科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
本內(nèi)容來(lái)源于@什么值得買(mǎi)APP，觀點(diǎn)僅代表作者本人｜作者：BigBubbleGum逛閑魚(yú)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這樣一種墨水屏——電子價(jià)簽，大家在盒馬、7Fresh、小米之家等互聯(lián)網(wǎng)線下店里面應(yīng)該見(jiàn)到過(guò)，用電子價(jià)簽替代傳統(tǒng)的紙質(zhì)價(jià)簽，可以統(tǒng)一管理顯示價(jià)
本內(nèi)容來(lái)源于@什么值得買(mǎi)APP，觀點(diǎn)僅代表作者本人 ｜作者：BigBubbleGum
逛閑魚(yú)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這樣一種墨水屏——電子價(jià)簽，大家在盒馬、7Fresh、小米之家等互聯(lián)網(wǎng)線下店里面應(yīng)該見(jiàn)到過(guò)，用電子價(jià)簽替代傳統(tǒng)的紙質(zhì)價(jià)簽，可以統(tǒng)一管理顯示價(jià)簽內(nèi)容，并給消費(fèi)者營(yíng)造出一種科技感、高端感。
常見(jiàn)的價(jià)簽尺寸有 2.13 寸、2.9 寸和 4.2 寸，海鮮市場(chǎng)上價(jià)格分別為幾塊錢(qián)、十幾塊錢(qián)和二三十塊錢(qián)。電子價(jià)簽個(gè)人是沒(méi)法直接更改其顯示內(nèi)容的，需要有專(zhuān)門(mén)的基站才能改寫(xiě)。電子價(jià)簽的內(nèi)部就是單片機(jī)驅(qū)動(dòng)板+電子墨水屏，于是我研究了下如何讓這塊墨水屏顯示自定義圖案。
內(nèi)容比較多，我將分為上下兩篇，本文將介紹下電子墨水屏的工作原理、價(jià)簽拆解、各種硬件驅(qū)動(dòng)方案。下一篇將介紹墨水屏驅(qū)動(dòng)板故障排除、通訊協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)的內(nèi)容。
我也是從零開(kāi)始接觸的電子墨水屏，各種 QQ 群潛水、論壇找資料，學(xué)習(xí)途中遇到了不少坑，相信這將是你能找到最詳細(xì)的電子價(jià)簽 DIY 攻略。
一、電子墨水屏簡(jiǎn)介
電子墨水屏也叫電子紙，常見(jiàn)的電子紙采用“微膠囊電泳顯示”技術(shù)（EPD）。其基本原理是懸浮在液體中的帶電納米粒子受到電場(chǎng)作用而產(chǎn)生遷移。電子墨水涂布在一層塑料薄膜上，再貼覆上薄膜晶體管(TFT)電路，經(jīng)由驅(qū)動(dòng) IC 控制，形成像素圖形。
電子墨水由數(shù)百萬(wàn)個(gè)微膠囊所構(gòu)成，微膠囊的大小約等同于人類(lèi)頭發(fā)的直徑。每個(gè)微膠囊里含有電泳粒子──帶負(fù)電荷的白色以及帶正電荷的黑色粒子，懸浮于透明液體中。
利用正負(fù)相吸的原理，當(dāng)電場(chǎng)接通時(shí)，該區(qū)塊對(duì)應(yīng)的黑或白粒子會(huì)移動(dòng)至微膠囊的頂端，使用者在該區(qū)塊上，就能看見(jiàn)白色或黑色。
常見(jiàn)的電子紙是黑白色的，電子價(jià)簽還有一種三色電子墨水屏，系統(tǒng)運(yùn)作原理與雙色系統(tǒng)類(lèi)似，施加不同的電壓，使不同顏色的粒子移動(dòng)至上層，看見(jiàn)不同的顏色。
電子墨水屏易于閱讀：電子紙顯示屏是靠反射環(huán)境光來(lái)顯示圖案的，它具有紙張印刷般的效果；
輕薄靈活 ： 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單外，加上電子紙本身是基于柔軟的塑料薄膜的材料，造就了它天生柔韌、可彎曲的特點(diǎn)，可以根據(jù)需要任意裁切成各種形狀。
省電節(jié)能 ：當(dāng)顯示靜態(tài)圖像的時(shí)候，電子紙可以完全不耗電，就是即使斷開(kāi)所有電源，電子紙顯示器依然能夠保留最后一幅畫(huà)面。
比如下面這款應(yīng)用了電子紙技術(shù)的智能卡，就具備了顯示余額的功能。
還有這種 NFC 無(wú)源智能吊牌，可以通過(guò)手機(jī) NFC 刷新顯示內(nèi)容，可以用作電子「狗牌」、電子行李牌，放在店里展示收款二維碼，放在車(chē)上顯示挪車(chē)電話啥的。
二、價(jià)簽拆解
言歸正傳，首先來(lái)拆解這塊 2.13 寸的電子價(jià)簽，2.9 寸和 4.2 寸方法一樣。
價(jià)簽背面是電池倉(cāng)，可以用拆機(jī)撬棒撬開(kāi)，里面是兩枚 CR2450 鋰電池并聯(lián)。（不拆電池倉(cāng)不影響下面的步驟）
2.13 寸價(jià)簽的型號(hào)為 Stellar-M；2.9 寸型號(hào)為 Stellar-L；4.2 寸型號(hào)為 Stellar-XL。
價(jià)簽正面的塑料面板是膠水固定，無(wú)法無(wú)損拆解。
用刀片以四周邊緣為突破口，刀片插入部分后就能輕松撬開(kāi)整個(gè)面板。
過(guò)程一定要注意安全，千萬(wàn)小心別割到手指，血與淚的教訓(xùn)！
取下蓋板，就能掀開(kāi)墨水屏，主板是卡在塑料外殼中的，輕輕一撬就能取下。
2.9 寸/4.2 寸墨水屏與主板是插座連接，可以輕松取下；
2.13 寸墨水屏跟主板是粘在一起的，首先刮除表面白色軟膠，用 180 度熱風(fēng)槍?zhuān)ù碉L(fēng)機(jī)應(yīng)該也可以的）邊吹邊撕，別用力，就能取下屏幕。
2.9 寸/4.2 寸屏幕是 24P 的，2.13 寸屏幕是 34P，都是 2015 年產(chǎn)的。
最后看一下主板，左側(cè)為墨水屏驅(qū)動(dòng)電路，中間是一顆德州儀器的單片機(jī) MSP4302553，頂上有一顆兆易 SOP8 存儲(chǔ)器芯片 25VQ21BT，右側(cè)是 2.4G 射頻收發(fā)芯片 A7106，負(fù)責(zé)與基站通訊。
三、墨水屏驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)
1. 墨水屏驅(qū)動(dòng)原理
墨水屏內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器 IC，采用 COG 封裝， IC 厚度 300um，根據(jù) FPC（柔性電路板）寬度的不同，分為 24P 和 34P。墨水屏正面朝向自己，排線朝左邊，從上往下分別是引腳 1-24。
24P 墨水屏比較常見(jiàn)，一些驅(qū)動(dòng)板的排座也是 24P 的。
2.13 寸電子墨水屏的排線寬度是 34P 的，實(shí)際引腳數(shù)量是 26 個(gè)，裁剪時(shí)需要將上下兩個(gè)沒(méi)有連接的引腳一并減掉，就變成 24P 了。
電子價(jià)簽里面墨水屏絲印 HINK-E0213A04，跟大連佳顯公司（Good Display）的“ GDEH0213B73”屏幕型號(hào)一樣，可以在他們的網(wǎng)站上查詢(xún)到詳細(xì)的信息，或者去資料更齊全的微雪（Waveshare）家查看更多內(nèi)容。電子墨水屏通用驅(qū)動(dòng)電路如下。（24P 引腳定義和驅(qū)動(dòng)電路原理詳解放在下一篇）
單片機(jī)的話推薦使用 ESP8266 模塊，比較常用的是 12E 和 12F。網(wǎng)絡(luò)上有豐富的例程，使用 Arduino 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)單易上手。
ESP8266 模塊加上串口通訊電路和電源電路就是 NodeMCU 開(kāi)發(fā)板，直接用杜邦線連接墨水屏驅(qū)動(dòng)板就行。
墨水屏與單片機(jī)采用 SPI 協(xié)議通訊（原理見(jiàn)下一篇），墨水屏的 9-14 號(hào)引腳與單片機(jī)連接，加上 3V3 和 GND，需要使用 8p 的排線將墨水屏驅(qū)動(dòng)板和 NodeMCU 開(kāi)發(fā)板連接。
其中引腳 10 和引腳 12、13、14 這四個(gè)墨水屏引腳 ESP8266 的連接一般是固定的，不同人寫(xiě)的程序里面 BUSY 和 DC 引腳與 ESP8266 的連接會(huì)有不同，在燒錄程序的時(shí)候需要注意在源程序里面修改相關(guān)定義。
微雪家的墨水屏產(chǎn)品功能引腳定義如下表。
2. 24P、34P、上接、下接
剛接觸墨水屏?xí)r，被上接還是下接搞得比較迷糊，這里對(duì)這些概念做一個(gè)詳細(xì)的解釋。
24P 和 34P 是指墨水屏 FPC 排線的寬度，比如 2.9 寸和 4.2 寸以及微雪自家的墨水屏是 24P 的，排線引腳數(shù)量也是 24P；而 2.13 的價(jià)簽?zāi)僚啪€寬度是 34P 的，排線引腳數(shù)量是 26 個(gè)，修剪掉兩旁空白部分和上下兩個(gè)引腳就是 24P 了。24P 和 34P 墨水屏引腳定義是一樣的，驅(qū)動(dòng)電路通用。
對(duì)應(yīng)插排線的座子叫做 FPC 母座，因?yàn)?FPC 排線只有一面有引腳，如果 FPC 座子的上面跟排線接觸就是 FPC 上接，F(xiàn)PC 座與排線的接觸面在下面的話就是 FPC 下接。
通常上接的 FPC 座子是抽拉式的，下接的座子是翻蓋式的，24P 還有上下面都有觸點(diǎn)的 FPC 座。
一般 DIY 的話屏幕跟主板平放在桌面上，排線朝上與 FPC 座子相連，用抽拉上接的座子。
2.9 寸價(jià)簽里的屏幕是翻折到 PCB 頂部，用的是 24P 翻蓋下接母座。
24P 的墨水屏的排線比較厚，跟 FPC 母座連接較緊。2.13 寸電子價(jià)簽里的 34P 墨水屏是粘貼在 PCB 上的，排線很薄，在 FPC 座子里壓不緊，可以用膠帶增加厚度。
四、墨水屏驅(qū)動(dòng)方案
1. 破解通訊協(xié)議，直接驅(qū)動(dòng)
真正的大佬可以不用管上面的驅(qū)動(dòng)電路，自己 DIY 一個(gè)基站，連價(jià)簽外殼都不用拆，直接給墨水屏傳圖。
比如 CSDN博主 @myfish3 使用一塊伊拉克成色的 STM32 開(kāi)發(fā)板和 A7105 射頻芯片在廉價(jià)的電木洞洞板上搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，在 PC 機(jī)運(yùn)行上位機(jī)，使用串口和 STM32 通信，STM32 使用 A7105 和價(jià)簽的 A7106 通信，MSP430 從 A7106 獲取并執(zhí)行命令。
技術(shù)大牛往往就是這么樸實(shí)無(wú)華。
2. 下載器直接寫(xiě)入程序
如果你懂 MSP430 單片機(jī)開(kāi)發(fā)的話，可以用 430 launchpad 直接往電子價(jià)簽主板上的單片機(jī)燒錄程序，這個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，網(wǎng)上也有很多的例程。
3. 原生墨水屏驅(qū)動(dòng)電路板
對(duì)于普通的 DIYer，使用墨水屏驅(qū)動(dòng)板+ESP8266 更加簡(jiǎn)單易學(xué)。
第一種方案可以利用電子價(jià)簽 PCB 板上的原有驅(qū)動(dòng)電路，首先將 msp430 和 A7106 拆下，防止干擾，節(jié)約電能。
雖然板子上留有測(cè)試點(diǎn)，但是與墨水屏沒(méi)有關(guān)系，不能直接利用。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，驅(qū)動(dòng)電路的 9-14 號(hào)通訊引腳如下圖所示，分別接在了 430 單片機(jī)的左上部分 6 個(gè)引腳，BS 引腳要接地，方框里面有一個(gè) MOS 管，原用于控制墨水屏的電源通斷，拆除后把紅點(diǎn)處的兩個(gè)引腳相連即可。
用細(xì)導(dǎo)線將焊盤(pán)引出，與 ESP8266 開(kāi)發(fā)板相連。
3V3 和 GND 可以從背面的電池正負(fù)極上引線，這樣無(wú)需拆下電子墨水屏，也不用單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)驅(qū)動(dòng)板，利用價(jià)簽原來(lái)的驅(qū)動(dòng)電路，直接就能刷入程序改寫(xiě)顯示畫(huà)面。
4. 墨水屏驅(qū)動(dòng)板
上面的飛線操作過(guò)于繁瑣，建議買(mǎi)一個(gè)墨水屏驅(qū)動(dòng)板，也就幾塊錢(qián)，用排線跟 ESP8266 相連也更加穩(wěn)定。
5. ESP8266 墨水屏驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)板
微雪有款墨水屏開(kāi)發(fā)板，將 ESP8266 和墨水屏驅(qū)動(dòng)電路集成到一起，省去了排線的連接，開(kāi)發(fā)更方便。
但是這種成品開(kāi)發(fā)板的墨水屏跟 8266 的引腳是固定的，比如微雪開(kāi)發(fā)板的引腳定義如下，網(wǎng)上一些墨水屏應(yīng)用程序只提供固件，沒(méi)有源代碼，如果引腳定義跟微雪不一樣的話就不能使用了。
而且微雪開(kāi)發(fā)板的 FPC 座是 24P 的，34P 的 2.13 寸墨水屏使用時(shí)需要裁減排線，開(kāi)發(fā)板的價(jià)格也比較貴，要六七十元。
五、DIY 墨水屏驅(qū)動(dòng)板
于是我自己畫(huà)了一個(gè) ESP8266 墨水屏驅(qū)動(dòng)板，畢竟嘉立創(chuàng)的羊毛不薅白不薅，成本只要十幾塊錢(qián)，墨水屏引腳與 8266 的連接根據(jù)自己需求修改（圖中是微雪定義），此外還有以下優(yōu)點(diǎn)：
電路中有兩個(gè)地方可供選擇，一是 BS 接地（0）為默認(rèn)的 4 線 SPI，接 3V3（1）為 3 線 SPI；二是 RESE 電阻通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇，1.54/2.13/2.9 寸墨水屏選擇 3R，2.7/4.2 以及三色墨水屏選擇 0.47R。
PCB 已打樣驗(yàn)證能用，電路里面用到的電阻電容電感、三極管 MOS 管都可以從價(jià)簽 PCB 上獲取。16P 的 Type-C 和 0.5mm 間距的 FPC 插座引腳密集，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)可能有些難焊，建議大量使用助焊劑。
PCB 四周留有螺絲孔，可以加上鋰電池。3D 打印個(gè)外殼，做一個(gè)墨水屏?xí)r鐘。
PCB 留有 8 個(gè)墨水屏通訊排針接口，可以只焊接墨水屏驅(qū)動(dòng)電路部分，當(dāng)做獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)板使用。
原理圖和 PCB 都是基于立創(chuàng) EDA 設(shè)計(jì)，已開(kāi)源，可以自行打樣。
國(guó)產(chǎn)的立創(chuàng) EDA 和嘉立創(chuàng)免費(fèi)打印真是太好用了，讓我來(lái)繼續(xù)安利一下。
PCB打樣全免費(fèi)！手把手教你在嘉立創(chuàng)0元下單創(chuàng)作立場(chǎng)聲明：種草免費(fèi)PCB打印網(wǎng)站-嘉立創(chuàng)我最早接觸電子電路設(shè)計(jì)是剛上大學(xué)那會(huì)，加入了一個(gè)叫做「電信科協(xié)」的學(xué)校社團(tuán)學(xué)習(xí)51單片機(jī)，部長(zhǎng)手把手教我們焊接最小系統(tǒng)板，后來(lái)焊接技術(shù)有了長(zhǎng)進(jìn)，陸續(xù)將數(shù)碼管、點(diǎn)陣、按鍵、各種傳感器全都焊接了上去，把一塊15x10cm的洞洞板焊的滿滿當(dāng)當(dāng)。幾年下來(lái)單片機(jī)編程BigBubbleGum|贊15評(píng)論7收藏71查看詳情
六、上傳自定義圖片
ESP8266 墨水屏驅(qū)動(dòng)的硬件部分搞定后，就可以往里面上傳程序，顯示自定義圖案，這里以 2.13 電子價(jià)簽?zāi)翞槔?，使用的是上面我自己做?ESP8266 墨水屏驅(qū)動(dòng)板。
軟件部分使用的是 Arduino IDE 環(huán)境，下載和安裝可以看我之前的教程。
1. 微雪本地例程
在微雪官網(wǎng)下載示例程序。
進(jìn)入 example 文件夾中，把 esp8266-waveshare-epd 文件夾整個(gè)復(fù)制到 %LOCALAPPDATA%Arduino15packagesesp8266hardwareesp82662.7.1libraries，其中“2.7.1”需要根據(jù)安裝的 ESP8266 支持包版本進(jìn)行相應(yīng)更改。
打開(kāi) IDE，選擇正確的開(kāi)發(fā)板和端口號(hào)。
打開(kāi)”文件-示例-NodeMCU 1.0-waveshare-e-Paper“，找到 2.13 屏幕驅(qū)動(dòng)程序。
如果你是按照微雪的引腳定義設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)板的話，直接編譯下載，墨水屏就能顯示圖案了。
如果你是其他的引腳定義，需要修改下 DEV_Config.h 里的引腳定義。
新手估計(jì)很難一次性成功點(diǎn)亮墨水屏，我也翻車(chē)了好多次。下一篇中將介紹下硬件電路常見(jiàn)問(wèn)題以及故障排除思路。
2. 自定義圖片上傳程序
微雪的示例程序作為出廠測(cè)試用的，我精簡(jiǎn)了下，只保留了自定義圖片上傳功能。
墨水屏斷電后能保持最后顯示的畫(huà)面，可以當(dāng)做電子相冊(cè)或者挪車(chē)電話牌。
拆解電子價(jià)簽，獲得墨水屏并成功點(diǎn)亮，相信沒(méi)有比這更全面的新手教程了。
ESP8266 電子墨水屏驅(qū)動(dòng)電路原理圖與 PCB、取模軟件與示例程序，已發(fā)布到立創(chuàng)開(kāi)源廣場(chǎng)。
下一篇將進(jìn)一步介紹電子墨水屏驅(qū)動(dòng)電路原理、DIY 注意事項(xiàng)、故障排除，SPI 通訊，驅(qū)動(dòng)程序講解等內(nèi)容，敬請(qǐng)期待。
作者聲明本文無(wú)利益相關(guān)，歡迎值友理性交流，和諧討論～
劉書(shū)明