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電子墨水屏標簽:低功耗處理器技術
來源:WiMi-net | 作者:微網高通 | 發布時間: 2022-09-23 | 44 次瀏覽 | 分享到:
電子墨水屏標簽應用中低功耗處理器技術


電子墨水屏是近些年由臺灣 eInk公司發展起來的一種超低功耗的數字顯示技術,不同于傳統的LCD,LED等主動發光的電子屏幕技術,墨水屏是一種被動式發光技術,這種屏幕僅在畫面刷新過程中消耗很低的電流,在刷新完成之后屏幕完全不需要電力供應,可以實現零功耗?;谶@個原理,電子價簽的整體功耗很低,通常單個價簽只需要安裝兩節CR2032的紐扣電池就可以工作3-5年時間,大大的方便了該系統的安裝,運行和維護。目前電子價簽已經從商超零售行業逐步向教育,電子醫療,倉儲物流,會議桌牌等領域快速推廣,在智能制造的工業領域已經有很大的增長。

工業場所對于產品的穩定性,可靠性和電池壽命要求很高,因此工業級的電子墨水屏產品需要在每一個環節做出非常嚴格的設計。

那么WiMi-net微網高通在產品設計之初是如何選擇CPU處理器的?

WiMi-net微網高通電子墨水屏是主要由CPU處理器,射頻芯片和墨水顯示屏這三個部分組成(如下圖所示)。在休眠狀態下,墨水顯示屏的電源是被關閉的,因此此時的系統耗電只有兩個部分,分別是CPU處理器和射頻芯片。為了盡可能延長電池的待機時間,就需要選擇一款超低功耗的處理器和射頻芯片。

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一款壽命長的電子墨水屏標簽應該如何選擇CPU處理器呢?


功耗低

目前在低功耗的CPU處理器領域,美國 Silicon Labs是一個重要的廠家,其 EFM32 系列的處理器擁有遠超同行的低功耗特性。

2022.9.22--EFM32的低功耗對比圖.png



該處理器從設計定位上就是能量友好型的,和業界同行相比,其技術指標十分優秀,休眠電流 <1μA,喚醒時間 2 μs,運行功耗114 μA/MHz,有效減少了信息處理的時間,這些技術指標剛好就是電子價簽產品需要關注的幾個核心指標。

除了上面關于CPU處理器的核心指標之外,相比ST、Atmel、freescale、德州儀器TI、MICROCHIP這些廠家,Silicon Labs還有一些其他的更進一步的低功耗指標,可以參考下圖:

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因此在電子墨水屏標簽的處理器的選擇上,WiMi-net微網高通選擇了Silicon Labs的低功耗32位處理器。


Flash+RAM容量大

Silicon Labs的低功耗處理器不僅功耗低,而且該廠家的處理器的Flash和RAM容量也非常適合墨水屏電子標簽的遠程無線升級和圖片處理的需求。采用 128KB 的 Flash 容量 + 16KB 的 RAM 容量的低成本處理器型號,足以運行一個支持OTA無線升級功能的

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該圖是電子墨水屏標簽的整體軟件功能架構圖。從軟件功能上主要是分為兩個部分,一個部分是無線通訊的協議棧部分(左側的藍色部分),另外一個部分是墨水屏的驅動部分(右側的黃色部分)。無線通訊的協議棧部分有計算密集型的 TCP算法以及純軟件實現的 MAC層,對于處理器而言,需要比較高的指令開銷;在墨水屏驅動部分,同樣有類似于 WinRAR功能的解壓縮算法(Volume decompressor)以及 BMP圖像解碼(BMP File Parser)等密集的計算需求,不過這對于一款高性能的 32位ARM 處理器而言,都是可以輕松勝任的。

目前市面很多的墨水屏都是基于8051單片機實現的,其 Flash 容量通常不超過 64KB,RAM 大小不超過 4KB, 8位的內部數據總線,指令效率也比較低;硬件上較低的配置限制了很多實用性功能的技術實現,比如支持遠程固件升級的OTA(Over The Air)技術;支持大尺寸屏幕的 TCP 傳輸技術,還有加快傳輸速度的文件實時解壓縮技術;支持圖片尺寸自適應的 BMP文件格式解析技術等等。沒有了這些高級技術特性的加持,墨水屏的整體性能,比如通訊距離,傳輸實時性,可靠性,電池壽命等核心指標難以獲得實質性的提升。

需要額外補充的是,32位的 ARM 處理器通常具有較多外部通訊接口,比如 SPI 和 UART。前者可以給墨水屏的模組提供獨立的,非共享的高速硬總線,相比于軟件模擬的寫入時序,基于純硬件實現的總線可以將寫入速度提高3.8倍以上,進一步降低畫面顯示時間和系統的電池消耗,還可以降低屏幕的總線電容以及寄生靜電效應;實際上采用某些特定IC驅動的13.3吋屏幕會要求獨立總線,否則長時間運行會卡死總線。

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多余的 UART 端口則可通過零成本的接口方式連接外部轉接板,在Windows平臺運行應用軟件,可以實現對于墨水屏的參數配置,比如網絡ID和產品密鑰的修改。

支持ADC功能

電子墨水屏的一個基本功能需求就是持續的檢測電池的電壓,以此來判斷電池是否有足夠的電量支持系統繼續運行,WiMi-net微網高通是采用CPU處理器內置的ADC來實現該功能,通常情況下,12位的精度就足夠了;另外為了給系統的穩定性做最后的兜底措施,硬件看門狗也是一個必須的選項。


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綜上所述,一款32的超低功耗 ARM 處理器在電子墨水屏標簽的功能實現上,可以獲得比 8051 處理器更低的功耗,更強大的功能,更好的圖片適應性和更好的可管理性,是一個比較不錯的選擇。

   

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