中文摘要
現有手持式系統，大多以薄膜電晶體液晶顯示器做為顯示裝置，導致此類
系統有高耗電與無法在強光環境下使用的缺點。因此本文探討將顯示器改為
俱有雙穩態、光反射式特性的電泳式顯示器，配合針對電泳顯示特性所設計
的軟體，則可克服這些問題，而發展成適合顯示靜態資訊且可長時間閱讀的
手持設備。
電源控制軟體配合本系統各個子系統的電源電路，依照各種不同使用情境
在工作、待機、睡眠等不同模式下，管理每個子系統的電源供應。本系統採
用可程式化邏輯陣列閘來取代既有的電泳顯示器控制晶片，解決原使用之控
制晶片因需提供125 MHz 同步時脈給動態記憶體而造成的高頻干擾問題。
依照本文所提之使用電泳顯示器的手持式系統的設計，經由量測，可達在
休眠時消耗的電流可小於1.5 mA，在系統關機後消耗的電流小於70 μA，系
統的待機時間則可長於兩星期。依照這些量測的數據，證實本文所提之設計，
相較於使用薄膜電晶體液晶顯示器的手持系統，可有效解決系統的耗電與無
法在陽光下閱讀的缺點，證實此為一適合長時間閱讀，顯示靜態資料的電子
閱讀器。
關鍵字： 薄膜電晶體液晶顯示器、雙穩態、反射式、電泳式顯示器、
可程式化邏輯陣列閘

Abstract
Most of present handheld devices adopt TFT-LCD panels as displays, which
result in the drawbacks of high power consumption and data unreadable under
bright sunlight. To replace the TFT-LCD panel, this thesis investigates an
electro-phoretic display (EPD) panel characterized by bi-stable, reflectional and
software specialized for power saving design. This system overcomes the
drawbacks and becomes a handheld device suitable for static material display.
The power management software is applied individually to each part of the
system, and the power supply can be controlled to meet the need of different
modles, such as working, standby, and sleep. For further power saving and cost
reduction, the system adopts an FPGA to replace the EPD controller and solves the
problem of high frequency resulting from the original chip, which generates
125MHz clock to dynamical memory.
According to the collected data from EPD handheld device, the static current
of the device is less than 1.5 mA during sleeping, powered-off current is less than
70 μA and standby time can last over two weeks. Compared to general TFT-LCD
handheld devices, the results prove that the proposed EPD display effectively
reduces the power consumption and is readable under sunlight. The device is
proved to be suitable for static material reading and can last for long term.
Keyword: TFT-LCD, Bi-stable, reflectional, EPD, FPGA

目錄
中文摘要....... i
英文摘要.........ii
誌 謝...........iii
目 錄................ iv
圖目錄........... vi
表目錄............................. x
第一章 緒論........... 1
1.1 研究動機與目的........... 1
1.2 論文架構.................. 2
第二章 文獻探討............. 4
2.1 手持式系統基本硬體架構之探討................. 4
2.2 薄膜電晶體液晶顯示器之特性探討............. 11
2.3 電泳顯示器之特性探討................. 14
第三章 電泳顯示器手持式系統之設計 ..................... 19
3.1 電泳顯示器驅動系統架構.............. 19
3.2 電泳顯示器驅動介面設計............... 24
3.3 手持式系統設計......... 33
第四章 實驗結果與討論.......................... 56
4.1 系統時序實驗.......................... 56
4.2 圖形資料顯示處理實驗................... 66
4.3 系統耗電量量測與比較.................. 76
第五章 結論與未來研究方向 ................. 81
5.1 結論.............................. 81
5.2 未來研究方向................................. 82
參考文獻............................ 84
圖目錄
圖2-1 手持式系統架構圖......................... 4
圖 2-2 LDO 線性穩壓器電路..................... 8
圖 2-3 LDO 線性穩壓器之輸入輸出特性曲線圖........... 8
圖 2-4 降壓式交換式穩壓器....................... 9
圖 2-5 升壓式交換式穩壓器...................... 9
圖 2-6 TFT-LCD 模組結構圖.................... 12
圖 2-7 TFT-LCD 顯示單元結構圖........... 14
圖 2-8 電泳顯示器基本結構圖................ 15
圖 2-9 微膠囊電泳結構圖與其Cell 結構圖............... 15
圖 2-10 微杯電泳Cell 結構圖................... 16
圖 2-11 電泳顯示器可在無電源供應時顯示資訊................. 18
圖 3-1 S1D23521 驅動電泳顯示器方塊圖.................... 20
圖 3-2 使用可程式化邏輯陣列之驅動電泳顯示器方塊圖........ 23
圖 3-3 電泳顯示器之資料接收時序......... 26
圖 3-4 電泳顯示器之垂直時序................. 26
圖 3-5 電泳顯示器之電源供應順序......... 27
圖 3-6 可程式化邏輯陣列提供之功能模組方塊圖.................. 27
圖3-7 電泳顯示器顯示資料更新流程.......................... 28
圖 3-8 可程式化邏輯陣列驅動程式流程圖.................. 29
圖 3-9 電泳顯示器之電源控制時序模擬結果.................... 30
圖 3-10 電泳顯示器之水平線資料輸出時序模擬結果............ 32
圖 3-11 電泳顯示器之垂直時序控制模擬結果.................. 33
圖 3-12 使用電泳顯示器之手持式系統硬體模組方塊圖............. 34
圖 3-13 iMX.353 功能方塊圖.................... 35
圖 3-14 即時排版結合抖色處理之更新顯示資料流程圖............ 43
圖 3-15 鋰電池充電曲線圖....................... 44
圖 3-16 電源供應總開關控制電路........... 45
圖 3-17 動態可變輸出電源供應電路........ 47
圖 3-18 觸控面板類比數位轉換器電源電路.................. 47
圖 3-19 控制無線通訊模組電源電路........ 49
圖 3-20 矩陣式掃瞄按鍵電路................. 50
圖 3-21 電源按鍵處理電路...................... 51
圖 3-22 電泳顯示器之驅動電路方塊圖........................ 52
圖 3-23 系統軟體架構圖....................... 52
圖 3-24 主應用程式流程圖...................... 55
圖4-1 使用電泳顯示器之手持式系統外觀圖................... 57
圖 4-2 使用電泳顯示器之手持式系統主機結合圖................ 58
圖 4-3 FPGA 產生之資料輸出時序.......... 59
圖 4-4 FPGA 產生之垂直時序................. 60
圖 4-5 FPGA 產生之啟動電源時序.......... 61
圖 4-6 FPGA 產生之關閉電源時序.......... 62
圖 4-7 啟動電源控制訊號與實際電源輸出.......... 63
圖 4-8 關閉電源控制訊號與實際電源輸出.............. 63
圖 4-9 FPGA 核心電壓(1.2V)量測........... 65
圖 4-10 系統工作電壓(3.3V)量測............. 65
圖 4-11 電泳式顯示器時序正確時之圖像顯示........... 67
圖 4-12 電泳式顯示器電源時序錯誤時之顯示........... 67
圖 4-13 測試抖色系統之原始圖片........... 68
圖 4-14 測試圖片未經抖色系統處理，電泳顯示器之顯示圖像..... 69
圖 4-15 測試圖片經抖色系統處理後，電泳顯示器之顯示圖像...... 69
圖 4-16 即時排版後，電泳顯示器之顯示圖像(1) ......... 71
圖 4-17 即時排版後，電泳顯示器之顯示圖像(2) .......... 72
圖 4-18 即時排版後，電泳顯示器之顯示圖像(3) .......... 73
圖4-19 室內環境下，電泳顯示器與TFT-LCD 顯示比較......... 74
圖 4-20 室外環境下，電泳顯示器與TFT-LCD 顯示比較......... 74
圖 4-21 系統耗電量量測方式方塊圖....... 76
圖 4-22 系統在各種工作模式下之電流................. 77

表目錄
表 2-1 系統單晶片核心效能，以ARM1176 為例......... 5
表 2-2 常用LCD 模組特性比較表........... 10
表 2-3 LCD 模組所使用的LED 背光模組規格............. 12
表 2-4 電泳顯示器特性規格.................... 17
表 3-1 面板尺寸與解析度比較表............. 20
表 3-2 mSDR 各工作模式耗電表.............. 21
表 3-3 6 吋之電泳顯示器接腳定義表....... 25
表 3-4 iMX.353 各工作模式耗電表.......... 36
表 3-5 USB 主控端供應電源規格表........ 37
表 3-6 電泳顯示器驅動電壓.................. 38
表 3-7 常用DRAM 特性表...................... 40
表 3-8 與系統單晶片相連接之介面之工作電壓一覽表......... 46
表 3-9 MicroSD 卡槽之腳位定義表......... 48
表 3-10 顯示器運作功率一覽表............... 50
表 4-1 電源電路產生之上升與下降時間表............ 64
表4-2 使用電泳顯示器與TFT-LCD 模組系統成本分析........ 75
表4-3 電泳顯示器系統在各種工作模式之平均電流量.......... 77
表 4-4 TFT-LCD 之耗電流..................... 78
表 4-5 使用電泳顯示器與TFT-LCD 顯示器之手持式系統耗電流比較表.. 79
表 4-6 使用電泳顯示器系統之手持式系統其翻頁次數紀錄......... 79

參考文獻
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