微型U盾液晶显示屏的驱动设计

杨凌 曾文波 钟建坤 杨锦喜

摘要：U盾密码器应用广泛，选用外形美观的微型U盾液晶显示屏，为了保证微型U盾液晶显示屏模组的性能，选用功耗低，组件数量少，性能稳定的驱动器ST7567A。针对驱动器，阐述了驱动器的特点，研究了驱动器的硬件引脚及驱动方式。采用微处理器STC89C52对微型U盾液晶显示模组进行驱动设计，驱动器与微处理器之间使用4线SPI接口时序通信方式，针对U盾液晶显示屏设计了驱动电路，并对屏幕显示功能进行了软件设计。实现了U盾液晶显示屏屏幕显示汉字及图片的功能。

关键词：U盾液晶显示屏；驱动器；ST7567A；显示

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）30-0095-03

开放科学（资源服务）標识码（OSID）：

1 引言

U盾密码器是用于网上银行电子签名和数字认证的工具，它能够防止各种木马病毒、黑客等网络不安全因素，保障网上银行资金的安全[1]。随着U盾的广泛使用，U盾的核心部件液晶显示模组的需求也日渐提高。

本文使用的微型U盾液晶显示屏型号为YMK12864P，外形设计美观，屏幕非可视区域宽度能够达到0.9mm，且无须扩散膜，自带扩散功能的底偏光片，降低了生产成本[2]。液晶显示屏和驱动器一起构成液晶显示模组。为了保障U盾液晶显示模组的性能，对液晶显示屏驱动器的选用和设计至关重要。本文采用的微型U盾液晶显示屏驱动器型号为ST7567A，其功耗低，组件数量少，性能稳定。本文通过对驱动器的研究，针对U盾液晶显示屏产品设计了驱动电路，并对屏幕显示功能进行程序设计。

2 微型U盾LCD驱动器

U盾密码器产品包含了液晶显示屏及驱动器。ST7567A是一款单芯片点阵式LCD驱动器，内置振荡电路和低功率电源电路，无须外部时钟或电源即可产生LCD驱动信号，从而可以制造出组件数量少，功耗最低的显示系统。

ST7567A可直接连接到具有8位并行接口，4线串行接口，3线串行接口或I2C串行接口的微处理器。本文使用的是4线串行接口（4-SPI）连接方式。

ST7567A内部有一个存储显示数据RAM，简称为DDRAM，用于存储LCD显示屏的点阵数据。微处理器能够通过I/0口对DDRAM进行读取和写入，在LCD显示数据的时候同时，数据也可以写入DDRAM。

2.1 硬件引脚

ST7576A硬件引脚如图1所示。部分引脚功能为：

（1）引脚SEG0-SEG131，COM0-COM63和COMS为驱动器输出引脚。

（2）微处理器接口引脚为RSTB、CSB、A0。RSTB引脚用于硬件复位，内部初始化。CSB引脚为片选输入端，当CSB=0时启用接口访问。A0引脚用于判断D[7：0]上的信号是数据还是命令，当A0=1时表示显示数据，当A0=0时表示信号为命令。

（3）配置引脚包含SI2、PSB、C86，用于选择接口类型，如表1所示，其中“0”表示低电平，“1”表示高电平。本文采用串行4线SPI传输方式，因此设置引脚SI2=0，PSB=0，C86=1。

2.2 4线SPI接口时序

SPI，全称Serial Peripheral Interface，是一种通信协议。这种协议速度快，属于同步、全双工模式，该协议在数据传输时仅需四根线，占用芯片引脚数量少[3]。4线SPI接口时序图如图2所示。由时序图可知，当CSB为高电平时，D0-D7引脚为高阻态。当CSB为低电平时，串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）输入被使能。在第八个串行时钟后，SDA上的串行数据将被处理为8位并行数据。同时，引脚A0被锁存且指示出8位并行数据是用于显示数据还是指令。SDA上的串行数据在SCL时钟的上升沿被锁存。

3 硬件驱动电路设计

3.1 微处理器STC89C52

本文使用微处理器STC89C52对微型U盾液晶显示模组进行驱动。STC89C52具备低功耗、高性能的特性[4]，是由STC公司生产的。虽然使用的仍然是MCS-51内核，但相较于传统的51单片机更加灵活实用，STC89C52具备8位CPU，自带8K字节可编程可擦除的只读存储器，512字节的RAM，32位I/O口线[5]。能够为嵌入式控制应用系统提供有效的解决方案。

微处理器STC89C52共有4组8位的可编程I/O口，分别是P0、P1、P2、P3。复位后，P0、P1、P2、P3为准双向口/弱上拉，其中P0如果作为总线扩展用，无须添加上拉电阻，但作为I/O口用时，则要设置上拉电阻[6]。每个I/O口有8个引脚，即8位，可实现输入输出功能。根据硬件的情况，本文采用8位准双向I/O口线P3，用于连接液晶显示模组。

3.2 驱动电路设计

硬件驱动电路连接图如图3所示，其中P3.0-P3.5为微处理器STC89C52的IO引脚，CS、A0、SCL、SDA、RES为液晶显示屏驱动器ST7567A的引脚。YMK12864P为LCD屏型号，驱动器与LCD屏共同构成液晶显示模组。

由于微处理器STC89C52不带标准SPI接口[7]，因此需要应用软件模拟的方式，使用IO口模拟SPI通信。本文采用P3.0、P3.1、P3.3、P3.4、P3.5引脚模拟SPI通信，这几个引脚分别连接CS、A0、SCL、SDA、RES。其中，CS引脚为片选信号，低电平有效，该引脚相当于是屏幕的开关，高电平则无法对LCD屏进行操作，只有低电平时才能对LCD屏进行操作。A0引脚为命令/数据信号，低电平时用于数据传输，高电平时用于命令传输。SCL引脚上升沿有效，SDA引脚用于数据传输，RES引脚是复位引脚。

4 驱动程序设计与实现

4.1 屏幕显示设计

本文在屏幕上显示汉字及图片，根据屏幕显示原理，程序总体设计思路为：

（1）屏幕初始化。

（2）字模提取。采用纵向取模，字节倒序，生成字码。

（3）设置页地址。明确汉字或图片所需页数。

（4）设置列地址。列地址需要分别取地址的高位及低位。

（5）读取汉字及图片字码，在屏幕上显示效果。

4.1.1 屏幕扫描方向设计

微型U盾LCD屏YMK12864P为128*64点阵屏。可分为8页，每页8行（D7-D0），共128列。D7-D0显示数据，读取数据时从高位开始读，显示数据的每个字节后，列地址自动增加。MX、MY用于控制屏幕的扫描方向，其中，MX用于控制屏幕列向的扫描方向，MY用于控制页的扫描方向。屏幕扫描方向如图4所示。当MX=0时，从第0列扫描至最后一列，当MX=1时，反向。当MY=0时，屏幕从第0页扫描至最后一页，当MY=1时，反向。

4.1.2 汉字显示程序设计

汉字显示程序设计分为以下几个步骤：

（1）字模提取

本文采用字模提取工具，根据屏幕扫描方向，设计汉字字模提取参数，如图5所示，参数为纵向取模，字节倒序，同时设置小四号字体，这样生成的字码点阵为16*16大小。

汉字“河”的字码为：

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）设置页地址。由于汉字大小为16*16，屏幕每页为8行，因此一个汉字占两页。设置第0页的页面地址指令为0xb0，以此类推，设置第n页的页面地址指令为0xb0+n。

（3）設置列地址。设置列地址指令又分为两个指令，分别设置的是列地址的高四位和低四位。如果y表示汉字的列地址，yh表示地址高八位，yl表示地址第八位，则设置列地址高八位的指令为0x10+yh，设置列地址低八位的指令为0x00+yl。

（4）读取汉字字码数组，显示汉字。

（5）图片显示时，同样遵循上述步骤，先设置页地址和列地址，再一个一个读取图片字码。实现图片显示。

4.1.3 命令与数据传输程序设计

根据4线SPI接口时序图，设计发送命令程序思路为：首先设置CS引脚为低电平，A0引脚为低电平，数据一位一位传输。由于数据为8位，因此需要一位一位写入，当SCL引脚为上升沿时数据被写入。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）;

}

发送数据程序和发送命令程序类似，不同的地方在于引脚A0因设置为高电平。设计思路为：首先设置CS引脚为低电平，A0引脚为高电平，数据一位一位传输。由于数据为8位，因此需要一位一位写入，当SCL引脚为上升沿时数据被写入。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结果展示

U盾密码器液晶显示屏YMK12864P屏幕大小为128*64。显示汉字“河源职业技术学院” 如图6所示，每个汉字大小为16×16，因此每个字占用两页，16列。总共所需列数为128，不超出屏幕范围。

屏幕显示校徽如图7所示，图片大小为48×48，因此图片占用6页，48列。

5 小结

本文使用STC89C52微控制器对微型U盾密码器液晶显示屏模组进行驱动设计。研究了驱动器ST7567A的引脚及工作时序，分析了U盾密码器液晶显示屏YMK12864P的显示原理。根据显示原理，本文设计了硬件驱动电路，实现了屏幕显示汉字与图片的效果。该屏幕非可视区域宽度较小，无须使用扩散膜，驱动器及微处理器功耗低，这使得整个系统成本更少，耗能更低，简单实用。从结果图可以看出，本文设计的驱动方案具有一定的可行性，效果较好，画面清晰稳定。

参考文献：

[1] 崔文涛，唐宾徽.银行网银U盾的安全调查[J].计算机产品与流通，2018（7）：250.

[2] 杨锦喜，钟建坤，杨凌.一种微型U盾LCD屏的设计与研究[J].中国高新科技，2018（24）：34-35.

[3] 张小景.串行外设接口通信的实现[J].装备机械，2021（2）：18-22，61.

[4] 方淼.一种基于STC89C52的函数信号发生器实验设计[J].洛阳师范学院学报，2022，41（2）：42-45.

[5] 罗潜，廖文浩，柳畅.基于STC89C52单片机的车内温湿度智能监控系统[J].仪器仪表用户，2021，28（9）：34-37.

[6] 朱桂玉，李自成，刘昌明，等.采用STC89C52单片机的无线密码锁[J].电子世界，2021（19）：83-85.

[7] 王平.基于单片机I/O口模拟的SPI串行通信实现[J].电子世界，2013（14）：24，26.

【通联编辑：梁书】