微型U盾液晶顯示屏的驅動設計

楊凌 曾文波 鐘建坤 楊錦喜

摘要：U盾密碼器應用廣泛，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，組件數量少，性能穩定的驅動器ST7567A。針對驅動器，闡述了驅動器的特點，研究了驅動器的硬件引腳及驅動方式。采用微處理器STC89C52對微型U盾液晶顯示模組進行驅動設計，驅動器與微處理器之間使用4線SPI接口時序通信方式，針對U盾液晶顯示屏設計了驅動電路，并對屏幕顯示功能進行了軟件設計。實現了U盾液晶顯示屏屏幕顯示漢字及圖片的功能。

關鍵詞：U盾液晶顯示屏；驅動器；ST7567A；顯示

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0095-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

U盾密碼器是用于網上銀行電子簽名和數字認證的工具，它能夠防止各種木馬病毒、黑客等網絡不安全因素，保障網上銀行資金的安全[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盾液晶顯示屏型號為YMK12864P，外形設計美觀，屏幕非可視區域寬度能夠達到0.9mm，且無須擴散膜，自帶擴散功能的底偏光片，降低了生產成本[2]。液晶顯示屏和驅動器一起構成液晶顯示模組。為了保障U盾液晶顯示模組的性能，對液晶顯示屏驅動器的選用和設計至關重要。本文采用的微型U盾液晶顯示屏驅動器型號為ST7567A，其功耗低，組件數量少，性能穩定。本文通過對驅動器的研究，針對U盾液晶顯示屏產品設計了驅動電路，并對屏幕顯示功能進行程序設計。

2 微型U盾LCD驅動器

U盾密碼器產品包含了液晶顯示屏及驅動器。ST7567A是一款單芯片點陣式LCD驅動器，內置振蕩電路和低功率電源電路，無須外部時鐘或電源即可產生LCD驅動信號，從而可以制造出組件數量少，功耗最低的顯示系統。

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內部有一個存儲顯示數據RAM，簡稱為DDRAM，用于存儲LCD顯示屏的點陣數據。微處理器能夠通過I/0口對DDRAM進行讀取和寫入，在LCD顯示數據的時候同時，數據也可以寫入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為驅動器輸出引腳。

（2）微處理器接口引腳為RSTB、CSB、A0。RSTB引腳用于硬件復位，內部初始化。CSB引腳為片選輸入端，當CSB=0時啟用接口訪問。A0引腳用于判斷D[7：0]上的信號是數據還是命令，當A0=1時表示顯示數據，當A0=0時表示信號為命令。

（3）配置引腳包含SI2、PSB、C86，用于選擇接口類型，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，因此設置引腳SI2=0，PSB=0，C86=1。

2.2 4線SPI接口時序

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

3 硬件驅動電路設計

3.1 微處理器STC89C52

本文使用微處理器STC89C52對微型U盾液晶顯示模組進行驅動。STC89C52具備低功耗、高性能的特性[4]，是由STC公司生產的。雖然使用的仍然是MCS-51內核，但相較于傳統的51單片機更加靈活實用，STC89C52具備8位CPU，自帶8K字節可編程可擦除的只讀存儲器，512字節的RAM，32位I/O口線[5]。能夠為嵌入式控制應用系統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。復位后，P0、P1、P2、P3為準雙向口/弱上拉，其中P0如果作為總線擴展用，無須添加上拉電阻，但作為I/O口用時，則要設置上拉電阻[6]。每個I/O口有8個引腳，即8位，可實現輸入輸出功能。根據硬件的情況，本文采用8位準雙向I/O口線P3，用于連接液晶顯示模組。

3.2 驅動電路設計

硬件驅動電路連接圖如圖3所示，其中P3.0-P3.5為微處理器STC89C52的IO引腳，CS、A0、SCL、SDA、RES為液晶顯示屏驅動器ST7567A的引腳。YMK12864P為LCD屏型號，驅動器與LCD屏共同構成液晶顯示模組。

由于微處理器STC89C52不帶標準SPI接口[7]，因此需要應用軟件模擬的方式，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，這幾個引腳分別連接CS、A0、SCL、SDA、RES。其中，CS引腳為片選信號，低電平有效，該引腳相當于是屏幕的開關，高電平則無法對LCD屏進行操作，只有低電平時才能對LCD屏進行操作。A0引腳為命令/數據信號，低電平時用于數據傳輸，高電平時用于命令傳輸。SCL引腳上升沿有效，SDA引腳用于數據傳輸，RES引腳是復位引腳。

4 驅動程序設計與實現

4.1 屏幕顯示設計

本文在屏幕上顯示漢字及圖片，根據屏幕顯示原理，程序總體設計思路為：

（1）屏幕初始化。

（2）字模提取。采用縱向取模，字節倒序，生成字碼。

（3）設置頁地址。明確漢字或圖片所需頁數。

（4）設置列地址。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 屏幕掃描方向設計

微型U盾LCD屏YMK12864P為128*64點陣屏。可分為8頁，每頁8行（D7-D0），共128列。D7-D0顯示數據，讀取數據時從高位開始讀，顯示數據的每個字節后，列地址自動增加。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用于控制頁的掃描方向。屏幕掃描方向如圖4所示。當MX=0時，從第0列掃描至最后一列，當MX=1時，反向。當MY=0時，屏幕從第0頁掃描至最后一頁，當MY=1時，反向。

4.1.2 漢字顯示程序設計

漢字顯示程序設計分為以下幾個步驟：

（1）字模提取

本文采用字模提取工具，根據屏幕掃描方向，設計漢字字模提取參數，如圖5所示，參數為縱向取模，字節倒序，同時設置小四號字體，這樣生成的字碼點陣為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）設置頁地址。由于漢字大小為16*16，屏幕每頁為8行，因此一個漢字占兩頁。設置第0頁的頁面地址指令為0xb0，以此類推，設置第n頁的頁面地址指令為0xb0+n。

（3）設置列地址。設置列地址指令又分為兩個指令，分別設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，則設置列地址高八位的指令為0x10+yh，設置列地址低八位的指令為0x00+yl。

（4）讀取漢字字碼數組，顯示漢字。

（5）圖片顯示時，同樣遵循上述步驟，先設置頁地址和列地址，再一個一個讀取圖片字碼。實現圖片顯示。

4.1.3 命令與數據傳輸程序設計

根據4線SPI接口時序圖，設計發送命令程序思路為：首先設置CS引腳為低電平，A0引腳為低電平，數據一位一位傳輸。由于數據為8位，因此需要一位一位寫入，當SCL引腳為上升沿時數據被寫入。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）;

}

發送數據程序和發送命令程序類似，不同的地方在于引腳A0因設置為高電平。設計思路為：首先設置CS引腳為低電平，A0引腳為高電平，數據一位一位傳輸。由于數據為8位，因此需要一位一位寫入，當SCL引腳為上升沿時數據被寫入。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“河源職業技術學院” 如圖6所示，每個漢字大小為16×16，因此每個字占用兩頁，16列。總共所需列數為128，不超出屏幕范圍。

屏幕顯示校徽如圖7所示，圖片大小為48×48，因此圖片占用6頁，48列。

5 小結

本文使用STC89C52微控制器對微型U盾密碼器液晶顯示屏模組進行驅動設計。研究了驅動器ST7567A的引腳及工作時序，分析了U盾密碼器液晶顯示屏YMK12864P的顯示原理。根據顯示原理，本文設計了硬件驅動電路，實現了屏幕顯示漢字與圖片的效果。該屏幕非可視區域寬度較小，無須使用擴散膜，驅動器及微處理器功耗低，這使得整個系統成本更少，耗能更低，簡單實用。從結果圖可以看出，本文設計的驅動方案具有一定的可行性，效果較好，畫面清晰穩定。

參考文獻：

[1] 崔文濤，唐賓徽.銀行網銀U盾的安全調查[J].計算機產品與流通，2018（7）：250.

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

[3] 張小景.串行外設接口通信的實現[J].裝備機械，2021（2）：18-22，61.

[4] 方淼.一種基于STC89C52的函數信號發生器實驗設計[J].洛陽師范學院學報，2022，41（2）：42-45.

[5] 羅潛，廖文浩，柳暢.基于STC89C52單片機的車內溫濕度智能監控系統[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單片機的無線密碼鎖[J].電子世界，2021（19）：83-85.

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

【通聯編輯：梁書】