Электронная бумага: пишем драйвер методом научного тыка

В предыдущей статье я рассказывал, как я затарился электроннобумажными дисплеями и даже сделал для них блок питания.

Наконец, пришли заказанные для них печатные платы и теперь можно заняться программным обеспечением. То, что описано ниже, касается только ED060SC4(LF) или LB060S01-RD02. Отличие в названии на одну букву, даже ту, что в скобке — и работать ничего не будет. Когда я задумал это безнадежное занятие, мне казалось, что я нашел кучу информации и исходников, и запустить этот дисплей проблемой не будет, несмотря на очень убогие спецификации от производителей. Не тут-то было, в каких-то местах описание оказалось на дисплей, название которого отличалась на одну букву, а в других — алгоритм просто не работал. В наше время верить нельзя никому, даже самому себе. Мне — можно.

В целях природы обуздания,
В целях рассеять неученья
Тьму
Берём картину мироздания – да!
И тупо смотрим, что к чему…

Целых два дня я тупо перебирал очередность разных сигналов и задержки между ними, не зная, жив ли еще дисплей. Не было даже намеков на появившуюся точку. И в один прекрасный момент — вуаля! — получите целую линию мусора. Всё, больше ничего и не надо, все остальное, дело техники, теперь он никуда не денется.


Теперь расскажу, как все-таки удалось запустить это чудо. На истину в последней инстанции я не претендую, как заработало — так и опишу.

Для прорисовки экрана нужны следующие сигналы — сначала начало кадра, потом 600 строк, каждая имеет старт, потом данные и стоп. Завершается все концом кадра. За один пиксель отвечает два бита, комбинация 01 — черный цвет, 10 — белый, остальные — без изменения.
Таким образом, для одной строки из 800 пикселей нужно передать 200 байт.

Схема простая — источник питания, описанный в прошлой статье, STM32F103C8 для управления дисплеем и ESP32 на все про все, но пока его не используем.


Ардуним для начала — определяем макросы, которые будут управлять сигналами.



Ведь правду говорят — ардуино это для совсем отстойных, которым лень думать и документацию читать.
Старт кадра выглядит так:


и код:

void start_frame()
{
  GMODE_ACTIVE
  delay_us(1);
  CKV_ACTIVE
  delay_us(1);
  SPV_IDLE 
  delay_us(1);
  CKV_IDLE  
  delay_us(1);
  CKV_ACTIVE
  delay_us(1);
  SPV_ACTIVE
  delay_us(1);
}

Потом передаем 600 строк, каждая начинается так:


Уж все безумно просто:

void start_row()
{
  CPH_IDLE
}

Завершение строки очень критично, чуть что не так — и никакого изображения не будет:


Код, соответственно:

void stop_row()
{
  CPH_ACTIVE
  CKV_IDLE  
  Hclock();
  CKV_ACTIVE  
  OE_IDLE
  delay_us(2);  
  OE_ACTIVE  
  LE_ACTIVE
  LE_IDLE  
}

И завершаем кадр:


Котд:

void end_frame()
{
GMODE_IDLE
delay_us(1);
Vclock();
}


Все вместе образует вот такое безобразие:


И, наконец, тестовый код:



Извиняйте, если уж сильно тривиально все выглядит. Если бы мне все это кто-то рассказал до того, как я эту возню затеял…
Может, кому другому поможет.

А это то, что этот тест делает — рисует шахматную доску. Смотрим скорость обновления — получается более, чем достойно, судите сами:



За один цикл прорисовки черные точки получить не удастся, получаются серые. У меня для получения черного цвета нужно повторить передачу кадра раз 6 — для пущей надежности я передаю его 8 раз.
В реальном устройстве присутствует lookup table, где хранятся данные о длительностях сигналов в зависимости от температуры и интенсивности черного. Почему-то производители сделали большой секрет из этих данных, поэтому имеем то, что имеем. У реального контроллера дисплея куча памяти, где он хранит изображение и следующее формируется в зависимости от предыдущего — не нужно полностью стирать изображение и потом рисовать все по новой — обновление происходит с учетом текущего состояния, поэтому его можно выполнить быстрее. Но оперативной памяти нужно много — ведь у экрана 480 000 пикселей.
По схеме видно, что микроконтроллер у меня дохленький, у него всего 20К ОЗУ и 64К флеш.
Но я использую буфер длиной всего 200 байт, и каждую строку просчитываю перед выводом.
Что-то подобное я использовал много лет назад, когда делал полетный контроллер для игрушечного самолетика и выводил изображение поверх картинки с видеокамеры — там, если склероз не подводит, вообще у контроллера было 4К ОЗУ. И сделано было еще интереснее — пока контроллер прямого доступа выбрасывал одну строку, процессор просчитывал следующую. В итоге использовалось 4 буфера — два для белого и 2 для черного.



Это было небольшое отступление. В реальных дисплеях производители обычно используют 16 градаций серого, но у любителей получается и 32 использовать.


Но мне это не надо, двух уровней черного для моих целей достаточно и я легко это сделаю использованием количества перезаписываний кадра.


Алгоритм с многократной перезаписью кадра выглядит убого, если у кто знает, как сделать лучше — пожалуйста, напишите в комментариях. Моя благодарность не будет иметь границ (в разумных пределах).

Следующим шагом будет добыча погоды из интернета и формирование полного кадра, но для этого будет использоваться ESP32, а STM32 будет играть роль тупого драйвера. Печатную плату тоже планирую переделать — контрольные точки уже не нужны, зато надо добавить управление питанием, планируется использовать литиевый аккумулятор. Нужно добавить зарядку и позаботиться о уменьшении потребления энергии устройством.
А пока можно немного размяться и с STM32:


С ESP32 тоже не все так просто — при попытке выделить массив под кадр больше 96К, линкер отказывается работать, заявляя что все, памяти у него для вас больше нет. А где же ваши хваленые 320K Data RAM? При попытке выбросить SPI пакет, непрерывного потока не получается — после каждых 64 байта, кажется, идет разрыв несколько микросекунд. Но кому сейчас легко — будем бороться.
Небольшое скакание по исходникам показало, что посылка действительно разбивается, и это происходит в HAL — наверно, разработчики контроллера имели какую-то причину? Или они просто злобные Буратины, вся цель жизни которых — нагадить мне?

Библиотеку можно подправить, но при первом же обновлении мои правки накроются медным тазом. Пусть будет, как есть — не особо мешает.

Еще вариант — поставить дополнительную SPI RAM к дохленькому контоллеру. Где ее купить недорого — пока не нашел. А ставить мощный контроллер в качестве драйвера не особо хочется — у них и цена кусается, и слишком много ног, одни проблемы с пайкой.

RP2040 с его 264KB SRAM и программируемыми выводами выглядит хорошо, только там SRAM сегментирована по 64KB — опяь могут быть проблемы с буфером кадра. И кушать много изволит в спящем режиме. Что-то душа к нему не лежит. Короче, куда не кинь — везде клин, нет в жизни счастья :)

Гда брать погоду — еще одна проблема. Меньше всего ограничений у open-meteo.com, но они, как настоящие джентельмены, меняют правила по ходу игры. А поначалу смотрелось неплохо — регистрация не нужна, информацию можно брать по максимуму и безо всяких ограничений на запросы. Прогноз, надо сказать, не особо точный и еще и глюки имеются — как-то за окном шел дождь, а они на осадки на текущий день прогнозировали отрицательную величину. Интересно, это как?
Наверно, самый популярный сайт — это openweathermap.org, но они очень хотят денег и всячески затрудняют жизнь халявщиков. И необходимость регистрации и ограничение на запросы не радуют, хотя ограничения на запросы вполне разумные. Но информации open-meteo дает больше, хоть и неправильной.
Dark Sky куплена Apple, так что ловить там уже нечего.
Первые тесты выглядят так (прогноз с open-meteo):


Пока статья писалась — и новая схема поспела, можете покритиковать при желании, только не сильно:



Антенна оказалась рядом с металлом дисплея. Он весь покрыт металлом, а плата будет к нему приклеена.
Когда коту делать нечего — он платы разводит. Переделываем все так, чтобы антенна выступала из-за экрана:


Почему эта статья не на Хабре? Причин много — во-первых, там все рисуют какого-то бегемота в колпачке, а я даже не знаю, откуда он взялся, неудобно как-то (это про картинку слева, а про котенка с улицы Лизюкова я знаю).


Кроме того, там какие-то страшные джуны, мидлы и тимлиды проходят интервью и получают оферы. Может, это больно?


На английском, было дело, я наваял кучку сайтов, доверившись Гуглу и его репутации — через какое-то время их прихлопнули. Больше не хочется время терять.
А здесь хоть плюсик поставят :) — уже видно, что не зря старался.
В комментариях часто здравую идею подскажут — тоже польза.
Ну и писать на английском — это все-таки труд, а на русском — развлечение. Графоманы подтвердят.

Кстати, анонс — Марио таки ограбил банк, так что впереди много интересного.


Что это и с чем это едят — можно посмотреть здесь и здесь.