電子墨水屏標(biāo)簽：低功耗處理器技術(shù)

電子墨水屏是近些年由中國臺灣 eInk公司發(fā)展起來的一種超低功耗的數(shù)字顯示技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的LCD，LED等主動發(fā)光的電子屏幕技術(shù)，墨水屏是一種被動式發(fā)光技術(shù)，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(yīng)，可以實現(xiàn)零功耗。

基于這個原理，電子價簽的整體功耗很低，通常單個價簽只需要安裝兩節(jié)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(tǒng)的安裝，運行和維護(hù)。目前電子價簽已經(jīng)從商超零售行業(yè)逐步向教育，電子醫(yī)療，倉儲物流，會議桌牌等領(lǐng)域快速推廣，在智能制造的工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有很大的增長。

工業(yè)場所對于產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性和電池壽命要求很高，因此工業(yè)級的電子墨水屏產(chǎn)品需要在每一個環(huán)節(jié)做出非常嚴(yán)格的設(shè)計，下面我們看看WiMi-net微網(wǎng)高通在產(chǎn)品設(shè)計之初是如何選擇CPU處理器的？

WiMi-net微網(wǎng)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(tài)下，墨水顯示屏的電源是被關(guān)閉的，因此此時的系統(tǒng)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(jī)時間，就需要選擇一款超低功耗的處理器和射頻芯片。

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

該處理器從設(shè)計定位上就是能量友好型的，和業(yè)界同行相比，其技術(shù)指標(biāo)十分優(yōu)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(shù)指標(biāo)剛好就是電子價簽產(chǎn)品需要關(guān)注的幾個核心指標(biāo)。

除了上面關(guān)于CPU處理器的核心指標(biāo)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(jìn)一步的低功耗指標(biāo)，可以參考下圖：

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

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(biāo)簽的遠(yuǎn)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。

該圖是WiMi-net微網(wǎng)高通電子墨水屏標(biāo)簽的整體軟件功能架構(gòu)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(xié)議棧部分（左側(cè)的藍(lán)色部分），另外一個部分是墨水屏的驅(qū)動部分（右側(cè)的黃色部分）。無線通訊的協(xié)議棧部分有計算密集型的 TCP?算法以及純軟件實現(xiàn)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(qū)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(jī)實現(xiàn)的，其 Flash 容量通常不超過 64KB，RAM 大小不超過 4KB， 8位的內(nèi)部數(shù)據(jù)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(shù)實現(xiàn)，比如支持遠(yuǎn)程固件升級的OTA（Over The Air）技術(shù)；支持大尺寸屏幕的 TCP?傳輸技術(shù)，還有加快傳輸速度的文件實時解壓縮技術(shù)；支持圖片尺寸自適應(yīng)的 BMP?文件格式解析技術(shù)等等。沒有了這些高級技術(shù)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(biāo)難以獲得實質(zhì)性的提升。

需要額外補(bǔ)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(xiàn)的總線可以將寫入速度提高3.8倍以上，進(jìn)一步降低畫面顯示時間和系統(tǒng)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(yīng)；實際上采用某些特定IC驅(qū)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。

多余的 UART?端口則可通過零成本的接口方式連接外部轉(zhuǎn)接板，在Windows平臺運行應(yīng)用軟件，可以實現(xiàn)對于墨水屏的參數(shù)配置，比如網(wǎng)絡(luò)ID和產(chǎn)品密鑰的修改。

電子墨水屏的一個基本功能需求就是持續(xù)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(tǒng)繼續(xù)運行，WiMi-net微網(wǎng)高通是采用CPU處理器內(nèi)置的ADC來實現(xiàn)該功能，通常情況下，12位的精度就足夠了；另外為了給系統(tǒng)的穩(wěn)定性做最后的兜底措施，硬件看門狗也是一個必須的選項。

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

WiMi-net微網(wǎng)高通分享的低功耗處理器技術(shù)方面的經(jīng)驗，您覺得有用嗎？歡迎大家在評論區(qū)點評。