Интерактивная визитка на базе трехцветного электрофоретического дисплея

Всех приветствую!

Визитная карточка (визитка) — эффективный инструмент, если она сделана правильно. А как же сделать правильно? И возможно ли сделать правильно для всех?
В этой статье расскажу как я делал визитку, которая вряд ли полетит в мусорное ведро.

Интересно?

Скажу сразу, что визитки в современном деловом мире — это отдельная тема для разговора. В бизнес-среде визитка является одним из атрибутов образа успешного руководителя. Визитная карточка делового человека отражает статус своего хозяина и обычно содержит имя владельца (чаще всего с указанием его должности), название компании (обычно с логотипом и указанием адреса интернет-сайта) и контактную информацию (номер телефона и адрес электронной почты). На визитке рекомендуется размещать минимум необходимой информации.

Выделяют три основных вида визитных карточек: корпоративные, деловые и личные.
1. Корпоративные визитные карточки, или визитки компании, не содержат никакой личной информации – только название компании, род ее деятельности, перечень услуг, контактный адрес, телефон/факс, адрес электронной почты и сайт компании, виды услуг, логотип. Также на них может быть размещен слоган компании и схема проезда. Такие визитки используются только в рекламных целях и раздаются на различных публичных мероприятиях.
2. Деловые визитные карточки предоставляют контактную информацию клиентам и партнерам. Они содержат необходимые реквизиты для продолжения контактов: Ф.И.О, должность, название компании, при необходимости вид ее деятельности. При оформлении визиток обязательно использование фирменного стиля — логотипа, цветов компании, принятых шрифтов и т.д.
3. Личные визитные карточки используются для неформального общения. Для таких визиток нет чересчур строгих правил, в них могут быть отражены индивидуальные предпочтения владельца. Самое главное — такая визитка должна содержать имя, фамилию и телефонный номер владельца. По желанию указываются звание, ученая степень, адрес электронной почты, Skype (и подобные сервисы), адрес компании, в которой работает владелец визитки и т.д.

Сегодня речь пойдет именно о деловой визитке.
Порой правильная визитка может сделать за Вас большую часть работы и окупить вложения в себя в один момент. Поэтому давайте ответим для себя на несколько вопросов — и тем самым зададим тон Техническому заданию (ТЗ) для последующего воплощения в жизнь.
1. Для кого? — Только высшее руководство и лица принимающие решение.
Т.е. визитка не должна быть «дешевой картонкой» которая затеряется в десятках ей подобных — она должна быть статусной.
2. Где и когда вручать? — Личные встречи результатом которых должны стать продолжительные деловые отношения.
Визитка должна быть креативной, её владельцу должны звонить в первую очередь.
3. Ориентированность? — Технически сложное оборудование и электронная промышленность.
Подразумевается, что подобная визитка должна вызывать вау-эффект даже у директора магазина обуви, но истинную её уникальность оценят люди тесно связанные с электроникой.

По результатам ответов на поставленные вопросы я решил сделать электронную визитную карточку с интерактивным взаимодействием с человеком, т.е. содержимое не должно быть статичным, а изменяться тем или иным образом по заранее спланированной схеме (например, демонстрация нескольких разных дизайнов в соответствии с общей концепцией; вывод дополнительной информации и т.п.).

Итак, пришло время окончательно сформировать ТЗ на разработку.
1. Размер и форма. Определяется ISO 7810 (ID-1) – это стандарт Пластиковой (Идентификационной) карты:
— ширина: 85,6 мм (3 и 3⁄8 дюйма);
— высота: 53,98 мм (2 и 1⁄8 дюйма),
— радиус закругления углов: 3,18 мм (1⁄8 дюйма).
2. Материал и цвет. Стандартный материал для изготовления печатных плат – FR-4 (Tg > 140 °C). Цвет паяльной маски — черный. Цвет активной области должен определяться дизайном.
3. Содержание визитки. Интерактивно-изменяемое, просмотр информации должен управляться пользователем тактильно, время просмотра всей информации – не более нескольких минут.
4. Энергоэффективность. Информация должна сохраняться даже при отсутствии питания.

Проанализировав техзадание я остановил свой выбор на следующих основных комплектующих.
1. Трехцветный (BWR) электрофоретический дисплей GDEW027C44.
Характеристики:
— диагональ, дюйм: 2,7;
— разрешение, пиксель: 264 × 176;
— количество точек на дюйм: 117;
— рабочее напряжение питания, В: 2,3..3,6;
— рабочая температура, °C: 0..+50.


2. 32-битный микроконтроллер STM32F030CCT6.
Характеристики:
— ядро: ARM Cortex M0;
— максимальная тактовая частота, МГц: 48;
— размер программной памяти, кБ: 256;
— размер оперативной памяти, кБ: 32;
— рабочее напряжение питания, В: 2,4..3,6;
— рабочая температура, °C: -40..+85;
— корпус: LQFP-48.

Немного подробнее остановимся на технологии электрофоретических дисплеев.
Электронная бумага (англ. e-paper, electronic paper; также электронные чернила, англ. e-ink) — технология отображения информации, разработанная для имитации обычной печати на бумаге и основанная на явлении электрофореза. В отличие от традиционных плоских жидкокристаллических дисплеев, в которых используется просвет матрицы для формирования изображения, электронная бумага формирует изображение в отражённом свете как обычная бумага и может хранить изображение текста и графики в течение достаточно длительного времени, не потребляя при этом электрической энергии и затрачивая её только на изменение изображения.
Электронные чернила состоят из миллионов крошечных микрокапсул, имеющих диаметр человеческого волоса. Каждая микрокапсула содержит положительно заряженные белые частицы и отрицательно заряженные черные частицы, взвешенные в прозрачной жидкости. Когда прикладывается положительное или отрицательное электрическое поле, соответствующие частицы перемещаются в верхнюю часть микрокапсулы, где они становятся видимыми пользователю. Это делает поверхность белой или черной в данной точке.

В 2013 году компания E Ink Corporation представила новую технологию — SPECTRA ™ и дисплеи на которых могут отображаться сразу три цвета (помимо белого и черного еще +1 цвет).

Принцип действия остался прежним за исключением того, что в микрокапсулы были добавлены отрицательно заряженные частицы большего размера другого цвета (необязательно красного — любого по заказу), так же был изменен алгоритм электризации для разделения черных и цветных частиц имеющих одинаковый заряд. Недостатком экрана Spectra является то, что он не способен отображать оттенки (например, серый или розовый цвета).

С технологией отображения разобрались, приступаем к самому интересному – придумываем принципиальную электрическую схему. Она должна быть предельно простой с минимумом компонентов, т.к. чем проще решение – тем оно надежнее.
Изучив даташиты на дисплей и микроконтроллер понимаем, что в спящем режиме они вместе будут потреблять не более 7 мкА (2..5 мкА дисплей и 2 мкА микроконтроллер в режиме Standby). Поэтому питание можно вообще не отключать, а для взаимодействия с пользователем лишь будить микроконтроллер по пину WKUP.

Схемное решение получилось следующим.

Резистор R3 и входные диоды порта микроконтроллера сформируют нам простую защиту от статического электричества. R4 не допустит хаотичного изменения состояния под действием наводок, а C5 сгладит импульсы от дребезга контактов кнопки. H1 – это разъем для программирования. Всё остальное – чистый даташит, поясню лишь, что на T1 собран DC-DC преобразователь для питания цепей электризации панели дисплея.

Далее разводим печатную плату (вспоминая бородатый анекдот про котят, хочется сказать, что «по две платы на ведро воды», но не скажу :) ) и прикидываем как она будет выглядеть с черным цветом маски.

На этом условно-бесплатная часть разработки закончена и пора тратить деньги — заказываем комплектующие.
1. Дисплей с разъемом был куплен на AliExpress.
2. Печатная плата заказана в Elecrow.
3. Всё остальное либо у меня уже было, либо было заказано у местных поставщиков красной воздушно-пузырчатой пленки [сарказм] по абсолютно невменяемым ценам.

Отдельно хочется остановиться на сервисе Elecrow.
Это был самый дешевый вариант заказа плат именно с черной (и вообще цветом отличного от зеленого) маской. Обошлись мне 5 плат (по факту их прислали 6 шт) в $10.96 ($4,90 сами платы и $6,06 доставка). Перед пересылкой Elecrow отправляет фотографию-подтверждение, что заказ исполнен — это понравилось.

Упаковано всё было в обычный желтый бумажный пакет с воздушно-пузырчатой пленкой изнутри.
Изготовление и доставка заняли 2,5 недели (22 июня заказал и 10 июля платы лежали на почте).

Распаковываем и смотрим что же прислали.


Человек ничего не понимающий в печатных платах даже не поймет, что перед ним брак, не правда ли? Хотя платы и 100% рабочие, но по IPC-A-600H все они бракованные по двум критериям.
1. Разрывы тентов паяльной маски. И все из-за банальной экономии на заполнении переходных отверстий маской. Если бы Elecrow его делало, то проблема бы решилась сама собой, но они применяют обычное тентирование и оно у них, как видим, не получается. Для примера фото хорошего тента Elecrow и заполнение маской от JLCPCB (правое фото другого проекта с зеленой маской – ореол другого цвета вокруг переходного отверстия – это и есть результат дополнительной операции заполнения, которую Elecrow по умолчанию не выполняет).

А на следующем фото можно оценить качество шелкографии и увидеть два разрыва тента на переходных отверстиях (реально их порядка 20% от общего количества).

Качество шелкографии — удовлетворительное, как и у всех бюджетных изготовителей, она немного смещена в какую-либо из сторон примерно на 0,1..0,2 мм.

2. Дефекты паяльной маски вокруг контактных площадок. Сначала меня порадовало, что между контактными площадками с шагом 0,5 мм есть мостики паяльной маски (т.е. Elecrow наносит паяльную маску с зазором 0,05 мм на сторону — это значительно упрощает пайку), но при детальном рассмотрении обнаружилось множество сколов (4-я площадка сверху для примера).

Правое фото — это аналогичное место из другого проекта с зеленой маской от JLCPCB (они выполняют маску с зазором 0,1 мм на сторону — это, по всей видимости, исключает все дефекты, но паять такие места сложнее, т.к. припой залипает между площадками). Так же видим, что на обеих платах есть следы от летающих щупов, т.е. платы проходят 100% электротестирование — это радует.

Так же, если сравнивать, платы от Elecrow и JLCPCB, то можно заметить, что финишное покрытие (в нашем случае HASL) JLCPCB наносит более тонким слоем – площадки более плоские (это позволяет точнее позиционировать компонент).

Подводя итог по печатным платам от Elecrow, можно сказать, что за потраченные деньги ожидать большего и не стоит — все они рабочие, дефекты маски на работе не скажутся, т.к. сколы незначительные и платы не будут эксплуатироваться в условиях повышенной влажности (частично открытые переходные отверстия, в которые провалился тент, не будут критически повреждены под воздействием окружающей среды).

Итак, дожидаемся приезда в почтовое отделение дисплея, и перед нами все комплектующие.

Можно приступать к сборке.
Я использовал паяльную станцию ATTEN 8586.


Флюс KINGBO RMA-218, паяльную пасту MECHANIC XG-Z40, пинцет ESD-15 и припой FELDER ISO-Core ELR.

Первым делом паяльником запаиваем микроконтроллер и разъем под шлейф дисплея (опыт показал, что при ручном монтаже без использования трафарета применять паяльную пасту при шаге контактов 0,5 мм не стоит — получается большой процент непропая).
Далее наносим паяльную пасту на все оставшиеся контактные площадки (кроме держателя элемента питания), расставляем компоненты и пропаиваем феном.
Последним запаиваем держатель аккумулятора.

Отмываем очистителем от флюса SOLINS FLUX-OFF и продуваем разъем сжатым воздухом DUSTER того же производителя.

Готово, смотрим на результат.


Осталась самая «малость» — оживить получившийся «кирпич».
Начнем издалека, т.к. дисплей не способен отрисовывать динамические сцены и частично обновляться, а лишь выводить весь кадр целиком, то подготовим ему массивы данных для этого вывода.
Рисуем кадр в индексированных цветах (черный, белый и красный) и разделяем на черно-белый и красно-белый.

Далее в программе Image2Lcd получаем на основе наших изображений элементы массива для черного и красного цветов.

Кадр рисуется перевернутым — это обусловлено лишь компоновкой самого дисплея на печатной плате (так было удобнее разместить кнопку).

Пишем код.

Алгоритм прост (не как 3 копейки, но всё же :) ), порядок работы после пробуждения в общих чертах следующий.
1. Инициализация периферии микроконтроллера;
2. Проверка напряжения питания (оно не должно быть ниже 2,75 В — это минимальное напряжение разряда аккумулятора), если ниже, то снова засыпаем (пользователь при этом не видит реакцию на нажатие кнопки и интуитивно понимает, что аккумулятор сел);
3. Деинициализация АЦП (экономим на его питании — больше он нам не нужен);
4. Инициализация дисплея (он основной потребитель тока — 8..10 мА при перерисовке изображения, микроконтроллер на тактовой частоте 8 МГц потребляет порядка 2..4 мА);
5. Читаем значение номера кадра из эмулированной EEPROM (т.к. из соображений экономии денежных средств используем микроконтроллер без встроенной EEPROM, то её приходится эмулировать), если оно больше количества кадров в массиве для вывода, то начинаем отсчет сначала;
6. Выводим изображение кадра;
7. Увеличиваем значение номера кадра на 1;
8. Записываем значение номера кадра в эмулированную EEPROM;
9. Переводим дисплей в режим сна;
10. Переводим микроконтроллер в режим Standby.

Прошиваем с помощью SEGGER J-Link V8.

Первый тест – всего два кадра, первый был пустой, второй содержал подготовленное ранее изображение.


Это не анимация — он так перерисовывается. Да, не быстро. :) На отрисовку одного кадра уходит примерно 12 секунд.

В качестве интерактива я придумал несколько разных вариантов дизайна визиток – всего в память микроконтроллера помещается 7 трехцветных кадров (я использовал только 5 из них), если их описывать массивами. Каждый кадр сменяется при нажатии на кнопку (из видео вырезано).


А вообще информация и сценарии её вывода могут быть любыми – всё ограничено лишь фантазией и памятью микроконтроллера.
Вот такая получилась визитная карточка, на мой взгляд, эффектная и необычная.

Итак, визитки прочно вошли в нашу жизнь и заняли свое значимое место. Для современного человека вручать и получать визитные карточки — привычное дело. Важно уметь делать это правильно и избирательно!