電子ペーパー表示テスト / E-paper display test

電子ペーパーモジュールを入手したので使い方の調査も兼ねて動作確認をしてみました。購入したのは下記の白黒赤の3色表示可能な2.13インチの電子ペーパーモジュールです。AliExpress などでは1400円くらいで販売しているのをよく見かけます。他にも白黒黄3色/白黒2色のタイプもあるようです。私の探し方がよくないのか、このモジュールのデータシートや使っているドライバICの型番などが見つけられず表示させるのに、てこずりました…。


2.13" 2.13 Inch Epaper Module E-paper E-Ink EInk Display Screen 
SPI Support For Arduino UNO STM32 Raspberry PI ESP32

制御するマイコンはSeeed Studio XIAO(SAMD21) 、開発環境はArduino IDE(ver.2.1.0)を使用しました。

もちろん説明書などはありませんし、基板を見ても型番や形式名など検索キーワードになるものがなく手探り状態でした。唯一、製造メーカーっぽい「MH-ET LIVE」を手掛かりに探したところ、似たような電子ペーパーモジュールの情報がありました。が、結局、このモジュールについて詳細はわかりませんでした。ちなみに、基板裏についているICは単にレベルシフト用でした。電子ペーパーを制御しているICはおそらく電子ペーパー自体についているのだと思います。壊れそうだったので電子ペーパーを剝がして確認するのはあきらめました。

このモジュールの型番はわかりませんでしたが調べている中で、電子ペーパーの呼称がいくつかある事に気づきました。「e-paper」、「e-ink」、「epd」等と表記されることがあるようです。（どれが一般的なんでしょうか？）
そこで、Arduino IDEのライブラリから、それらをキーワードに検索するといくつかヒットしたライブラリが見つかりました。その中からSAMD21系でコンパイルでき、3色表示で2.13incに対応している「Adafruit_EPD」を試してみました。

https://github.com/adafruit/Adafruit_EPD/tree/master/examples/ThinkInk_tricolor

GxEPD2というライブラリもよさそうでしたが、かなりの種類の電子ペーパーモジュールに対応していて設定などが複雑そうだったので途中で断念しました。ライブラリとしてはGxEPD2の方が新しいし高機能っぽいです。たぶん。

早速 Adafruit_EPD をインストールしてexamplesから3色表示用のサンプルコードを開いてみましたが、モジュールの型番がわからないので、どのClassを使ったら良いかわかりません。仕方ないので2.13インチ3色用の定義が2つあったので両方試してみました。その結果、この電子ペーパーの制御ICは、SSD1680 である事がわかりました（少なくとも互換性はあると思われる）。

サンプルコードThinkInk_tricolor.inoから抜粋

// 1.54" 152x152 Tricolor EPD with ILI0373 chipset // ThinkInk_154_Tricolor_Z17 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, // EPD_BUSY, EPD_SPI); // 1.54" 152x152 Tricolor EPD with SSD1680 chipset // ThinkInk_154_Tricolor_RW display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 1.54" 200x200 Tricolor EPD with SSD1681 chipset // ThinkInk_154_Tricolor_Z90 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.13" Tricolor EPD with SSD1680 chipset ThinkInk_213_Tricolor_RW display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.13" Tricolor EPD with IL0373 chipset // ThinkInk_213_Tricolor_Z16 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.7" Tricolor Featherwing or Breakout with IL91874 chipset // ThinkInk_270_Tricolor_C44 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.7" Tricolor Featherwing or Breakout with EK79686 chipset // ThinkInk_270_Tricolor_Z70 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.9" Tricolor Featherwing or Breakout with IL0373 chipset // ThinkInk_290_Tricolor_Z10 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.9" Tricolor Featherwing or Breakout with UC8151D chipset // ThinkInk_290_Tricolor_Z13 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // 2.9" Tricolor Featherwing or Breakout with SSD1680 chipset and negative offset // ThinkInk_290_Tricolor_Z94 display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // ThinkInk_420_Tricolor_RW display(EPD_DC, EPD_RESET, EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI); // ThinkInk_420_Tricolor_Z21 display(EPD_DC, EPD_RESET,　EPD_CS, SRAM_CS, EPD_BUSY, EPD_SPI);

一応、表示できたのですが、よく見ると表示が垂直方向にずれているように見えます。表示開始位置がずれていて上の数ラインにゴミが表示されているようでした。仕方ないのでライブラリのソースコードを調べると、表示データを内部BufferからSPIで転送する際に表示開始位置にオフセットがかけられていました。そこで、Adafruit_SSD1680 のクラス定義している箇所を変更して _xram_offset = 0 としてみたところ正常に表示することができました。


\Arduino\libraries\Adafruit_EPD\src\drivers\Adafruit_SSD1680.h抜粋
class Adafruit_SSD1680 : public Adafruit_EPD {
public:
  Adafruit_SSD1680(int width, int height, int16_t SID, int16_t SCLK, int16_t DC,
                   int16_t RST, int16_t CS, int16_t SRCS, int16_t MISO,
                   int16_t BUSY = -1);
  Adafruit_SSD1680(int width, int height, int16_t DC, int16_t RST, int16_t CS,
                   int16_t SRCS, int16_t BUSY = -1, SPIClass *spi = &SPI);

  void begin(bool reset = true);
  void powerUp();
  void update();
  void powerDown();

protected:
  uint8_t writeRAMCommand(uint8_t index);
  void setRAMAddress(uint16_t x, uint16_t y);
  void busy_wait();

  //int8_t _xram_offset = 1; // 1だと表示開始位置がずれる 
  int8_t _xram_offset = 0;　 // 0だとOK
};

今回使用した電子ペーパーモジュールの仕様では、表示サイズは212x104です。にもかかわらず、何故か250x122で表示しているように見えます。謎です。

ライブラリのソースコードを更に調べてみると、SSD1680の設定では表示サイズが 250x122 を想定しているようでした。試しに、ここのサイズを212x104に変更してみましたが、水平方向にもずれてしまって全然ダメでした。謎です。

おそらく、電子ペーパーの制御のコマンドは同じで、表示アドレス設定が違うのだと思われます。それをオフセット設定で無理やり合わせて、対応していない表示サイズだけどたまたまうまくいった。と言ったところでしょうか。（調べたが未だ不明....。）


\Arduino\libraries\Adafruit_EPD\src\panels\ThinkInk_213_Tricolor_RW.h抜粋
class ThinkInk_213_Tricolor_RW : public Adafruit_SSD1680 {
public:
  ThinkInk_213_Tricolor_RW(int16_t SID, int16_t SCLK, int16_t DC, int16_t RST,
                           int16_t CS, int16_t SRCS, int16_t MISO,
                           int16_t BUSY = -1)
      : Adafruit_SSD1680(250, 122, SID, SCLK, DC, RST, CS, SRCS, MISO, BUSY){};

  ThinkInk_213_Tricolor_RW(int16_t DC, int16_t RST, int16_t CS, int16_t SRCS,
                           int16_t BUSY = -1, SPIClass *spi = &SPI)
      : Adafruit_SSD1680(250, 122, DC, RST, CS, SRCS, BUSY, spi){};

…（省略）…
}

マイコン側の端子と直結するだけです。Reset/Busy/CS/DC端子はプログラムで任意に指定が可能です。基板裏のSPIバスの選択スイッチは4線モードで使用しました。

下記のソースコードではelchikaのロゴをお借りして表示させてみました。ビットマップ表示、文字列表示、四角形の表示を行っています。Adafruit_GFXライブラリもインストールしておけばGFX系の描画APIやフォントも普通に使えました。尚、SRAM_CSは、SRAMから表示データを転送する場合のENABLE信号端子のようです。今回は使用しませんので-1としています。


e_paper_test.ino
#include <Adafruit_ThinkInk.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Fonts/FreeSansBold18pt7b.h>
#include "bitmap_data.h"

// 2.13" Tricolor EPD with SSD1680 chipset
ThinkInk_213_Tricolor_RW epd(
  3,  // DC
  1,  // RESET, 
  2,  // CS, 
  -1, // SRAM_CS, 
  4   // BUSY
);

void setup() {
  const uint8_t *bmp = __android_icon_bmp;
  uint32_t size_x = getVal(&bmp[0x12], sizeof(uint32_t));    //  水平サイズ
  uint32_t size_y = getVal(&bmp[0x16], sizeof(uint32_t));    //  垂直サイズ
  uint32_t offset = sizeof(__android_icon_bmp) - (size_x / 8 * size_y);    // 画像データの先頭

  epd.begin(THINKINK_TRICOLOR);
  epd.clearBuffer();
  epd.setFont(&FreeSansBold18pt7b);
  epd.drawBitmap(0, 0, &bmp[offset], size_x, size_y, EPD_WHITE, EPD_RED);    // 描画色=白 背景色=赤
  epd.setCursor(125, 80);
  epd.setTextColor(EPD_BLACK);
  epd.print("elchika");  
  epd.fillRect(125, 85, 125, 3, EPD_RED);
  epd.display();
}

void loop() {
  delay(1000);  
}

int32_t getVal(const uint8_t *pb, int32_t len) {
  uint32_t val = 0;
  for (int sft = 0; sft < (len * 8); sft += 8) {
    val |= ((*pb++) << sft);
  }
  return val;
}

表示させるビットマップデータはbitmap_data.hに定義してあります。作り方は次の章に記載しましたので、他のビットマップを表示させてみたい場合は参考にしてください。

bitmap_data.h

unsigned char __android_icon_bmp[] = { 0x42, 0x4d, 0xbe, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x28, 0x00, 0x00, 0x00, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x78, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x80, 0x07, 0x00, 0x00, 0xc4, 0x0e, 0x00, 0x00, 0xc4, 0x0e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc, 0x00, 0x00, 0x3f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x07, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x01, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 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0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x7f, 0x80, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x80, 0x7f, 0xc0, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x80, 0xff, 0xc0, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x80, 0x7f, 0xc0, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc, 0x00, 0x7f, 0x80, 0x1f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x3f, 0x80, 0x0f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xf0, 0x3f, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x3f, 0x00, 0x03, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x01, 0xff, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfc, 0x00, 0x00, 0xff, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x7c, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xe0, 0x00, 0x00, 0x10, 0x00, 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0x1f, 0xc0, 0x03, 0xff, 0xff, 0x80, 0x1f, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0x00, 0x03, 0x00, 0x07, 0xff, 0xff, 0x80, 0x1f, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0x80, 0x00, 0x00, 0x07, 0xff, 0xff, 0x80, 0x1f, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0xc0, 0x00, 0x00, 0x0f, 0xff, 0xff, 0x80, 0x1f, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0xe0, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1f, 0xff, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x00, 0x3f, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x0f, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3f, 0xff, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x03, 0xff, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x01, 0xff, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x01, 0xff, 0xfc, 0x00, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0x00, 0x07, 0xff, 0xff, 0xf0, 0x00, 0x01, 0xff, 0xff, 0x00, 0x00, 0x01, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xe0, 0x00, 0x00, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xe0, 0x00, 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__android_icon_bmp_len = 1982;

ビットマップのフォーマットをが生かして、マイコン制御で扱い易いようにデータを成形します。
「bitmap_data.h」を生成するには下記のようにします。（ファイル名が android-iconになっているのは特に意味はないです。間違えた...）

表示したいビットマップ形式のデータを用意する。使用する色は1色（背景と合わせて2色）とする。
この電子ペーパーの表示サイズに合うように水平サイズは250pix以下、垂直サイズは122pix以下にリサイズする。尚、Paddingが入らないようにする為、水平サイズは32の倍数にする。
ビットマップフォーマットは逆さまに画像データが格納されているので、読みだしたとき正転するように、あらかじめ元の絵を上下反転しておく。（下記はWindows11のペイントで作成）
モノクロビットファイルとしてファイル保存する。
下記のようにxxdコマンドでC言語コードに変換する。（WindowsであればWSLなどのLinux環境のインストールが必要）
$> xxd -c 16 -i ./android-icon.bmp > bitmap_data.h
生成された配列データにはヘッダも含まれてるので、実際の画像データは、[ファイルサイズ] - [水平サイズ] x [垂直サイズ] の位置から上下反転された状態で格納されていることになる。また、1bit = 1pix に対応していて、0が黒、1が白に対応します。つまり、表示すると背景と前景が逆のイメージになるので注意。
生成された「bitmap_data.h」ファイルを e_paper_test.ino と同じフォルダにコピーする。

表示されるまでは結構時間がかかります。

ここにPOSTが表示されます

電子ペーパーなので、もちろん電源を切っても表示したままです。

試行錯誤しましたが、とりあえず、この電子ペーパーモジュールの使い方がわかりました。電子ペーパーは電源を切っても表示されるのがメリットです。書き換える時にだけにしか電力を消費しないのでいろいろな用途に使えそうです。

今回は、ライブラリを改変してやっと動かせましたが、もっとスマートな方法があれば誰か教えて。

momo

組み込みSWエンジニア

momo さんが 2023/05/29 に編集をしました。 (メッセージ: 初版)
momo さんが 2023/05/29 に編集をしました。
momo さんが 2023/05/29 に編集をしました。
Opening

aboycandream 2024/01/22

私はe-inkディスプレイをGxEPD2と連携させることに成功しました。詳細は私のGitHubで確認できます：https://github.com/aBoyCanDream/2.13-E-Ink-with-GxEPD2-example

momo 2024/01/23

素晴らしい！参考にしてみます。
momo さんが 2024/01/23 に編集をしました。
Opening

sasodoma 2024/05/05

こんにちは, I hope you don't mind if I post in English, my Japanese is not very good. I stumbled upon this article while searching for information about MH-ET LIVE 2.9" 4-color display. It similar to yours but uses a different controller - GDEY029F51. In the end I found that it's not supported by the GxEPD2 library so I made my own fork and added support. I thought it would be a good idea to post the link here, in case anyone else also finds this article like I did. https://github.com/sasodoma/GxEPD2

momo 2024/05/05

Thank you for the information. Your GxEPD2 library will be helpful to everyone.