Электронная бумага: пишем драйвер методом научного тыка | Новейшие достижения науки в области, информационных технологий

В предыдущей статье я рассказывал, как я затарился электроннобумажными дисплеями и даже сделал для них блок питания.

Наконец, пришли заказанные для них печатные платы и теперь можно заняться программным обеспечением. То, что описано ниже, касается только ED060SC4(LF) или LB060S01-RD02. Отличие в названии на одну букву, даже ту, что в скобке — и работать ничего не будет. Когда я задумал это безнадежное занятие, мне казалось, что я нашел кучу информации и исходников, и запустить этот дисплей проблемой не будет, несмотря на очень убогие спецификации от производителей. Не тут-то было, в каких-то местах описание оказалось на дисплей, название которого отличалась на одну букву, а в других — алгоритм просто не работал. В наше время верить нельзя никому, даже самому себе. Мне — можно.

В целях природы обуздания,

В целях рассеять неученья

Тьму

Берём картину мироздания – да!

И тупо смотрим, что к чему…

Целых два дня я тупо перебирал очередность разных сигналов и задержки между ними, не зная, жив ли еще дисплей. Не было даже намеков на появившуюся точку. И в один прекрасный момент — вуаля! — получите целую линию мусора. Всё, больше ничего и не надо, все остальное, дело техники, теперь он никуда не денется.

Теперь расскажу, как все-таки удалось запустить это чудо. На истину в последней инстанции я не претендую, как заработало — так и опишу.

Для прорисовки экрана нужны следующие сигналы — сначала начало кадра, потом 600 строк, каждая имеет старт, потом данные и стоп. Завершается все концом кадра. За один пиксель отвечает два бита, комбинация 01 — черный цвет, 10 — белый, остальные — без изменения.

Таким образом, для одной строки из 800 пикселей нужно передать 200 байт.

Схема простая — источник питания, описанный в прошлой статье, STM32F103C8 для управления дисплеем и ESP32 на все про все, но пока его не используем.

Ардуним для начала — определяем макросы, которые будут управлять сигналами.

Нажми меня

// ****************************************************

// power control

// en positive PB6

// en negative PB7

// en VDD      PB8

//

#define INIT_POWER GPIOB->regs->CRL  &=  0x00FFFFFF;

                   GPIOB->regs->CRL  |=  0x11000000;

                   GPIOB->regs->CRH  &=  0xFFFFFFF0;

                   GPIOB->regs->CRH  |=  0x00000001;

                   GPIOB->regs->BRR  = 0x01C0;                 

#define PWR_VDD_ON  GPIOB->regs->BSRR = 0x0100;

#define PWR_VDD_OFF GPIOB->regs->BRR = 0x0100;

#define PWR_POS_ON  GPIOB->regs->BSRR = 0x0040;

#define PWR_POS_OFF GPIOB->regs->BRR = 0x0040;

#define PWR_NEG_ON  GPIOB->regs->BSRR = 0x0080;

#define PWR_NEG_OFF GPIOB->regs->BRR = 0x0080;

#define PWR_ALL_ON  GPIOB->regs->BSRR = 0x01C0;

#define PWR_ALL_OFF GPIOB->regs->BRR = 0x01C0;

// ****************************************************

// SPV and SPH high, and all other pins low

  // data

  #define DATA_PORT  GPIOA

  // CL  LE OE CPH GMODE SPV CKV

  // CL PB9

  #define CL_PORT  GPIOB  

  #define CL_PIN   9  

  // LE PC13  

  #define LE_PORT  GPIOC  

  #define LE_PIN   13  

  // OE PC14  

  #define OE_PORT  GPIOC  

  #define OE_PIN   14  

  // CPH PC15  

  #define CPH_PORT  GPIOC  

  #define CPH_PIN   15  

  // GMODE PB0  

  #define GMODE_PORT  GPIOB  

  #define GMODE_PIN   0  

  // CKV PCB2  

  #define CKV_PORT  GPIOB  

  #define CKV_PIN   2  

  // SPV PB1  

  #define SPV_PORT  GPIOB  

  #define SPV_PIN   1  

// DATA

// PC0...PC7

// PA0...PA7

#define INIT_DATA  DATA_PORT->regs->CRL  = 0x33333333; DATA_PORT->regs->BRR  = 0xFF;  

#define INIT_CL    CL_PORT->regs->CRH &= ~(0xF << ((CL_PIN &0x7)<<2)); CL_PORT->regs->CRH |= 0x3 << ((CL_PIN &0x7)<<2);

#define CL_IDLE    CL_PORT->regs->BRR  = 1<<CL_PIN;  // reset

#define CL_ACTIVE  CL_PORT->regs->BSRR = 1<<CL_PIN;  // set



#define INIT_LE    LE_PORT->regs->CRH &= ~(0xF << ((LE_PIN &0x7)<<2)); LE_PORT->regs->CRH |= 0x3 << ((LE_PIN &0x7)<<2);

#define LE_IDLE    LE_PORT->regs->BRR  = 1<<LE_PIN;  // reset

#define LE_ACTIVE  LE_PORT->regs->BSRR = 1<<LE_PIN;  // set



#define INIT_GMODE    GMODE_PORT->regs->CRL &= ~(0xF << ((GMODE_PIN &0x7)<<2)); GMODE_PORT->regs->CRL |= 0x3 << ((GMODE_PIN &0x7)<<2);

#define GMODE_IDLE    GMODE_PORT->regs->BRR  = 1<<GMODE_PIN;  // reset

#define GMODE_ACTIVE  GMODE_PORT->regs->BSRR = 1<<GMODE_PIN;  // set

#define INIT_CKV    CKV_PORT->regs->CRL &= ~(0xF << ((CKV_PIN &0x7)<<2)); CKV_PORT->regs->CRL |= 0x3 << ((CKV_PIN &0x7)<<2);

#define CKV_IDLE    CKV_PORT->regs->BRR  = 1<<CKV_PIN;  // reset

#define CKV_ACTIVE  CKV_PORT->regs->BSRR = 1<<CKV_PIN;  // set

#define INIT_SPV    SPV_PORT->regs->CRL &= ~(0xF << ((SPV_PIN &0x7)<<2)); SPV_PORT->regs->CRL |= 0x3 << ((SPV_PIN &0x7)<<2);

#define SPV_IDLE    SPV_PORT->regs->BRR  = 1<<SPV_PIN;  // reset

#define SPV_ACTIVE  SPV_PORT->regs->BSRR = 1<<SPV_PIN;  // set



#define INIT_OE    OE_PORT->regs->CRH &= ~(0xF << ((OE_PIN &0x7)<<2)); OE_PORT->regs->CRH |= 0x3 << ((OE_PIN &0x7)<<2);

#define OE_IDLE    OE_PORT->regs->BRR  = 1<<OE_PIN;  // reset

#define OE_ACTIVE  OE_PORT->regs->BSRR = 1<<OE_PIN;  // set

#define INIT_CPH    CPH_PORT->regs->CRH &= ~(0xF << ((CPH_PIN &0x7)<<2)); CPH_PORT->regs->CRH |= 0x3 << ((CPH_PIN &0x7)<<2);

#define CPH_IDLE    CPH_PORT->regs->BRR  = 1<<CPH_PIN;  // reset

#define CPH_ACTIVE  CPH_PORT->regs->BSRR = 1<<CPH_PIN;  // set



void Vclock()

{

  CKV_ACTIVE

  CKV_IDLE    

}

void Hclock()

{

  CL_ACTIVE

  CL_IDLE    

}

void PowerOn(void)

{

  PWR_VDD_ON

  delay(30);     

  PWR_NEG_ON

  delay(5);     

  PWR_POS_ON  

}

void PowerOff(void)

{

  PWR_POS_OFF    

  delay(5);     

  PWR_NEG_OFF

  delay(5);     

  PWR_VDD_OFF

}

Ведь правду говорят — ардуино это для совсем отстойных, которым лень думать и документацию читать.

Старт кадра выглядит так:

и код:

void start_frame()

{

  GMODE_ACTIVE

  delay_us(1);

  CKV_ACTIVE

  delay_us(1);

  SPV_IDLE 

  delay_us(1);

  CKV_IDLE  

  delay_us(1);

  CKV_ACTIVE

  delay_us(1);

  SPV_ACTIVE

  delay_us(1);

}

Потом передаем 600 строк, каждая начинается так:

Уж все безумно просто:

void start_row()

{

  CPH_IDLE

}

Завершение строки очень критично, чуть что не так — и никакого изображения не будет:

Код, соответственно:

void stop_row()

{

  CPH_ACTIVE

  CKV_IDLE  

  Hclock();

  CKV_ACTIVE  

  OE_IDLE

  delay_us(2);  

  OE_ACTIVE  

  LE_ACTIVE

  LE_IDLE  

}

И завершаем кадр:

Котд:

void end_frame()

{

GMODE_IDLE

delay_us(1);

Vclock();

}

Все вместе образует вот такое безобразие:

И, наконец, тестовый код:

Нажми, если хочешь

<code>uint8_t data;



void setup()

{

  INIT_POWER

  GPIOB->regs->CRH  &=  0xFFFFF0FF;    //pinMode(PB10, OUTPUT); 2MHz

  GPIOB->regs->CRH  |=  0x00000200;  

  // USB pin open drain

  GPIOA->regs->CRH  &=  0xFFFFF0FFF;

  GPIOA->regs->CRH  |=  0x000000600;  

  GPIOA->regs->BRR = 1<<10;   // digitalWrite(PA10,0);     

  delay(100);

  GPIOA->regs->BSRR = 1<<10;   // digitalWrite(PA10,1);   

  Serial.begin();

  Serial.println("E-paper test");



  INIT_DATA

  INIT_CL

  CL_IDLE

  INIT_GMODE

  GMODE_IDLE

  INIT_CKV

  CKV_IDLE 

  INIT_SPV

  SPV_ACTIVE 

  INIT_OE

  OE_IDLE

  INIT_CPH

  CPH_ACTIVE

  INIT_LE

  LE_IDLE  

  data=0xaa;

}



void loop() 

{

  uint8_t tdata;

  GPIOB->regs->BSRR  = 1<<10;  // LED on

  PowerOn();

  delay(100);  

 

  for (uint16_t k=0; k<6; k++)

  {

    static bool even=false;

    start_frame();

    // write frame

    for (uint16_t i=0; i<600; i++)

    {

      // wrire row

      if (even) tdata = data;  

      else      tdata = ~data;    

      if((i & 0x3f)==0) even = !even;

      start_row();

      //data = 0;   

      for (uint16_t j=0; j<200; j++)

      {

        if((j & 0x0f)==0) tdata = ~tdata;

        DATA_PORT->regs->BRR  = 0xFF;  

        DATA_PORT->regs->BSRR  = tdata;  

        Hclock();      

      }

      stop_row();

    }

  }

  data = ~data;

  

  end_frame();

  delay(10);  

  PowerOff();

  GPIOB->regs->BRR  = 1<<10;  // LED off

  delay(2000);  

}

Извиняйте, если уж сильно тривиально все выглядит. Если бы мне все это кто-то рассказал до того, как я эту возню затеял…

Может, кому другому поможет.

А это то, что этот тест делает — рисует шахматную доску. Смотрим скорость обновления — получается более, чем достойно, судите сами:

За один цикл прорисовки черные точки получить не удастся, получаются серые. У меня для получения черного цвета нужно повторить передачу кадра раз 6 — для пущей надежности я передаю его 8 раз.

В реальном устройстве присутствует lookup table, где хранятся данные о длительностях сигналов в зависимости от температуры и интенсивности черного. Почему-то производители сделали большой секрет из этих данных, поэтому имеем то, что имеем. У реального контроллера дисплея куча памяти, где он хранит изображение и следующее формируется в зависимости от предыдущего — не нужно полностью стирать изображение и потом рисовать все по новой — обновление происходит с учетом текущего состояния, поэтому его можно выполнить быстрее. Но оперативной памяти нужно много — ведь у экрана 480 000 пикселей.

По схеме видно, что микроконтроллер у меня дохленький, у него всего 20К ОЗУ и 64К флеш.

Но я использую буфер длиной всего 200 байт, и каждую строку просчитываю перед выводом.

Что-то подобное я использовал много лет назад, когда делал полетный контроллер для игрушечного самолетика и выводил изображение поверх картинки с видеокамеры — там, если склероз не подводит, вообще у контроллера было 4К ОЗУ. И сделано было еще интереснее — пока контроллер прямого доступа выбрасывал одну строку, процессор просчитывал следующую. В итоге использовалось 4 буфера — два для белого и 2 для черного.

Это было небольшое отступление. В реальных дисплеях производители обычно используют 16 градаций серого, но у любителей получается и 32 использовать.

Но мне это не надо, двух уровней черного для моих целей достаточно и я легко это сделаю использованием количества перезаписываний кадра.

Алгоритм с многократной перезаписью кадра выглядит убого, если у кто знает, как сделать лучше — пожалуйста, напишите в комментариях. Моя благодарность не будет иметь границ (в разумных пределах).

Следующим шагом будет добыча погоды из интернета и формирование полного кадра, но для этого будет использоваться ESP32, а STM32 будет играть роль тупого драйвера. Печатную плату тоже планирую переделать — контрольные точки уже не нужны, зато надо добавить управление питанием, планируется использовать литиевый аккумулятор. Нужно добавить зарядку и позаботиться о уменьшении потребления энергии устройством.

А пока можно немного размяться и с STM32:

С ESP32 тоже не все так просто — при попытке выделить массив под кадр больше 96К, линкер отказывается работать, заявляя что все, памяти у него для вас больше нет. А где же ваши хваленые 320K Data RAM? При попытке выбросить SPI пакет, непрерывного потока не получается — после каждых 64 байта, кажется, идет разрыв несколько микросекунд. Но кому сейчас легко — будем бороться.

Небольшое скакание по исходникам показало, что посылка действительно разбивается, и это происходит в HAL — наверно, разработчики контроллера имели какую-то причину? Или они просто злобные Буратины, вся цель жизни которых — нагадить мне?

Дополнительная информация

void spiWriteNL(spi_t * spi, const void * data_in, uint32_t len){

    if(!spi) {

        return;

    }

    size_t longs = len >> 2;

    if(len & 3){

        longs++;

    }

    uint32_t * data = (uint32_t*)data_in;

    size_t c_len = 0, c_longs = 0;

    while(len){

        c_len = (len>64)?64:len;

        c_longs = (longs > 16)?16:longs;

        spi->dev->mosi_dlen.usr_mosi_dbitlen = (c_len*8)-1;

#if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S2 || CONFIG_IDF_TARGET_ESP32

    spi->dev->miso_dlen.usr_miso_dbitlen = 0;

#endif

        for (size_t i=0; i<c_longs; i++) {

            spi->dev->data_buf[i] = data[i];

        }

#if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C3 || CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S3

        spi->dev->cmd.update = 1;

        while (spi->dev->cmd.update);

#endif

        spi->dev->cmd.usr = 1;

        while(spi->dev->cmd.usr);

        data += c_longs;

        longs -= c_longs;

        len -= c_len;

    }

}

Библиотеку можно подправить, но при первом же обновлении мои правки накроются медным тазом. Пусть будет, как есть — не особо мешает.

Еще вариант — поставить дополнительную SPI RAM к дохленькому контоллеру. Где ее купить недорого — пока не нашел. А ставить мощный контроллер в качестве драйвера не особо хочется — у них и цена кусается, и слишком много ног, одни проблемы с пайкой.

RP2040 с его 264KB SRAM и программируемыми выводами выглядит хорошо, только там SRAM сегментирована по 64KB — опяь могут быть проблемы с буфером кадра. И кушать много изволит в спящем режиме. Что-то душа к нему не лежит. Короче, куда не кинь — везде клин, нет в жизни счастья 🙂

Гда брать погоду — еще одна проблема. Меньше всего ограничений у open-meteo.com, но они, как настоящие джентельмены, меняют правила по ходу игры. А поначалу смотрелось неплохо — регистрация не нужна, информацию можно брать по максимуму и безо всяких ограничений на запросы. Прогноз, надо сказать, не особо точный и еще и глюки имеются — как-то за окном шел дождь, а они на осадки на текущий день прогнозировали отрицательную величину. Интересно, это как?

Наверно, самый популярный сайт — это openweathermap.org, но они очень хотят денег и всячески затрудняют жизнь халявщиков. И необходимость регистрации и ограничение на запросы не радуют, хотя ограничения на запросы вполне разумные. Но информации open-meteo дает больше, хоть и неправильной.

Dark Sky куплена Apple, так что ловить там уже нечего.

Первые тесты выглядят так (прогноз с open-meteo):

Пока статья писалась — и новая схема поспела, можете покритиковать при желании, только не сильно:

Антенна оказалась рядом с металлом дисплея. Он весь покрыт металлом, а плата будет к нему приклеена.

Когда коту делать нечего — он платы разводит. Переделываем все так, чтобы антенна выступала из-за экрана:

Почему эта статья не на Хабре? Причин много — во-первых, там все рисуют какого-то бегемота в колпачке, а я даже не знаю, откуда он взялся, неудобно как-то.

Кроме того, там какие-то страшные джуны, мидлы и тимлиды проходят интервью и получают оферы. Может, это больно?

На английском, было дело, я наваял кучку сайтов, доверившись Гуглу и его репутации — через какое-то время их прихлопнули. Больше не хочется время терять.

А здесь хоть плюсик поставят 🙂 — уже видно, что не зря старался.

В комментариях часто здравую идею подскажут — тоже польза.

Ну и писать на английском — это все-таки труд, а на русском — развлечение. Графоманы подтвердят.

Кстати, анонс — Марио таки ограбил банк, так что впереди много интересного.