基于华虹SHC1411芯片的液晶显示与键盘开发
上海华虹集成电路有限责任公司 施 燕
摘要：SHC1411是上海华虹集成电路有限责任公司针对网银USBKEY应用开发的一款 安全类芯片，自带12个IO口支持多功能扩展应用，本文主要介绍通过IO口驱动的LCD液晶显示和键盘开发。
关键词：SHC1411 LCD液晶 键盘
随着网上银行业务的不断发展，USBKEY的应用也迅速发展，除了普通KEY的应用外，从安全性角度出发，各大银行提出了更高要求的USBKEY应用，如增加LCD液晶显示，在USBKEY上增加键盘方便用户观察和操作USBKEY。在这种市场需求背景下，华虹设计推出了新一代安全芯片SHC1411。
1 SHC1411简要介绍
SHC1411芯片是一款8位CPU安全芯片，具有高安全、低功耗、可扩展性强的特点，可用于USBKEY、接触式智能卡、安全产品等领域。芯片集成8位微处理器、256字节IRAM、4K字节XRAM、一片160K字节的大页面Flash和一片8K字节的小页面Flash，提供总线加密功能，提供多种安全算法协处理器，提供高安全机制的防攻击功能，提供符合USB1.1规范的USB接口，提供符合ISO/IEC7816规范的串行I/O接口，提供主从SPI接口，外部工作电压为3.0V至5.5V，工作环境-25°C至+85°C，MCU工作频率范围1MHz-16MHz。自带12个IO口，可以支持多功能的扩展应用。
在USBKEY上增加LCD显示屏及键盘，可以将PC端传输到USBKEY的关键数据，如帐号、交易金额等信息在LCD屏上显示出来，再通过客户自己操作键盘来完成交易过程，这样可以降低此过程中数据被恶意篡改的风险，提高交易的安全性。
2 带LCD液晶显示和键盘的网银解决方案
传统的网银使用的USBKEY上没有LCD液晶和键盘，USBKEY仅是一个产生签名的工具。但随着网银业务的发展，越来越多的安全性方面的需求被提出，USBKEY在交易过程中的角色也不断丰富，功能也不断增强，除了传统的签名功能外，还将LCD液晶显示和键盘集成进来，担负起更多的安全保护的角色。
2．1传统的网银业务的缺点
传统的网银业务流程如图1所示：
图1：网银客户端认证流程示意图
在图示的A，B，C环节都会产生安全风险，A环节存在黑客从客户端篡改交易信息（如交易账号和交易金额等）的风险，B环节存在黑客从客户端窃取用户口令的风险，C环节存在黑客从“客户端与USBKEY间通讯总线”上截取或篡改交易信息和用户口令的风险。上面三个环节的问题可以归纳为两大类：伪造签名和篡改数据，一方面黑客可以通过窃取用户口令获取USBKEY的访问权限，伪造签名，另一方面黑客可以在用户不知情的情况下篡改交易账号，交易金额等交易数据。
2．2带LCD和键盘的USBKEY解决方案
带LCD和键盘的USBKEY在硬件上集成了LCD液晶显示屏和键盘，用户信息经PC机USB端口传给USBKEY，USBKEY会将接收到的信息中的一些重要信息，如交易账号，交易金额在LCD显示屏上显示出来，用户在观察到LCD显示的信息后通过操作按键来确认或取消本次交易。一些重要的信息在硬件设备上显示出来，再由用户进行确认操作，如果LCD上显示的信息不正确，用户就不会进行接下来的确认操作。这种设计可以有效的降低篡改数据的风险。
2．3 SHC1411上的LCD＋键盘方案实现
SHC1411共有12个IO口可使用，其中有4个IO口与硬件SPI接口的四个信号复用，分别是IO2（SCK），IO3（MOSI），IO4（MISO），IO6（CS），另外12个IO口中有四个IO口支持外部中断功能。我们的设计目标是一个带AutoRun功能的LCD＋键盘的解决方案。按照设计的需求，除了驱动一个SPI接口的LCD液晶和一个4×4的键盘外还需外挂一块SPI接口的Flash，SPI接口的Flash需要占用四个IO口，而SPI接口的LCD液晶也需要占用四个IO口作为SPI接口的四根信号线，其中选通信号CS不能复用，其余三个信号可以复用，所以外挂Flash和LCD共占用到5个IO口，那么4×4键盘只有7个IO口可以使用。图2是一个带LCD和键盘的USBKEY示意图。
图2：带LCD和键盘的USBKEY示意图
3 基于SHC1411的LCD液晶显示开发
3.1 液晶模块介绍
选用飞格达电子的一款LCD，型号为FGD13232-7565R-18P2，内嵌LCD控制器ST的ST7565R，分辨率为132×32，汉字点阵为16x16，字符点阵为16x8，可显示2行8列的汉字或者2行16列字符。
MCU通过SPI接口与LCD连接，实际应用中可以采用硬件SPI控制，也可以用软件驱动IO口来模拟SPI控制。这里我们采用硬件SPI控制。
3.2硬件连接图
图3：MCU与LCD连接图
图3给出了SHC1411与LCD的连接示意图，SHC1411的SPI接口中的三根信号线CLK，MOSI，MISO分别与LCD的SCK，SAD，A0相连，用IO7来作为LCD的选通信号，LCD的RES信号上电后会自动复位保证LCD正常工作。
3.3软件实现
需要对LCD进行复位初始化操作，代码如下：
void LCDInit(void)
{
DelayMs(30); LCDWriteCommand(0xae); //Display Off
LCDWriteCommand (0xa2); //lcd bias select 1/9 BIAS
LCDWriteCommand (0xa1); //ADC select,REVERSE LCDWriteCommand (0xc8); //com LCDWriteCommand (0x26); //RESISTOR RATIO
LCDWriteCommand (0x81); //ELECTRONIC VOLUME mode setting
LCDWriteCommand (0x10); //Set reference voltagel register LCDWriteCommand (0x2f); //power control(VB,VR,VF=1,1,1)
DelayMs(50);
LCDWriteCommand (0xaf); //set display on
LCDWriteCommand (0xf8); //set booster ratio
LCDWriteCommand (0x00);
}
其中LCDWriteCommand（）函数功能是将一个命令字通过SPI接口发送给LCD。初试化函数的功能主要是对LCD做一些硬件属性的配置，如设置对比度，设置分辨率，设置显示页面地址等等。具体可以参考这款液晶的手册。
对于英文字符的处理，我们是将一个ASCII码的字符库写入内存，再根据字符的ASCII码在字符库中查找，找到对应的字模，提取后发送给LCD进行显示。液晶显示单个字符的函数代码如下：
void LcmPutChar(unsigned char line,unsigned char column,unsigned char Order)
{
unsigned char i;
unsigned int x;
x = (Order-0x20)*0x10; //ASICC字符从0x20开始,每个16 byte
LCDSetXY(line,column);
for(i=0;i<8;i++)
{
LCDWriteByte(ASCIIchardot[x]);
x++;
}
LCDSetXY(line+1,column);
for(i=0;i<8;i++)
{
LCDWriteByte( ASCIIchardot[x]);
x++;
}
}
LcmPutChar（）函数的功能是显示一个16×8的ASCII字符，参数line表示显示的行地址，范围0－3，column表示显示的列地址，范围0－127，Order表示要显示字符在字库表中的首地址。其中LCDWriteByte（）函数功能是将一个字节数据通过SPI接口发送给LCD，
LCDSetXY（）函数功能是定位LCD显示的行列位置。数组ASCIIchardot[]是自定义的字符库。
对于中文字的处理，由于在我们的应用中汉字显示不常用，因此采用直接将要显示汉字的编码存放于内存中，函数直接调用的方式，这种方式比较简单，适用于显示汉字不多的情况。但如果要大量显示汉字的话，需要将一个标准的汉字字库放到内置或是扩展的存储器中，这会增加硬件成本，因此如何使用要根据实际情况来确定。
4 基于SHC1411的键盘开发
4.1 键盘实现方案
4.1.1键盘分类
键盘可以区分为两类：
1． 独立式按键
独立式按键是直接用I/O线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。
2． 矩阵式按键
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。行，列线分别连接到按键的开关的两端，行线设为上拉输入状态，列线设为低电平输出状态，当无按键按下时，行线处于高电平状态；当有按键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定，这是识别按键是否按下的关键。矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来做适当处理，才能确定按键的位置。
矩阵式键盘识别按键的软件方法可以归纳为三种，编程扫描，定时扫描和中断扫描。编程扫描是利用CPU完成其他工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应按键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。定时扫描是每隔一段时间对键盘扫描一次，利用单片机内部的定时器产生一定的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。上述两种方式无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。为提供CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有按键按下时，产生中断请求，CPU立即执行键盘扫描子程序，识别按键号。
4.1.2实现方案
根据SHC1411的硬件特点以及只有7个IO供驱动4×4键盘的情况，我们采用矩阵式定时扫描的方法。
SHC1411的IO8，IO9，IO10，IO11四个IO口支持外部中断功能，可以实现上升沿或下降沿中断。设计把这四根线作为行线，设为上拉输入模式，另外三个IO口，IO1，IO0，IO5作为列线，设为低电平输出模式，这样行线与列线的交叉点共有12个，支持12个按键，另外一根列线用接地来 。这样实现了用7个IO口支持16个按键的设计。
扫描原理如下，行线默认为上拉输入，当有按键按下时，按键所在位置的行线会产生外部中断，检测到中断可以确定哪根行线有按键按下，此时，将IO0，IO1，IO5由原来的输出低电平改为输出高电平，然后再检测行线的状态，如果仍然为低，说明连接地线的那根有按键按下，如不为低再进行如下操作：IO0，IO1，IO5依次输出低电平，如IO0输出低电平时，行线变低，则说明IO0与行线的交叉点上的按键有按下，依次类推。
4.2 硬件连接图
图4： 键盘连接图
图4 是SHC1411用7个IO口驱动4×4键盘的硬件连接图。
4.3 软件实现
软件实现 要对IO口进行设置，设置IO的输入输出方向，输出值等。根据实现方案，要将IO8，IO9，IO10，IO11设为上拉输入模式，要将IO0，IO1，IO5设为低电平输出模式，使能IO口的外部中断。
以扫描IO11行线为例，给出了一段扫描按键的代码。
void IOIsrProcess(void)
{
unsigned char temp;
I_EX_MASK0 = 0x00; //关中断
temp = I_EX_EVENT0; //读取中断源扩展寄存器
I_EX_EVENT0 = 0; //清中断源扩展寄存器
if((temp>>5)&0x01) //如果IO11有下降沿中断发生
{
if(!((IO_DATA1>>3)&0x01)) //如果IO11为低
{
IO_DATA0 |= 0x22; //set IO1=1, IO5=1
IO_BUF_SW |= 0x01; //set IO0=1
DelayMs(10);
if((IO_DATA1>>3)&0x01) //如果IO11为高
{
IO_DATA0 &= ~0x20; //set IO5=0
if(!((IO_DATA1>>3)&0x01)) //如果IO11为低
{
KEY = 10;
IO_DATA0 &= ~0x22; //set IO1=0,IO5=0
IO_BUF_SW &= ~0x01; //set IO0=0
I_EX_MASK0 = 0x3C; //开中断
return;
}
IO_DATA0 &=~0x02; //set IO1=0
if(!((IO_DATA1>>3)&0x01)) //如果IO11为低
{
KEY = 2;
IO_DATA0 &= ~0x22; //set IO1=0,IO5=0
IO_BUF_SW &= ~0x01; //set IO0=0
I_EX_MASK0 = 0x3C; //开中断
return;
}
IO_BUF_SW &= ~0x01; //set IO0=0
if(!((IO_DATA1>>3)&0x01)) //如果IO11为低
{
KEY = 6;
IO_DATA0 &= ~0x22; //set IO1=0,IO5=0
IO_BUF_SW &= ~0x01; //set IO0=0
I_EX_MASK0 = 0x3C; //开中断
return;
}
}
Else //IO11为低
{
KEY = 14;
IO_DATA0 &= ~0x22; //set IO1=0,IO5=0
IO_BUF_SW &= ~0x01; //set IO0=0
I_EX_MASK0 = 0x3C; //开中断
return;
}
}
}
else if((temp>>4)&0x01) //如果IO10有下降沿中断
{
。。。。。。
}
else if((temp>>3)&0x01) //如果IO9有下降沿中断
{
。。。。。。
}
else if((temp>>2)&0x01) //如果IO8有下降沿中断
{
。。。。。。
}
}
5结语
本文介绍了华虹SHC1411芯片的一些功能特点和基于此芯片设计的LCD液晶显示和4×4键盘的软、硬件实现方案。实际应用中，我们可以通过SHC1411的12个IO口实现更多的扩展应用。
