E-Paper-Displays Unterschätzte Außenseiter

Obwohl es sie schon eine ganze Weile gibt, werden die E-Paper-Displays bislang vergleichsweise selten eingesetzt. Dabei verfügen sie über eine Reihe ganz besonderer Eigenschaften.

Viele Anwendungen sind heute mit einer Knopfzelle als primäre Energiequelle ausgestattet, die das verfügbare Leistungsbudget des Enddesigns begrenzt. Ein geringerer Gesamtenergieverbrauch ist heute ein kritischer Aspekt jedes Designs, sodass jede Anzeige, die dies unterstützt, einen wesentlichen Vorteil mit sich bringt. So bieten E-Paper-Displays (EPD) zwar
nicht die volle Farbwiedergabe und schnelle Reaktionszeit von LCDs – dafür aber einige andere Eigenschaften, die sie für Entwickler attraktiv machen.

Ein solches E-Paper-Display ist das ELABEL20 von Embedded Artists. Mit seinem 2“-Display mit 172 x 72 Pixel eignet es sich besonders gut für Etikettierungsanwendungen, zum Beispiel im Einzelhandel. Dabei verbringen die Displays 99,99 Prozent ihrer Zeit damit, dasselbe Bild anzuzeigen.

Alle E-Paper-Displays verwenden eine reflektierende Anzeige, die Millionen kleiner schwarz-weiß-gefüllter Kapseln umfasst, die zwischen zwei Elektroden gehalten werden. Die Schwarz-Weiß-Kapseln reagieren unterschiedlich auf eine auf die Elektroden aufgebrachte Ladung. Die Elektroden sind an der Vorder- und Rückseite der Anzeige angebracht. Eine positive Ladung der vorderen Elektrode bewirkt, dass die weißen Kapseln nach vorne treten und sichtbar werden. Umgekehrt gilt das für die schwarzen Kapseln, die auf eine negative Ladung reagieren.

Geringe Leistungsaufnahme, hohe Kontraste

Der extrem niedrige Stromverbrauch von E-Paper-Displays liegt vor allem darin begründet, dass die Partikel nach dem Aufladen ihre sichtbaren Positionen beibehalten. Das heißt, das Bild wird in der Folge ohne erforderliche Ladung/Spannung weiter angezeigt. Es ist nicht notwendig, die Ladung kontinuierlich an den Elektroden aufzufrischen. Diese Eigenschaft ist eines der wesentlichen Unterscheidungsmerkmale im Vergleich zu einem LCD (Liquid Crystal Display), das eine kontinuierliche Energiequelle benötigt.

Ein weiterer Faktor für die hohe Stromeinsparung eines E-Paper-Displays ist sein reflektierender Aufbau. Eine Hintergrundbeleuchtung ist nicht erforderlich. Die kontinuierliche Hintergrundbeleuchtung eines LCD sorgt dagegen für eine hohe Leistungsaufnahme, die auch dann aufrechterhalten werden muss, wenn die dargestellten Informationen statisch sind. Die einzige Zeit, in der ein E-Paper-Display Energie benötigt, ist, wenn es mit einem neuen Bild aktu­alisiert wird – und selbst dann ist die­­se Strommenge geringer als bei ei­-
nem LCD: 2 mA im Vergleich zu 30 mA.

E-Paper-Displays zeichnen sich zudem durch hohe Kontraste, einen großen Betrachtungswinkel und eine reflektierende Darstellung aus, die auch bei hellem Sonnenschein gutes Ablesen ermöglicht.

Datenübertragung bei einem E-Paper-Display

Zu Beginn waren E-Paper-Displays lediglich in der Lage, die Farben Weiß und Schwarz anzuzeigen, heute sind auch dreifarbige Displays erhältlich wie das 7,5“-Display mit 640 x 384 Pixel von Waveshare. Es ist mit einem integrierten CoG-Controller (Chip-on-Glass) ausgestattet, der die Elektroden-Zeilen und -Spalten ansteuert und über SPI (Serial Peripheral Interface) mit einem Host-Mikrocontroller kommuniziert.

Die meisten E-Paper-Displays werden auf ähnliche Weise betrieben. Unter der Annahme, dass das Display bereits ein Bild anzeigt, muss der CoG aktiviert werden, damit er Befehle über die SPI-Schnittstelle empfangen kann. Das Ändern der Elektrodenladung erfordert eine höhere Spannung als die der MCU-Versorgungsschiene. Diese Spannung wird über eine Ladungspumpe mit
einem von der Host-MCU abgeleiteten PWM-Signal bereitgestellt. Die MCU muss zwei Bildpuffer für einen Aktualisierungszyklus reservieren – einen mit dem aktuellen Bild und den anderen mit dem neuen Bild. Pixel werden in einer Reihe nach dem Spalten-Scan-Format geschrieben.

Die erste Stufe besteht darin, das aktuelle Bild durch Umschalten jedes Pixels zu invertieren. Anschließend wird das gesamte Panel in Weiß dargestellt. Das neue Bild wird dann invertiert und geschrieben. Nun wird das neue Bild in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Diese getrennten Stufen müssen mehrmals durchlaufen werden, um Geisterbilder zu vermeiden und den Bildkontrast zu verbessern. Die Anzahl der erforder­lichen Zyklen hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa von der Display-Größe und der Umgebungstemperatur.

Der Anschluss des E-Paper-Displays an die Host-MCU erfolgt über die folgenden Verbindungen: VCC (3,3 VDC) und GND; Master-Slave-Datenleitung (DIN), die an den SPI-MOSI-Pin des Hosts
angeschlossen ist; SPI-SCK-Slave-Takt-Pin (CLK); SPI-Chip-Select-Pin (CS); Daten-/Befehls-Pin (DC), externer Reset (RST) und Busy-State-Pin (BUSY). Der CS-Pin ist auf Low (0), wenn der Chip aktiviert ist; DC ist auf High (1) beim Schreiben von Daten und auf Low für Befehl; RST und BUSY sind Low im ak­tiven Zustand. Zu beachten ist, dass das für die Kommunikation mit dem E-Paper-Display verwendete Protokoll sich geringfügig vom normalen SPI-Protokoll unterscheidet.

Eine ausführliche Dokumentation zum Makerfactory Board ist online unter docs.makerfactory.io verfügbar.

 

 

Über den Autor

Andreas Meiler ist gelernter Industrieelektroniker und hat anschließend ein Elektrotechnik-Studium absolviert. Als Dipl.-Ing. (FH) war er seit Mai 2007 im Conrad Technologie Center zunächst als Entwickler für Hard- und Software beschäftigt, später als Projektmanager. Seit März 2019 ist er für die Leitung der Produktentwicklung verantwortlich.