UINK 墨水屏 U 盤+ 電子書

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個擬輝光管時鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對過去經(jīng)典的敬意。

出于日常工作與計(jì)算機(jī)打交道的需要，上班族幾乎每天都要隨身攜帶U盤，于是我就想有沒有可能設(shè)計(jì)一款屬于自己與眾不同的U盤呢？恰好之前做過墨水屏項(xiàng)目，于是我開始嘗試把二者結(jié)合到一起，就這樣UINK項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，其中的“U”代表U盤，而“INK”則是墨水屏的縮寫。

硬件介紹

UINK 墨水屏 U 盤 + 電子書融合存儲與閱讀功能，采用雙核主控驅(qū)動低功耗墨水屏，支持?jǐn)?shù)周續(xù)航。集成 USB 3.0 高速接口與智能擴(kuò)展芯片，兼容快充與大容量電池，滿足多設(shè)備連接需求。支持 Micro SD 卡與即插 U 盤雙模存儲，實(shí)體按鍵搭配觸感反饋優(yōu)化電子書操作。緊湊結(jié)構(gòu)整合閱讀、存儲與外設(shè)擴(kuò)展功能，適配商務(wù)及戶外場景，以超長續(xù)航、高兼容性和便攜性為核心優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)設(shè)備功能邊界。本項(xiàng)目中使用到的主要硬件，以及硬件間的連接關(guān)系如圖 1所示，大家可以掃描目錄頁電子資源二維碼獲取電路圖。

本項(xiàng)目使用的主要元器件清單見附表。

顯示屏

想要完成這個項(xiàng)目，需要用到一款大小接近普通 U 盤的墨水屏，經(jīng)過尋找，我最終使用了一款0.97 英寸的黑白雙色墨水屏。這款顯示屏分辨率大小為 184 像素 ×88 像素，局部畫面刷新時間為0.3s，全部畫面刷新時間為 4s，通過 SPI 接口與主控進(jìn)行通信，這款顯示屏可以使用通用的墨水屏驅(qū)動電路進(jìn)行驅(qū)動。

主控

為了能夠通過 Wi-Fi 或者藍(lán)牙連接的方式來設(shè)置顯示內(nèi)容和傳遞文件，我選擇了同時支持 Wi-Fi和藍(lán)牙通信的 ESP32 模塊作為主控。ESP32 有很多型號，本項(xiàng)目選擇了小巧的 ESP32-MINI-1，這款芯片是雙核 32 位 240 MHz 的配置。

讀卡芯片

UINK 選擇 Micro SD 卡作為其存儲介質(zhì)，這是因?yàn)?Micro SD 卡有豐富的容量和速度可以做個性化的選擇，且穩(wěn)定性也比較好。隨后，我順其自然找了 GL3224 芯片作為 Micro SD 卡的讀卡芯片。U 盤讀寫速度肯定是關(guān)鍵的指標(biāo)之一，而 GL3224可以支持 Micro SD 卡且達(dá)到 USB 3.0 的傳輸速度，超過市面上大部分配備 USB2.0 接口的普通 U 盤。

USB轉(zhuǎn)串口芯片

出 于 程 序 下 載 和 調(diào) 試 的 考 慮， 我 選 擇 了CH340K 作為串口芯片。CH340K 內(nèi)置了 3 個二極管，它們用于防止獨(dú)立供電時 ESP32 通過 I/O 引腳對 CH340K 的電流倒灌，從而有效降低 UINK 在休眠狀態(tài)下的功耗。當(dāng) CH340K 與三極管搭配時，可以實(shí)現(xiàn)自動下載程序。

HUB芯片

因?yàn)?UINK 只有一個 USB 接口，卻需要實(shí)現(xiàn)U 盤和 ESP32 串口的同時掛載，采用 HUB 芯片SL2.1A 來生成兩路 USB 通道，分別供給它們使用。這樣的連接方式就能實(shí)現(xiàn)同時掛載 USB3.0 的Micro SD 卡和 USB2.0 的串口了。為了確保 HUB芯片的穩(wěn)定運(yùn)行，在電路設(shè)計(jì)上我還搭配了外置晶體振蕩器。

充電和穩(wěn)壓芯片

UINK 選 擇 了 TP4057 作 為 充 電 管 理 芯 片，TP4057 可以給電池提供最大 500mA 的充電電流，當(dāng)輸入電壓斷開時會進(jìn)入睡眠低功耗狀態(tài)，此時電池漏電流將降到 1μA 以下。同時搭配了 RT9013-33GB 芯片作為穩(wěn)壓芯片，它可以提供最大 500mA的輸出電流，25μA 的靜態(tài)電流也比較低。這樣的組合足夠給 UINK 提供工作所需的電壓和電流了。

PCB設(shè)計(jì)

為了方便后續(xù)迭代升級，我把 PCB 分拆成 U 盤部分和墨水屏部分（見圖 2）來設(shè)計(jì)，兩個部分之間再通過板對板連接器進(jìn)行連接。UINK 的 PCB 設(shè)計(jì)中，有 3 個需要注意的要點(diǎn)。第一，ESP32 模塊的天線下方不能覆銅，也不要布線，否則會對天線的信號造成影響；第二，USB 接口的所有信號引腳都要做等長差分布線，否則會極大地影響 U 盤的讀寫速度；第三，12MHz 晶體振蕩器下方盡量不要布線，而且要做“包地”處理，以免晶體振蕩器工作的時候?qū)ζ渌€路上的信號造成干擾。

外殼設(shè)計(jì)

出于保護(hù)電器元器件的考慮，設(shè)計(jì)出與 PCB大小相匹配的外殼，我先導(dǎo)出了電路板的 3D 模型，然后使用 CREO 三維設(shè)計(jì)軟件對比 PCB 大小對前后蓋、USB 蓋和按鍵帽進(jìn)行了建模（見圖 3）。避免拿著硌手，我把前后蓋和 USB 蓋都做了倒圓角處理。因?yàn)?U 盤工作的時候，GL3224 和 SL2.1A 等芯片發(fā)熱較大，所以外殼側(cè)邊做了打孔處理，一方面可以增加散熱，另一方面也可以增加摩擦。為了降低 USB 蓋質(zhì)量，除了側(cè)面的打孔，內(nèi)部也做了鏤空處理。為了盡可能縮小體積，前后蓋都沒有設(shè)計(jì)螺釘孔，而是設(shè)計(jì)了微小的卡扣來進(jìn)行連接。建立好的模型通過光固化 3D 打印出來后，經(jīng)過測試，組裝好的外殼連接得非常穩(wěn)固。

界面設(shè)計(jì)

因?yàn)槟凛^小，分辨率只有 184 像素 ×88像素，所以在設(shè)計(jì)桌面時，我把每個圖標(biāo)大小設(shè)計(jì)成 40 像素 ×40 像素，每屏默認(rèn)顯示 3 個圖標(biāo)。圖標(biāo)顯示在顯示屏中間區(qū)域，圖標(biāo)下方顯示名稱，上方則顯示開啟中的功能標(biāo)志和電量信息，UINK 桌面如圖 4 所示。我使用了線框來圈住被選中的 App，按下 UINK 上方按鍵切換選擇 App，按下下方按鍵進(jìn)入 App。

對于比較簡單的 App，并沒有設(shè)計(jì)專門的界面，而是通過彈窗來進(jìn)行交互，比如運(yùn)行“信息”App 后，會彈出彈窗（見圖 5），顯示 CPU 頻率等基礎(chǔ)信息。

重要的 App 打開后會進(jìn)入對應(yīng)的界面，比如“天氣”App 在成功獲取天氣信息后會進(jìn)入圖 6 所示界面。因?yàn)轱@示屏大小限制，選擇了地區(qū)、天氣圖標(biāo)、天氣信息和溫度進(jìn)行顯示，并添加了背景壁紙來美化界面。

程序設(shè)計(jì)

UINK 項(xiàng)目的程序使用了 Arduino IDE 進(jìn)行開發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)上能找到很多關(guān)于 ESP32 在 Arduino環(huán)境中編程的參考資料。本項(xiàng)目程序的基本框架如圖 7 所示，主要由驅(qū)動層、通用層和調(diào)度層組成。驅(qū)動層封裝了墨水屏等驅(qū)動，通用層封裝了一些供各個 App 調(diào)用的基礎(chǔ)功能，比如按鍵、NVS 存儲等。而調(diào)度層主要負(fù)責(zé)各個 App 的阻塞、恢復(fù)和跳轉(zhuǎn)等。

在這個項(xiàng)目中，可以基于 FreeRTOS 多線程實(shí)現(xiàn)了 UINK 新功能的開發(fā)。這樣的好處是，當(dāng)需要添加新功能時，幾乎不用修改原程序，只需新建一個App 頁面，再基于基礎(chǔ)的 App 模板來編寫新的功能即可。而UINK 在系統(tǒng)啟動時會把新 App 的圖標(biāo)加載到桌面上，并自動創(chuàng)建對應(yīng)的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)上述的效果，我先編寫了最基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)案例，具體如程序 1 所示，整個 UINK 項(xiàng)目都基于這個案例的框架擴(kuò)展而來。

有了上面程序作為基礎(chǔ)后，就可以在 App 頁面快速編寫出 App 的新應(yīng)用程序了，案例如程序 2所示。

在以上的 App 應(yīng)用程序中，系統(tǒng)啟動時所有App 會同時運(yùn)行。因此，當(dāng)多個 App 嘗試訪問同一硬件資源或變量時，可能會引發(fā)沖突。FreeRTOS操作系統(tǒng)提供了互斥鎖（Mutex）機(jī)制，專門用于處理這類問題。我針對上述程序進(jìn)行了優(yōu)化：引入了一個互斥鎖。當(dāng)桌面某個 App 被激活時，它將獲得“鑰匙”以“解鎖”，并執(zhí)行其程序，而其他App 則全部暫停執(zhí)行，等待“鑰匙”被釋放。通過設(shè)計(jì)互斥鎖，在 UINK 中始終只有一個 App 能拿到鑰匙，從而避免了 App 之間出現(xiàn)沖突。

接下來請欣賞一下豐富有趣的 App 吧！其中“閱讀”App（見圖 8），可以隨時隨地讀取格式為.txt 的文檔或者小說，關(guān)閉界面會自動保存書簽，下次打開時能夠自動恢復(fù)閱讀進(jìn)度?！靶侣劇盇pp（見圖 9）則可以在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下自動獲取當(dāng)日的新聞簡報?！胺摴P”App 通過開啟藍(lán)牙并連接計(jì)算機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)播放 PPT 或調(diào)節(jié)音量等功能?！拜o屏”App 在連接計(jì)算機(jī)后，可以監(jiān)控計(jì)算機(jī)CPU/GPU的工作情況。其他 App 還有“天氣”“計(jì)時器”“網(wǎng)絡(luò)”“相冊”等，這些 App 極大地豐富了 UINK 的趣味性和實(shí)用性。

結(jié)語

在 UINK 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，并不是一帆風(fēng)順，上述的方案其實(shí)已經(jīng)是 UINK 的第二代設(shè)計(jì)。初代的 UINK 并沒有集成電池和配套的充電、穩(wěn)壓電路，而是依賴計(jì)算機(jī)供電來驅(qū)動墨水屏。在測試過程中，我發(fā)現(xiàn)墨水屏刷新未完成時斷開連接會導(dǎo)致顯示異常，所以才引入了電池和對應(yīng)的充 / 放電穩(wěn)壓電路。與初代相比，二代的設(shè)計(jì)上還有一個很大的區(qū)別。初代在設(shè)計(jì)時為了保證計(jì)算機(jī)和 ESP32 端都能訪問 U 盤，但是 ESP32 在讀取大容量和高速的Micro SD 卡時存在限制。為了實(shí)現(xiàn)高速大容量 U 盤的設(shè)計(jì)，不得不放棄了 ESP32 端對 U 盤內(nèi)容的讀寫和管理功能。

盡管第二代 UINK 比起第一代有所進(jìn)步，但也還有不少改進(jìn)的空間。比如，電池續(xù)航能力不足，U 盤工作時的發(fā)熱較大，以及 PCB 布局不合理導(dǎo)致的焊接困難等。我將繼續(xù)優(yōu)化這些方面，讓 UINK 成為更加有趣又實(shí)用的作品。