Nest第二代恒温器因其简洁的设计与智能控制备受用户青睐,而其内部圆形LCD显示屏的接口技术却鲜有人深入探讨。本文聚焦于Nest 2代恒温器LCD显示模块的拆解及其接口的逆向工程过程,深入介绍了如何识别显示模块、设计配套硬件、解析其通信协议并成功驱动显示屏的全过程。通过这段探索历程,不仅展现了复杂硬件逆向的系统思路,也揭示了3线9位SPI协议的应用和驱动挑战,为寻求硬件再利用和自定义显示应用的工程师们提供了宝贵经验。首步是从拆解Nest恒温器入手,利用iFixit的拆机指南,作者小心翼翼地沿着粘胶边缘揭开了恒温器前面板的玻璃镜片。经过多道拆解工序后,终于暴露出显示模块。该LCD模块为密封设计,通过一个柔性扁平电缆(FPC)与主板相连,显示屏为直径2.48英寸的圆形像素阵列,分辨率为320×320像素。
拆卸过程中揭示出模块背部印刷的型号"TM025ZDZ02 FPC1-00 2012-03",成为后续逆向寻找资料的关键线索。面对模块型号难以直接获取详细资料,作者在对比调查中发现上海天马微电子出产的TM025ZDZ01型号极为相似,规格参数包括分辨率和接口方式几乎完全对应,并且成功取得TM025ZDZ01的官方数据手册。数据手册详细描述了屏幕的41针FPC连接器配置和电气参数,确认显示模块采用3线SPI接口,且采取非常规的9位数据传输模式。这种3线SPI接口省略了传统SPI的单独主输入(MOSI)与主输出(MISO)数据线,而是用一个双向数据线(SDA)携带命令与数据,最高位用于区分命令或数据,因此每次传输需要9位数据帧来表示。设计用于打破直径为0.3毫米的细小针脚连接到普通开发板的困难,作者自行设计了转接板,把FPC连接转换成标准2.54毫米间距的引脚,便于与ESP32C6开发板的连接。该转接板使用数字键(Hirose)提供的底部插座,保证连接的稳定性和精度。
驱动这类3线9位SPI屏幕带来两大技术难题。第一是总线冲突,数据线双向共享,如何避免微控制器的输出与显示模块的输出冲突。解决方案是在数据线上串联一个1至2千欧姆的限流电阻,使得显示模块能够有效拉低该线而不会与MCU输出产生争执。第二是9位数据传输的实现。大多数SPI硬件仅支持8位单位的传输,作者使用Toit编程语言并利用其SPI传输命令选项,通过软件层面保持CS片选线保持激活来实现带有额外时钟周期的9位传输。配合S6D05A1驱动芯片文档与TM025ZDZ01数据手册,作者还详细分析并复现了显示屏初始化序列。
初始化过程中,软硬件复位后,屏幕接受包括软件复位、密码授权、显示控制参数、功率和电压配置、gamma校正、像素格式设定、睡眠唤醒以及显示开启等指令。通过对这些命令的调试与执行,确保屏幕从无显示到正常工作状态。值得注意的是,驱动过程中通过设置0x2A与0x2B命令来定义显存写入的区域,使得可以局部刷新显示内容,避免频繁刷新全部像素造成性能瓶颈。显示屏背光照明模块由四颗白光LED组成,因正向电压超过3.3伏的MCU供电电压,需要额外的升压电源。作者使用基于MT3608芯片的升压模块将3.3伏提升至约13伏,为LED串联供电保证合适电流。性能层面的挑战主要是9位SPI协议的传输速率限制。
以ESP32最高15MHz的SPI时钟频率计算,刷新整屏理论最短时间约为120毫秒,接近人眼可接受的延迟范围。虽然并非极致快速,但对于智能恒温器此类应用已经足够。此外,局部刷新策略提高了显示效率,避免不必要的全屏刷新。项目的最终目标不仅是实现对Nest 2代显示屏的控制,也是为该型号恒温器的二手利用铺路。由于谷歌计划自2025年10月停止对1、2代Nest恒温器的支持,保留并开源替代固件成为实现设备二次生命的关键。Sett开源恒温器项目正是基于此理念开发,借助作者的显示模块逆向工程成果,结合Home Assistant智能家居平台,打造本地化自动化控制系统。
通过本文的技术分享,可以看到硬件逆向工程不仅需要扎实的电子基础,还依赖对芯片手册、通信协议和软件编程语言的深入理解。同时,硬件设计创新与实用的驱动程序同样重要。对爱好者和专业人士而言,这样的案例展示了如何通过耐心和专业知识破解复杂产品的黑盒,创造新的可能性。未来,基于类似逆向技术,也许更多被遗弃的智能设备能够获得延续生命的机会,不仅减少电子废物,也推动开源硬件生态的发展。 。
