基于APM32E030的电子墨水屏时钟

21小跑堂 · 发表于 2025-6-30 23:23

本帖最后由 shanyuxiang 于 2025-7-1 00:04 编辑

#申请原创# @21小跑堂

基于APM32E030的电子墨水屏时钟

一、前言

1.1 关于APM32E030系列

APM32E030作为极具性价比的CortexM0+系列单片机，价格虽然便宜，功能却不少，

其中就有个带日历功能的RTC。

这个RTC可比那些只有个计时器的RTC强太多。拿来做一个电子时钟再好不过了。

其中需要显示的年、月、日、星期、时、分、秒都可以通过寄存器直接读出，不需要软件去换算。

1.2 电子墨水屏

电子墨水屏ePaper是一种采用“微胶囊电泳显示”技术的显示介质，通过不同电压吸引不同颜色的墨滴实现黑白或多个颜色的显示，由于是显示单元是墨滴，所以不需要背光，对眼睛比较友好。除了护眼，省电也它的一大特色，在断电的情况下也能保持显示，在刷屏时才费电，其他时候可以进入睡眠或者直接断电，很适合用来做电子钟或者万年历。

手上刚好有之前在海鲜市场上淘的电子标签，把上面的2.13寸墨水屏拆下作为显示屏，墨水屏的规格如下：

屏幕型号：HINK-E0213A04

分辨率： 122x250

显示颜色：黑白

支持局部刷新

更详细的资料可参考：

https://www.waveshare.net/wiki/2.13inch_e-Paper_HAT_Manual

二、电路部分

2.1 APM32E030RBT6和RTC电路

主控部分采用APM32E030R Micro-EVB开发板，该开发板板载一个 Geehy CMSIS DAP（WinUSB）调试器，

据说速度要比HID的那种更快，但是在Win7上要手动装一下驱动。

RTC相关电路比较简单，需要有个32.768KHz的晶振。

2.2 电子墨水屏驱动电路

电子墨水屏内部电压较高，需要一套驱动电路，开发板->驱动板->墨水屏，这样相连才能驱动墨水屏。

做了个驱动板，这样开发板就可以通过2.54mm-8P杜邦线与24P的墨水屏接口相连，

市面上很多墨水屏都是这样的接口，这个驱动电路不仅限于这款墨水屏，也适用于其他类似的电子墨水屏。

三、RTC的程序

官方发布的SDK包中有关于RTC的例程，这里根据"APM32E030_SDK_V1.0.1\Examples\BOARD_APM32E030_TINY\RTC\RTC_Calendar"

例程进行修改并封装，以便于后面的应用程序调用。

首先是RTC的初始化，主要是配置RTC的时钟，并对RTC的参数进行设置。

复制

void rtc_init(void)

{

    /* RTC Reset */

    RTC_Init();

    RTC_Reset();

    RTC_Init();



    /* RTC Enable Init */

    RTC_EnableInit();



    RTC_ConfigDateStructInit(&DateStruct);



    /* RTC Disable Init */

    RTC_DisableInit();

}

为了显示时间和日期，需要相关的读取函数：

复制

void rtc_read_time(unsigned char *hours, unsigned char *minutes, unsigned char *seconds)

{

    /* Read time */

    RTC_ReadTime(RTC_FORMAT_BIN, &TimeStruct);

    RTC_Delay();



    *hours   = TimeStruct.hours;

    *minutes = TimeStruct.minutes;

    *seconds = TimeStruct.seconds;

}



void rtc_read_data(unsigned char *year, unsigned char *month, unsigned char *day, unsigned char  *weekday)

{

    /* Read Date */

    RTC_ReadDate(RTC_FORMAT_BIN, &DateStruct);

    RTC_Delay();

 

    *year  = DateStruct.year;

    *month = DateStruct.month;

    *day   = DateStruct.date;

    *weekday = DateStruct.weekday;

}

为了设置时间和日期，需要相关的写入函数：

复制

void rtc_write_time(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second)

{

    TimeStruct.H12 = 12;

    TimeStruct.hours = hour;

    TimeStruct.minutes = minute;

    TimeStruct.seconds = second;



    RTC_ConfigTime(RTC_FORMAT_BIN, &TimeStruct);

    RTC_Delay();

}



void rtc_write_date(unsigned char year, unsigned char month, unsigned char day, unsigned char  weekday)

{

    DateStruct.year =  year;

    DateStruct.month = month;

    DateStruct.date =  day;

    DateStruct.weekday = weekday;





    RTC_ConfigDate(RTC_FORMAT_BIN, &DateStruct);

    RTC_Delay();



}

因为RTC带有日历功能，这部分的程序相对来说简单很多，这几个函数已经足够。

四、墨水屏的程序

4.1 底层硬件驱动

电子墨水屏通过SPI接口通信，需要用到以下6个信号：

MOSI  - PB5  数据
SCK - PB3  时钟
CS    - PB4  片选
DC    - PC12 数据/命令控制
RST - PB8  复位
BUSY  - PB9  繁忙检测

其中MOSI和SCK可以用硬件SPI的单发送模式来实现，也可以用GPIO模拟SPI来实现。

底层驱动函数主要包含SPI字节写、写命令、写数据、等繁忙。

复制

void epaper_gpio_write_cs(unsigned char level)

{

    if (level)

        GPIO_SetBit(EPAPER_CS_GPIO, EPAPER_CS_PIN);

    else

        GPIO_ClearBit(EPAPER_CS_GPIO, EPAPER_CS_PIN);

}



void epaper_gpio_write_rst(unsigned char level)

{

    if (level)

        GPIO_SetBit(EPAPER_RST_GPIO, EPAPER_RST_PIN);

    else

        GPIO_ClearBit(EPAPER_RST_GPIO, EPAPER_RST_PIN);

}



void epaper_gpio_write_dc(unsigned char level)

{

    if (level)

        GPIO_SetBit(EPAPER_DC_GPIO, EPAPER_DC_PIN);

    else

        GPIO_ClearBit(EPAPER_DC_GPIO, EPAPER_DC_PIN);

}



void epaper_gpio_write_mosi(unsigned char level)

{

    if (level)

        GPIO_SetBit(EPAPER_MOSI_GPIO, EPAPER_MOSI_PIN);

    else

        GPIO_ClearBit(EPAPER_MOSI_GPIO, EPAPER_MOSI_PIN);

}



void epaper_gpio_write_sck(unsigned char level)

{

    if (level)

        GPIO_SetBit(EPAPER_SCK_GPIO, EPAPER_SCK_PIN);

    else

        GPIO_ClearBit(EPAPER_SCK_GPIO, EPAPER_SCK_PIN);

}



unsigned char epaper_gpio_busy_read()

{

    if (GPIO_ReadInputBit(EPAPER_BUSY_GPIO, EPAPER_BUSY_PIN) == BIT_RESET)

        return 0;

    else

        return 1;

}



//SPI写字节

void epaper_spi_wrtie(unsigned char value)

{

    unsigned char i;



    __disable_irq();

    EPAPER_SPI_DELAY;

    for (i = 0; i < 8; i++)

    {

        epaper_gpio_write_sck(0);

        EPAPER_SPI_DELAY;

        if (value & 0x80)

            epaper_gpio_write_mosi(1);

        else

            epaper_gpio_write_mosi(0);



        value = (value << 1);

        EPAPER_SPI_DELAY;

        EPAPER_SPI_DELAY1;

        epaper_gpio_write_sck(1);

        EPAPER_SPI_DELAY;

    }



    __enable_irq();

}



//写命令

void epaper_write_cmd(unsigned char command)

{

    EPAPER_SPI_DELAY;

    epaper_gpio_write_cs(0);

    epaper_gpio_write_dc(0);        // command write

    epaper_spi_wrtie(command);

    epaper_gpio_write_cs(1);

}



//写数据

void epaper_write_data(unsigned char data)

{

    EPAPER_SPI_DELAY;

    epaper_gpio_write_cs(0);

    epaper_gpio_write_dc(1);        // command write

    epaper_spi_wrtie(data);

    epaper_gpio_write_cs(1);

}



////等待电子纸空闲,超时后会退出

unsigned char epaper_wait_busy(void)

{

    unsigned int i = 400;



    while (i--)

    {

        if (epaper_is_busy() == 0)  return 0; //空闲退出



        epaper_delay_xms(10);

    }

    return -1;  //超时退出

}

4.2 全局刷图片

这款屏幕的宽度为122，高度为250，取模时需要横向取模，高位在前。

起点坐标和方向如图所示：

如果想要全屏显示一张图片，需要先准备一张122x250分辨率的图片，

用软件“Image2Lcd”打开这张图片，注意选择“水平扫描”，取消下方五个选项的勾，勾选“颜色翻转”，

这款屏幕1为白点、0为黑点，因此要选择颜色反转。最后点"保存" 得到一个g_Image.c文件。

把g_Image.c中的数组全部写入到到屏幕的内存中去，

具体步骤先是设置区域大小，因为是写入全屏数据，所以调用 epaper_driver_set_window(0, 0, 122, 250);

在每一行数据写入前设置起点 epaper_driver_set_cursor(0, y)，然后一次写入整行数据，重复多行，完成整幅图片的写入。

复制

 //全填充 刷整个屏幕

void epaper_driver_fill(unsigned char buffer[])

{

    unsigned short  x, y;

    unsigned int i = 0;



    epaper_driver_set_window(0, 0, EPAPER_WIDTH_PIXEL, EPAPER_HEIGHT_PIXEL);

    for (y = 0; y < EPAPER_HEIGHT_PIXEL; y++)

    {

        epaper_driver_set_cursor(0, y);

        epaper_write_cmd(0x24);

        for (x = 0; x < EPAPER_WIDTH_BYTES; x++)

        {

            epaper_write_data(buffer[i++]);

        }

    }

    epaper_driver_refresh();

}

写入到屏幕的SRAM中后，屏幕并不会马上刷新，还需要发送更新命令。

复制

//刷新显示

void epaper_driver_refresh(void)

{



    epaper_write_cmd(0x22); // DISPLAY_UPDATE_CONTROL_2

    epaper_write_data(0xC4);

    epaper_write_cmd(0X20); // MASTER_ACTIVATION

    epaper_write_cmd(0xFF); // TERMINATE_FRAME_READ_WRITE

    epaper_wait_busy();

}

这样屏幕才会刷新，闪烁几次，大约3-5秒可完成全屏刷新。

涉及的驱动代码很多，更详细的代码可以参考上面链接中的微雪示例代码。

4.3 局部刷文字

局部刷新的方法

电子墨水屏全刷耗时较长，如果用来显示时间，尤其是显示秒数就不太合适，这就需要改为局部刷新，局部刷新很快，不到1秒就可完成。

设为局部刷新，需要写入一个新的LUT表到屏幕：

复制

//更新LUT, 设置全刷或局刷 

void epaper_set_lut_table(unsigned char mode)

{



    epaper_write_cmd(0x32);



    unsigned short i;

    if (mode == EPAPER_MODE_FULL) //全刷

    {

        for (i = 0; i < 30; i++)

        {

            epaper_write_data(epaper_lut_full_update[i]);

        }

    }

    else if (mode == EPAPER_MODE_PART)       //局刷

    {

        for (i = 0; i < 30; i++)

            epaper_write_data(epaper_lut_partial_update[i]);

    }

    else;

}

自定义字体的制作

要想显示日期和时间，需要制作相关字库，字库就相当于多个字形图片的集合，和前面的取模和显示方法类似，只不过这里是更小的图片。

这里用“PCtoLCD”来制作所需要的字库，字幕选项设为”逐行式“

选择字体、设置字高、字宽，输入想要生成的文字，最后点"生成字模"，

这样就得到字库数组 const unsigned char DZ_simkai24[]。

ASCII字符比较少，可以把全部ascii字符做成字库放进MCU中，使用也比较简单；

中文字符太多了全部做成字库放进MCU中不现实，所以我选择只把要用到的汉字做成字库，其他的字就显示为空格。

为了能找到某个汉字字模在这些数组中的位置，还需要做个字模和编码的映射关系表。

于是先定义这样一个新的数据类型，把每个字的GB2312编码和该字模在数组中的位置联系起来。

复制

typedef struct

{

    unsigned char first;      //GB2312编码

    unsigned char second;     //GB2312编码

    unsigned int  index;      //在字库文件中的索引



} FontCode;

把所有要用的字的映射关系存放进该结构体数组中：

复制

FontCode DZ_simkai24_code[]=

{

  {0x20,0x00,0},  //" "   0200

  {0xc4,0xea,1},  //"年"  c4ea

        {0xd4,0xc2,2},  //"月"  d4c2

  {0xc8,0xd5,3},  //"日"  c8d5

  {0xd2,0xbb,4},  //"一"  d2bb

  {0xb6,0xfe,5},  //"二"  b6fe

  {0xc8,0xfd,6},  //"三"  c8fd 

  {0xcb,0xc4,7},  //"四"  cbc4 

  {0xce,0xe5,8},  //"五"  cee5

  {0xc1,0xf9,9},  //"六"  c1f9

  {0xcc,0xec,10}, //"天"  ccec

  {0,0}

};

后面显示文字时通过检索DZ_simkai24_code中编码可以找到该字在DZ_simkai24[]字模中偏移位置，

用偏移乘以该字所占大小就能得到数组中的准确位置，然后就像画图一样描进画布缓存中。

复制

//搜索汉字在数组中的索引

static inline unsigned int epaper_font_search_gb2312(unsigned char code[2])

{

    unsigned int i = 0;



    while (curFont.code[i].first > 0)

    {

        if ((curFont.code[i].first == code[0]) && (curFont.code[i].second == code[1]))

        {

            return i;

        }

        i++;

    }

    return 0;

}



//绘制文字

void epaper_draw_text(unsigned short x0, unsigned short y0, char *text)

{

    unsigned short x;

    unsigned int  index;

    unsigned char *ptr;

    unsigned short first;

    x = x0;



    while (*text != 0)

    {

        if (*text < 0x7F) //小于127(0x7F)是ASCII

        {

            index = epaper_font_search_ascii(*text);

            ptr = &curFont.data[index * curFont.size];



            epaper_clear_windows(x, y0, x + curFont.width, y0 + curFont.height);



            if (curPage.area_refresh)

                epaper_draw_icon_area(x, y0, curFont.width, curFont.height, ptr);

            else

                epaper_draw_icon(x, y0, curFont.width, curFont.height, ptr);



            x += (curFont.width);

            text++;;

        }

        else

        {

            index = epaper_font_search_gb2312(text);

            ptr = &curFont.data[index * curFont.size];



            epaper_clear_windows(x, y0, x + curFont.width, y0 + curFont.height);



            if (curPage.area_refresh)

                epaper_draw_icon_area(x, y0, curFont.width, curFont.height, ptr);

            else

                epaper_draw_icon(x, y0, curFont.width, curFont.height, ptr);



            x += curFont.width;

            text += 2;

        }



    }

}

有了以上代码作为基础，显示中文就很简单了：

复制

epaper_font_set(&simkai24);

  epaper_draw_text(0,0,"  年 月 日  ");

为保证能找到正确的文字编码，以上代码中的汉字须是GB2312，在Keil里面设置一下，

菜单栏View -> Configuration->Editor ，Encoding 选“Chinese GB1212” 。

五、程序整合

有了前面的RTC函数和墨水屏显示函数，后面实现日期显示和时间显示就容易很多。

每隔1秒(或小于1S)读取一次RTC的时间，如果时间和上次不同，则刷新为当前时间，

如果时间到了00：00：:00 ，则刷新日期，代码如下：

复制

//显示实时时间：时、分、秒

unsigned char is_refresh_date=0;

void gui_page_real_time()

{

  static unsigned char old_hour=0xff,old_minute=0xff,old_second=0xff;

        unsigned char hour,minute,second;

        char temp_str[8];

        

        rtc_read_time(&hour,&minute,&second);

        

        epaper_font_set(&Digiface64);

        

        if(hour!=old_hour)

        {

          sprintf(temp_str,"%02d",hour);

                epaper_draw_text(TIME_POS_X,TIME_POS_Y,temp_str);

        }

        

        if(minute!=old_minute)

        {

          sprintf(temp_str,"%02d",minute);

                epaper_draw_text(TIME_POS_X+32*3-16,TIME_POS_Y,temp_str);

        }

        

        if(second!=old_second)

        {

          sprintf(temp_str,"%02d",second);

                epaper_draw_text(TIME_POS_X+32*6-16,TIME_POS_Y,temp_str);

        }

  if((hour!=old_hour)||(minute!=old_minute)||(second!=old_second))

        {

                if(curPage.area_refresh==0)

           epaper_driver_fill(curPage.buffer);

                

                if(hour==0&& minute==0 && second==0)

                        is_refresh_date=1;

        }

 

        old_hour   =hour;

        old_minute =minute;

        old_second =second; 

}



//显示实时日期：年、月、日

void gui_page_real_date()

{

         static unsigned char old_year=0xff,old_month=0xff,old_day=0xff,old_weekday=0xff;

         unsigned char year,month,day,weekday;

         char temp_str[8];

                 

   rtc_read_data(&year,&month,&day,&weekday);

        

        epaper_font_set(&Digiface24);

        if(year!=old_year)

        {

                

          sprintf(temp_str,"20%02d",year);

                epaper_draw_text(DATE_POS_X,DATE_POS_Y,temp_str);

        }

        

        if(month!=old_month)

        {

          sprintf(temp_str,"%02d",month);

                epaper_draw_text(DATE_POS_X+12*6,DATE_POS_Y,temp_str);

        }

        

        if(day!=old_day)

        {

          sprintf(temp_str,"%02d",day);

                epaper_draw_text(DATE_POS_X+12*10,DATE_POS_Y,temp_str);

        }

        

        if(weekday!=old_weekday)

        {

                epaper_font_set(&simkai24);

                memcpy(temp_str,&WeekdayTab[weekday*2],2);

                strcat(temp_str,"\0");

                

                epaper_draw_text(DATE_POS_X+12*16,DATE_POS_Y,temp_str);

        }

        if((year!=old_year)||(month!=old_month)||(day!=old_day)||(weekday!=old_weekday))

        {

          if(curPage.area_refresh==0) 

                  epaper_driver_fill(curPage.buffer);

        }



        old_year  =year;

        old_month =month;

        old_day   =day;

  old_weekday=weekday;         

}

六、测试效果

看看最终显示效果：

发表于 2025-7-1 15:58

电子纸真是舒服啊！
只是价格还是超过我的预算啊

发表于 2025-7-1 16:28

屏幕自己带升压用的PWM输出？

发表于 2025-7-1 16:41

梦塑者发表于 2025-7-1 15:58
电子纸真是舒服啊！
只是价格还是超过我的预算啊

TFT 屏功耗也不大，还便宜。一秒刷一次平均功耗20~30微安

发表于 2025-7-1 16:45

梦塑者发表于 2025-7-1 15:58
电子纸真是舒服啊！
只是价格还是超过我的预算啊

新的电子墨水屏模块确实贵，我都是从二手电子标签上拆

发表于 2025-7-1 16:47

chineseboyzxy 发表于 2025-7-1 16:28
屏幕自己带升压用的PWM输出？

用了个驱动板，就是那个绿色的板，用3.3V给驱动板供电。

发表于 2025-7-2 08:44

不错不错，墨水屏价格贵没怎么玩

发表于 2025-7-2 08:44

不错不错，墨水屏价格贵没怎么玩

发表于 2025-7-2 08:45

不错不错，墨水屏价格贵没怎么玩

发表于 2025-7-2 09:14

发表于 2025-7-2 09:15

shanyuxiang · 发表于 2025-7-16 10:45

上大学的时候就喜欢电子纸屏，这么多年了。这个东西一没有降价，二没有普及。
唉

shanyuxiang · 发表于 2025-7-16 10:47

shanyuxiang 发表于 2025-7-1 16:45
新的电子墨水屏模块确实贵，我都是从二手电子标签上拆

现在越来越觉得某鱼的东西不靠谱。
现在各样奇怪的事情都可以在某鱼发生，什么到手刀，什么寄砖头。
感觉货不对版已经是见怪不怪了

发表于 2025-7-17 12:01

非常详细的教程，从硬件到软件都有涉及，学习了！

发表于 2025-7-24 17:18

这种墨水瓶做成产品应该很有感觉，看上去高大上，有档次！！

[APM32E0] 基于APM32E030的电子墨水屏时钟

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