，用不同材料制作的光敏极管可以具有不同的光谱特性[12]。

光敏三极管又称光电三极管，可以等效为一个光敏二极管和一个半导体三极管放大输出，相对于普通光敏二极管，光敏三极管对弱光更为敏感，若光强稍大则容易达到饱和状态，所以输出电流的线性度较差，一般用在弱光环境或灵敏度要求高的场合输出开关信号量[13]。

电子纸的灰度检测范围包括反射率较大的白色和反射率较低的黑色，光敏传感器接收的反射光强变化范围较大，需要光敏传感器在大范围光强变化时有良好的线性输出，另外，进行电子纸显示灰度动态变化的过程检测时光强变化速度较快，这就要求光敏传感器要有良好的频率响应特性，经测试三种光敏传感器，发现光敏二极管的输出信号在电子纸灰度变化范围内有良好的线性度，频率响应也足以满足对电子纸灰度动态变化的检测要求，所以采用光敏二极管作为检测系统的光敏传感器。

除了以上各个模块，为了保证系统稳定运行还有给系统供电的电源模块，调试系统和给系统编程的JTAG模块，以及显示检测数值的数码管显示模块等，在进行电子纸显示灰度的动态检测时，会把数据通过串口发送给上位机做进一步的处理。检测系统的硬件结构图如图3所示。

图3 电子纸灰度检测系统硬件结构图

3 检测系统测试

3.1 电子纸灰度量化检测

为测试检测系统，购买了市场上某品牌的电子纸阅读器进行测试，该电子纸阅读器的图像可以实现16个灰阶显示，不仅可以显示阅读文本，也可以显示各种图片。根据国际标准色卡的16进制代码，制作了16个灰阶的图像下载到阅读器中，然后依次显示检测。采用国际标准色卡的黑白比色卡实物作为对照标准，将光敏传感器测量的白色比色卡作为灰度的最小值Gmin，将黑色比色卡测量值作为灰度的最大值Gmax，再测量电子纸显示的不同灰阶的值Gx，然后与Gmin、Gmax计算得出电子纸显示灰阶的灰度百分比G，可简称为灰度比，计算公式如下：

对电子纸显示的16阶灰度的图像进行测量，得出了不同灰度图像的灰度比，如表1所示。由表1可以看到，设计的检测系统能够很好的区分电子纸阅读器显示的各个灰度，并能够对每个灰度给出对应的量化数值，同时也可以看出，电子纸阅读器显示的最黑的灰阶的灰度比为91.6，与标准比色卡的黑色相差不到10%，显示的最白的灰阶的灰度比为13.5，相对而言与标准比色卡的白色相差较大。说明电子纸显示的黑色更接近标准比色卡的黑色，而电子纸显示的白色和标准比色卡的白色差距略大，因此电子纸在显示白色灰阶时还有较大的优化空间使其显示的更白。

表1 电子纸显示16阶灰度的灰度比

所显示的灰度

3.2 电子纸灰度动态变化的过程检测

在电子纸阅读器刷新图像时，可以感觉到屏幕的闪烁现象。电子纸灰度的动态变化过程，实际是电子纸驱动电压的变化导致微胶囊内油墨粒子运动状态的变化，对电子纸灰度动态变化过程的检测，不仅可以观察电子纸微胶囊内黑白粒子的分布情况，还可以反映电子纸在刷新屏幕时驱动波形的情况。通过分析电子纸刷新屏幕时微胶囊内黑白粒子的运动和分布情况，可以优化驱动波形，也可以有针对性的优化微胶囊内黑白粒子的配比和粒子尺寸等，对于优化电子纸的高对比度和低功耗显示效果都有重要的参考价值。

图4给出了电子纸阅读器在刷新屏幕时灰度比的动态变化情况。图4（a）是从白色灰阶分别刷新显示黑白灰色灰阶时灰度比的变化曲线，图4（b）是从黑色灰阶分别刷新显示黑白灰色灰阶时灰度比的变化曲线。可以看到在屏幕刷新时电子纸都会先经历变白变黑再变白的过程，然后才显示对应的灰阶。通过分析灰度比的动态变化曲线，也可以描绘出电子纸屏幕刷新时驱动电压的变化情况。

电子纸显示的灰阶图像是由每个微胶囊像素电极的电压(-15～15 V)决定的。像素电极加负电压时吸附带正电的炭黑粒子，排斥带负电的二氧化钛粒子，使得白色的二氧化钛粒子向顶部的公共电极运动，电子纸就呈现出白色；像素电极加正电压时则吸附带负电的二氧化钛粒子，排斥炭黑粒子，炭黑粒子聚集在顶部的透明电极附近，电子纸就呈现出黑色[14,15]。如图5所示，Te时加负电压使电子纸变白，其作用是擦除之前显示的图像；Ta阶段先加正电压再加负电压，电子纸会变黑再变白形成闪烁现象，作用是激活微胶囊内的油墨粒子；在Tw阶段控制像素电极加正电压的时间可使电子纸呈现出不同的灰度。本文设计的电子纸灰度检测系统，可以更好观察与分析这一动态过程。

图4 电子纸阅读器灰度比动态曲线

图5 电子纸驱动波形示意图

4 结束语

本文基于STM32设计了一种针对电子纸显示灰度检测系统，包括电子纸静态显示灰度的量化检测，以及电子纸显示灰度动态变化的过程检测。通过分析比较各种光敏传感器的原理和特性，采用具有良好线性度和频率响应特性的光敏二极管作为检测系统的光敏元件。通过STM32对光敏二极管进行AD采样，然后计算得出电子纸显示的各个灰阶的灰度比。经测试，该检测系统能够很好的区分电子纸阅读器显示的各个灰度，并能够对每个灰度给出对应的灰度比数值。过程检测功能也能够很好的记录电子纸显示灰度的动态变化情况，通过分析刷新屏幕时灰度比的动态变化曲线，可以直观的反应电子纸电子纸驱动电压变化情况，以及微胶囊内油墨粒子的分布情况。经过测试，本文设计的灰度检测系统可以准确高效的测量电子纸显示的灰度等级和灰度动态变化情况，这不仅可以方便的分析与优化电子纸的驱动波形和刷新速度，对于分析微胶囊中黑白粒子的运动状态和优化粒子配比等也有重要的参考意义。

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Design of electronic paper’s grayscale detection system based on STM32

GUO Hui，YU Shi-gan，LI Lin-guo
（College of Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui,236041,China）

As electronic paper features low power consumption and good display effects,it has been extensively applied in hand-held reading equipment,smart tag and other fields.There are many kinds of electronic paper devices,but no uniform quantization standard for the gray level displays,besides,there`s not a convenient method to measure the dynamic change of the gray level of electronic paper.In this paper,a set of electronic paper display grayscale detection system has been designed based on MCU STM32,the system can not only be used to quantify the gray level displayed by the electronic paper,but also accurately record the dynamic changes of the gray level displaying.After a scientific testing,the system is stable and reliable,which can accurately measure the grayscale displayed by electronic paper.

electronic paper;grayscale;STM32;detection system

TP368.1

A

1004-4329（2017）03-059-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）03-059-05

2017-04-23

安徽高校自然科学研究项目重点项目（KJ2017A837，KJ2017A838）；阜阳师范学院自然科学研究项目（2015FXXZK02）资助。

郭 辉（1987- ），男，硕士，助教，研究方向：智能化仪器仪表。