微型U盾液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

楊凌 曾文波 鐘建坤 楊錦喜

摘要：U盾密碼器應(yīng)用廣泛，選用外形美觀的微型U盾液晶顯示屏，為了保證微型U盾液晶顯示屏模組的性能，選用功耗低，組件數(shù)量少，性能穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)器ST7567A。針對(duì)驅(qū)動(dòng)器，闡述了驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，研究了驅(qū)動(dòng)器的硬件引腳及驅(qū)動(dòng)方式。采用微處理器STC89C52對(duì)微型U盾液晶顯示模組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器與微處理器之間使用4線SPI接口時(shí)序通信方式，針對(duì)U盾液晶顯示屏設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)屏幕顯示功能進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了U盾液晶顯示屏屏幕顯示漢字及圖片的功能。

關(guān)鍵詞：U盾液晶顯示屏；驅(qū)動(dòng)器；ST7567A；顯示

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）30-0095-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

U盾密碼器是用于網(wǎng)上銀行電子簽名和數(shù)字認(rèn)證的工具，它能夠防止各種木馬病毒、黑客等網(wǎng)絡(luò)不安全因素，保障網(wǎng)上銀行資金的安全[1]。隨著U盾的廣泛使用，U盾的核心部件液晶顯示模組的需求也日漸提高。

本文使用的微型U盾液晶顯示屏型號(hào)為YMK12864P，外形設(shè)計(jì)美觀，屏幕非可視區(qū)域?qū)挾饶軌蜻_(dá)到0.9mm，且無(wú)須擴(kuò)散膜，自帶擴(kuò)散功能的底偏光片，降低了生產(chǎn)成本[2]。液晶顯示屏和驅(qū)動(dòng)器一起構(gòu)成液晶顯示模組。為了保障U盾液晶顯示模組的性能，對(duì)液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)器的選用和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文采用的微型U盾液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ST7567A，其功耗低，組件數(shù)量少，性能穩(wěn)定。本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的研究，針對(duì)U盾液晶顯示屏產(chǎn)品設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)屏幕顯示功能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

2 微型U盾LCD驅(qū)動(dòng)器

U盾密碼器產(chǎn)品包含了液晶顯示屏及驅(qū)動(dòng)器。ST7567A是一款單芯片點(diǎn)陣式LCD驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置振蕩電路和低功率電源電路，無(wú)須外部時(shí)鐘或電源即可產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而可以制造出組件數(shù)量少，功耗最低的顯示系統(tǒng)。

ST7567A可直接連接到具有8位并行接口，4線串行接口，3線串行接口或I2C串行接口的微處理器。本文使用的是4線串行接口（4-SPI）連接方式。

ST7567A內(nèi)部有一個(gè)存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)RAM，簡(jiǎn)稱為DDRAM，用于存儲(chǔ)LCD顯示屏的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。微處理器能夠通過(guò)I/0口對(duì)DDRAM進(jìn)行讀取和寫(xiě)入，在LCD顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)，數(shù)據(jù)也可以寫(xiě)入DDRAM。

2.1 硬件引腳

ST7576A硬件引腳如圖1所示。部分引腳功能為：

（1）引腳SEG0-SEG131，COM0-COM63和COMS為驅(qū)動(dòng)器輸出引腳。

（2）微處理器接口引腳為RSTB、CSB、A0。RSTB引腳用于硬件復(fù)位，內(nèi)部初始化。CSB引腳為片選輸入端，當(dāng)CSB=0時(shí)啟用接口訪問(wèn)。A0引腳用于判斷D[7：0]上的信號(hào)是數(shù)據(jù)還是命令，當(dāng)A0=1時(shí)表示顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)A0=0時(shí)表示信號(hào)為命令。

（3）配置引腳包含SI2、PSB、C86，用于選擇接口類(lèi)型，如表1所示，其中“0”表示低電平，“1”表示高電平。本文采用串行4線SPI傳輸方式，因此設(shè)置引腳SI2=0，PSB=0，C86=1。

2.2 4線SPI接口時(shí)序

SPI，全稱Serial Peripheral Interface，是一種通信協(xié)議。這種協(xié)議速度快，屬于同步、全雙工模式，該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)僅需四根線，占用芯片引腳數(shù)量少[3]。4線SPI接口時(shí)序圖如圖2所示。由時(shí)序圖可知，當(dāng)CSB為高電平時(shí)，D0-D7引腳為高阻態(tài)。當(dāng)CSB為低電平時(shí)，串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）輸入被使能。在第八個(gè)串行時(shí)鐘后，SDA上的串行數(shù)據(jù)將被處理為8位并行數(shù)據(jù)。同時(shí)，引腳A0被鎖存且指示出8位并行數(shù)據(jù)是用于顯示數(shù)據(jù)還是指令。SDA上的串行數(shù)據(jù)在SCL時(shí)鐘的上升沿被鎖存。

3 硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 微處理器STC89C52

本文使用微處理器STC89C52對(duì)微型U盾液晶顯示模組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。STC89C52具備低功耗、高性能的特性[4]，是由STC公司生產(chǎn)的。雖然使用的仍然是MCS-51內(nèi)核，但相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)更加靈活實(shí)用，STC89C52具備8位CPU，自帶8K字節(jié)可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器，512字節(jié)的RAM，32位I/O口線[5]。能夠?yàn)榍度胧娇刂茟?yīng)用系統(tǒng)提供有效的解決方案。

微處理器STC89C52共有4組8位的可編程I/O口，分別是P0、P1、P2、P3。復(fù)位后，P0、P1、P2、P3為準(zhǔn)雙向口/弱上拉，其中P0如果作為總線擴(kuò)展用，無(wú)須添加上拉電阻，但作為I/O口用時(shí)，則要設(shè)置上拉電阻[6]。每個(gè)I/O口有8個(gè)引腳，即8位，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能。根據(jù)硬件的情況，本文采用8位準(zhǔn)雙向I/O口線P3，用于連接液晶顯示模組。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

硬件驅(qū)動(dòng)電路連接圖如圖3所示，其中P3.0-P3.5為微處理器STC89C52的IO引腳，CS、A0、SCL、SDA、RES為液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)器ST7567A的引腳。YMK12864P為L(zhǎng)CD屏型號(hào)，驅(qū)動(dòng)器與LCD屏共同構(gòu)成液晶顯示模組。

由于微處理器STC89C52不帶標(biāo)準(zhǔn)SPI接口[7]，因此需要應(yīng)用軟件模擬的方式，使用IO口模擬SPI通信。本文采用P3.0、P3.1、P3.3、P3.4、P3.5引腳模擬SPI通信，這幾個(gè)引腳分別連接CS、A0、SCL、SDA、RES。其中，CS引腳為片選信號(hào)，低電平有效，該引腳相當(dāng)于是屏幕的開(kāi)關(guān)，高電平則無(wú)法對(duì)LCD屏進(jìn)行操作，只有低電平時(shí)才能對(duì)LCD屏進(jìn)行操作。A0引腳為命令/數(shù)據(jù)信號(hào)，低電平時(shí)用于數(shù)據(jù)傳輸，高電平時(shí)用于命令傳輸。SCL引腳上升沿有效，SDA引腳用于數(shù)據(jù)傳輸，RES引腳是復(fù)位引腳。

4 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 屏幕顯示設(shè)計(jì)

本文在屏幕上顯示漢字及圖片，根據(jù)屏幕顯示原理，程序總體設(shè)計(jì)思路為：

（1）屏幕初始化。

（2）字模提取。采用縱向取模，字節(jié)倒序，生成字碼。

（3）設(shè)置頁(yè)地址。明確漢字或圖片所需頁(yè)數(shù)。

（4）設(shè)置列地址。列地址需要分別取地址的高位及低位。

（5）讀取漢字及圖片字碼，在屏幕上顯示效果。

4.1.1 屏幕掃描方向設(shè)計(jì)

微型U盾LCD屏YMK12864P為128*64點(diǎn)陣屏?？煞譃?頁(yè)，每頁(yè)8行（D7-D0），共128列。D7-D0顯示數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)從高位開(kāi)始讀，顯示數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)后，列地址自動(dòng)增加。MX、MY用于控制屏幕的掃描方向，其中，MX用于控制屏幕列向的掃描方向，MY用于控制頁(yè)的掃描方向。屏幕掃描方向如圖4所示。當(dāng)MX=0時(shí)，從第0列掃描至最后一列，當(dāng)MX=1時(shí)，反向。當(dāng)MY=0時(shí)，屏幕從第0頁(yè)掃描至最后一頁(yè)，當(dāng)MY=1時(shí)，反向。

4.1.2 漢字顯示程序設(shè)計(jì)

漢字顯示程序設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：

（1）字模提取

本文采用字模提取工具，根據(jù)屏幕掃描方向，設(shè)計(jì)漢字字模提取參數(shù)，如圖5所示，參數(shù)為縱向取模，字節(jié)倒序，同時(shí)設(shè)置小四號(hào)字體，這樣生成的字碼點(diǎn)陣為16*16大小。

漢字“河”的字碼為：

HE[]={0x10，0x60，0x02，0x8C，0x00，0x04，0xE4，0x24，0x24，0xE4，0x04，0x04，0xFC，0x04，0x04，0x00，0x04，0x04，0x7E，0x01，0x00，0x00，0x0F，0x04，0x04，0x0F，0x40，0x80，0x7F，0x00，0x00，0x00，};

（2）設(shè)置頁(yè)地址。由于漢字大小為16*16，屏幕每頁(yè)為8行，因此一個(gè)漢字占兩頁(yè)。設(shè)置第0頁(yè)的頁(yè)面地址指令為0xb0，以此類(lèi)推，設(shè)置第n頁(yè)的頁(yè)面地址指令為0xb0+n。

（3）設(shè)置列地址。設(shè)置列地址指令又分為兩個(gè)指令，分別設(shè)置的是列地址的高四位和低四位。如果y表示漢字的列地址，yh表示地址高八位，yl表示地址第八位，則設(shè)置列地址高八位的指令為0x10+yh，設(shè)置列地址低八位的指令為0x00+yl。

（4）讀取漢字字碼數(shù)組，顯示漢字。

（5）圖片顯示時(shí)，同樣遵循上述步驟，先設(shè)置頁(yè)地址和列地址，再一個(gè)一個(gè)讀取圖片字碼。實(shí)現(xiàn)圖片顯示。

4.1.3 命令與數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

根據(jù)4線SPI接口時(shí)序圖，設(shè)計(jì)發(fā)送命令程序思路為：首先設(shè)置CS引腳為低電平，A0引腳為低電平，數(shù)據(jù)一位一位傳輸。由于數(shù)據(jù)為8位，因此需要一位一位寫(xiě)入，當(dāng)SCL引腳為上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入。程序如下：

void wcomspi（char cmd）

{

int i;

clrbit（cs）;

clrbit（A0）;

for（i=0;i<8;i++）

{

clrbit（scl）;

if（cmd&0x80）

setbit（sda）;

else

clrbit（sda）;

setbit（scl）;

cmd=cmd<<1;

}

setbit（cs）;

}

發(fā)送數(shù)據(jù)程序和發(fā)送命令程序類(lèi)似，不同的地方在于引腳A0因設(shè)置為高電平。設(shè)計(jì)思路為：首先設(shè)置CS引腳為低電平，A0引腳為高電平，數(shù)據(jù)一位一位傳輸。由于數(shù)據(jù)為8位，因此需要一位一位寫(xiě)入，當(dāng)SCL引腳為上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入。程序如下：

void wdataspi（char dat）

{

int i;

clrbit（cs）;

setbit（A0）;

for（i=0;i<8;i++）

{

clrbit（scl）;

if（dat&0x80）

setbit（sda）;

else

clrbit（sda）;

setbit（scl）;

dat=dat<<1;

}

setbit（cs）;

}

4.2結(jié)果展示

U盾密碼器液晶顯示屏YMK12864P屏幕大小為128*64。顯示漢字“河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院” 如圖6所示，每個(gè)漢字大小為16×16，因此每個(gè)字占用兩頁(yè)，16列?？偣菜枇袛?shù)為128，不超出屏幕范圍。

屏幕顯示?；杖鐖D7所示，圖片大小為48×48，因此圖片占用6頁(yè)，48列。

5 小結(jié)

本文使用STC89C52微控制器對(duì)微型U盾密碼器液晶顯示屏模組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。研究了驅(qū)動(dòng)器ST7567A的引腳及工作時(shí)序，分析了U盾密碼器液晶顯示屏YMK12864P的顯示原理。根據(jù)顯示原理，本文設(shè)計(jì)了硬件驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了屏幕顯示漢字與圖片的效果。該屏幕非可視區(qū)域?qū)挾容^小，無(wú)須使用擴(kuò)散膜，驅(qū)動(dòng)器及微處理器功耗低，這使得整個(gè)系統(tǒng)成本更少，耗能更低，簡(jiǎn)單實(shí)用。從結(jié)果圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方案具有一定的可行性，效果較好，畫(huà)面清晰穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔文濤，唐賓徽.銀行網(wǎng)銀U盾的安全調(diào)查[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2018（7）：250.

[2] 楊錦喜，鐘建坤，楊凌.一種微型U盾LCD屏的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)高新科技，2018（24）：34-35.

[3] 張小景.串行外設(shè)接口通信的實(shí)現(xiàn)[J].裝備機(jī)械，2021（2）：18-22，61.

[4] 方淼.一種基于STC89C52的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].洛陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，41（2）：42-45.

[5] 羅潛，廖文浩，柳暢.基于STC89C52單片機(jī)的車(chē)內(nèi)溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2021，28（9）：34-37.

[6] 朱桂玉，李自成，劉昌明，等.采用STC89C52單片機(jī)的無(wú)線密碼鎖[J].電子世界，2021（19）：83-85.

[7] 王平.基于單片機(jī)I/O口模擬的SPI串行通信實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2013（14）：24，26.

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