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臺(tái)灣 eInk公司發(fā)展起來(lái)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(dòng)發(fā)光的電子屏幕技術(shù)，墨水屏是一種被動(dòng)式發(fā)光技術(shù)，這種屏幕僅在畫面刷新過(guò)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(shí)現(xiàn)零功耗。

基于這個(gè)原理，電子價(jià)簽的整體功耗很低，通常單個(gè)價(jià)簽只需要安裝兩節(jié)CR2032的紐扣電池就可以工作3-5年時(shí)間，大大的方便了該系統(tǒng)的安裝，運(yùn)行和維護(hù)。目前電子價(jià)簽已經(jīng)從商超零售行業(yè)逐步向教育，電子醫(yī)療，倉(cāng)儲(chǔ)物流，會(huì)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(zhǎng)。

工業(yè)場(chǎng)所對(duì)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(jí)的電子墨水屏產(chǎn)品需要在每一個(gè)環(huán)節(jié)做出非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，下面我們看看WiMi-net微網(wǎng)高通在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)的系統(tǒng)耗電只有兩個(gè)部分，分別是CPU處理器和射頻芯片。為了盡可能延長(zhǎng)電池的待機(jī)時(shí)間，就需要選擇一款超低功耗的處理器和射頻芯片。

一款壽命長(zhǎng)的電子墨水屏標(biāo)簽應(yīng)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(lǐng)域，美國(guó) Silicon Labs是一個(gè)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(jì)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(shí)間 2?μs，運(yùn)行功耗114?μA/MHz，有效減少了信息處理的時(shí)間，這些技術(shù)指標(biāo)剛好就是電子價(jià)簽產(chǎn)品需要關(guān)注的幾個(gè)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。

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(biāo)簽的遠(yuǎn)程無(wú)線升級(jí)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(hào)，足以運(yùn)行一個(gè)支持OTA無(wú)線升級(jí)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(gè)部分，一個(gè)部分是無(wú)線通訊的協(xié)議棧部分（左側(cè)的藍(lán)色部分），另外一個(gè)部分是墨水屏的驅(qū)動(dòng)部分（右側(cè)的黃色部分）。無(wú)線通訊的協(xié)議棧部分有計(jì)算密集型的 TCP算法以及純軟件實(shí)現(xiàn)的 MAC層，對(duì)于處理器而言，需要比較高的指令開(kāi)銷；在墨水屏驅(qū)動(dòng)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(jì)算需求，不過(guò)這對(duì)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(shí)現(xiàn)的，其 Flash容量通常不超過(guò) 64KB，RAM大小不超過(guò) 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(shí)用性功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，比如支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)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(shí)時(shí)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(méi)有了這些高級(jí)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(shí)時(shí)性，可靠性，電池壽命等核心指標(biāo)難以獲得實(shí)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(dú)立的，非共享的高速硬總線，相比于軟件模擬的寫入時(shí)序，基于純硬件實(shí)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(shí)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(shí)際上采用某些特定IC驅(qū)動(dòng)的13.3吋屏幕會(huì)要求獨(dú)立總線，否則長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)卡死總線。

多余的 UART端口則可通過(guò)零成本的接口方式連接外部轉(zhuǎn)接板，在Windows平臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

支持ADC功能

電子墨水屏的一個(gè)基本功能需求就是持續(xù)的檢測(cè)電池的電壓，以此來(lái)判斷電池是否有足夠的電量支持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，WiMi-net微網(wǎng)高通是采用CPU處理器內(nèi)置的ADC來(lái)實(shí)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(gè)必須的選項(xiàng)。

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(shí)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(gè)比較不錯(cuò)的選擇。

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