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LCD Monitor

 

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液晶モニタ

　イントロダクション
　ここまではきっとつまらない内容だったと思います。書いてる本人もあまり面白い話題ではありませんでした。唯一手応えがあったのはシリアル通信だけではないでしょうか？　そう思う理由はきっと、いくらプログラムを組んでみたところで、マイコンの反応が乏しかったからだと思います。

　その点、液晶モニタ（ＬＣＤ）が使えだすと状況が変わります。デバッグの役にも立ちますし、実用的にも役に立ちます。そして何より自分が動かしているという実感が持てます。

　ここで扱うのはノートパソコンなどに搭載されているような巨大なフルカラーの物ではなく、もっとショボイ液晶ですが、動かす理屈が分からなければウンともスンとも言いません。まったくのゼロから始めた場合、この基礎講座の中ではＳＲＡＭ増設に次ぐ難易度ではないでしょうか。他はやってることはそこそこ高度でも、結局は適切にレジスタに値を書けばやってくれるので案外簡単なんですよ。

　ＬＣＤの紹介
　これから扱うＬＣＤモニタはサンライクという海外メーカーの液晶モニタです。半角英数字と、半角カタカナを扱うことができる、１６桁×２行のSC1602BSLBという物です。
　これに慣れたら同メーカーから２０桁×４行の製品も出ていますので、挑戦してみると面白いと思います。

　ＬＣＤの概要
　ＬＥＤやスイッチといったなじみ安い物とは違って、初めて本格的な外部機器を繋ぐわけですが、そもそもどうやれば動く物なのか最初は見当も付かないと思います。
　まず、表示できる文字の種類を上に述べましたが、これらはアスキーコード表にある文字ばかりで、言い換えれば１バイトで表現できる文字です。ということは、液晶モニタに送りつけるデータはchar型かunsigned char型であることは見当が付くと思います。
　次に、文字を表示しようにも、任意の場所に表示するにはそうすればよいとか、画面を消去するにはどうすればいいとか、そういう命令コード（インストラクションコードと言います）が存在することも予測が付くと思います。
　さらに、電気を流せば灯るとか、そういう単純な物でない以上、初期化という作業が必要であるということも分かるでしょう。

　さて、ここまでの事から考えると、まずこの液晶モニタにはchar型のデータを送りつけるために８本の線（DB0〜DB7）が必要であることが分かります。次に、それが文字コードなのかインストラクションコードなのかを見分けるためにもう１本信号線（R/S線）が必要です。さらに、RS-232C通信のように厳密なコンマ数msecの時間誤差も許されないような制御はしたくないので、データの書き込みタイミングを知らせる信号線（E）も有った方が良いでしょう。さらに、瞬時に文字を表示できるわけではないので、液晶の状態をマイコン側に伝える線も必要です（RW）。もちろん電源線（Vcc）とＧＮＤ（Vss）は必須です。
　というわけで、必要性から液晶モニタには最低でも１３本の端子があることが分かります（実際にはバックライト用電源もあるので１４本です）。存在理由さえ分かれば、これであのやたらといっぱい生えている端子も怖くなくなったのではないでしょうか。

　さて、たしかに１３本とも繋いでも良いのですが、「ハードウェアはできるだけシンプルに。ソフトでできる物はできるだけソフトでやる」が回路を設計する上での全世界共通の揺るがぬ鉄則です。そこで、この液晶に付いてもいくつか細工をします。

　まず、液晶の状態（Busy or Ready）を調べるために必要なＲＷの線ですが、よほど急がない限り要はBusyの時にデータを送らなければいいので、たっぷりと待ち時間をとってやることで解決します。というわけで、ＲＷ線（Read ／ Write）はWriteの一方通行と言うことでGNDに落とします。
　次に、データバスですが、幸いにもこのＬＣＤモニタには４ビットモードというモードがあります。つまり、上位４ビットと下位４ビットを分けて書き込むことでデータバスを半分にできるのです。というわけで、使わないデータバス（DB0〜DB3）もGNDに落とします。これで配線は１３本から一気に８本に減りました。

　ＬＣＤとＨ８を接続
　秋月電子のマザーボードキットでは標準でこのＬＣＤモニタを接続するパターンが有りますので、プログラムもそれに合わせましょう。マザーボードの結線は次のようになっています。

Ｈ８／３０４８Ｆ

ＳＣ１６０２ＢＳＬＢ

Port3-0

DB4

Port3-1

DB5

Port3-2

DB6

Port3-3

DB7

Port3-4

RS

Port3-5

E

5V

Vcc

GND

Vss

　ところで、ここまでのサンプルを見ていると、出力というとPort-Bを使いたい衝動に駆られる人もいるかも知れませんが、あれはＬＥＤを直接駆動したいから大電力ポートを使ったのであって、今回は信号さえ送れればそれでいいのでPort-3で十分役を果たせるのです。

　ＬＣＤへの書き込みタイミング
　ＬＣＤへの書き込みにはデータバス４本と書き込みトリガ（Ｅ）と、レジスタセレクト（ＲＳ）の６本を使います。
インストラクションコードの場合はＲＳをLowに維持し、文字コードの場合にはHighにします。
　それぞれのタイミングは次のようになります。

インストラクションコード

 


文字コード

　この中でもっとも重要なのはデータバスに書き込む順序と書き込みトリガの順序です。赤い矢印で示した部分でＬＣＤモニタにデータが書き込まれるわけですが、これよりも先にデータバスの内容が書き変わっていなければ意味がありません。もちろんＲＳもこの時点でHighかLowの目的とする方（インストラクション　or　文字）になっていなければいけません。それ以外の部分のタイミングについては、仕様書には細かく明記されていますが、それほどこだわらなくても認識してくれるようです。
　次に、図中のｔw の時間ですが、これは最低でも220nsec以上待たなければいけません。

　データバス４ビット設定ではＥの最初のサイクルで上位４ビット分が書き込まれます。引き続き下位４ビット分のデータを書き込むわけですが、そのときにはＲＳは現状維持のままで、データバスと書き込みトリガだけ操作すればＯＫです。ただし、第１サイクルと第２サイクルの間隔は500nsec以上空ける必要があります。

　ＬＣＤの初期化
　ここからはようやく実際のプログラミングの話に入っていきます。まずはこのファイルをダウンロードしてください。
　このＬＣＤモニタを使うにはまず初期化をしなければいけません。手順としては次のようになります。

  1. 電源投入後15msec以上待つ
  2. インストラクションコードの0x03を書き込む
  3. 4.1msec以上待つ
  4. インストラクションコードの0x03を書き込む
  5. 0.1msec以上待つ
  6. インストラクションコードの0x03を書き込む
  7. 0.1msec以上待つ
  8. インストラクションコードの0x02を書き込む
  9. 0.1msec以上待つ
  10. インストラクションコードの0x28を書き込む（モード設定。他のモードもあり）
  11. 0.1msec以上待つ
  12. インストラクションコードの0x0eを書き込む（表示設定。他の設定もあり）
  13. 0.1msec以上待つ
  14. インストラクションコードの0x06を書き込む（カーソル設定など。他の設定もあり）

　以上の一連の作業で初期化は終わりです。ちょっと長いですね。なお、１０番目以降の0.1msec以上待つ部分は実は省略可能です。私のプログラムでは上位と下位のデータを送った後に少しのウェイトが入っているので、その部分でこの0.1msec分を吸収できるのです。

　これをＣ言語で書くとこのようになります。

main.c

    void initLCD(void)
    {
        P3.DDR     = 0xff;   // Port-3を出力設定
        P3.DR.BYTE = 0x00;

        longwait(50);        // 電源投入後15msec以上待つ

        lcd_out(0x03,0);     // ８ビットモードにする その壱
        longwait(50);        // 4.1msec以上待つ

        lcd_out(0x03,0);     // ８ビットモードにする  その弐
        longwait(50);        // 0.1msec以上待つ

        lcd_out(0x03,0);     // ８ビットモードにする  その参
        longwait(50);        // 0.1msec以上待つ

        lcd_out(0x02,0);     // ４ビットモードにする

        lcd_write(0x28,0);   // ４ビットモード、２行表示、ドットサイズ5*10
        lcd_write(0x0e,0);   // 文字表示、カーソルＯＮ
        lcd_write(0x06,0);   // 通常表示、カーソルは右移動

        cls_lcd();
    }

　この中にある lcd_out()は４ビットのデータを１回だけ出力します。似ていますが lcd_write()は８ビットデータを書き込むための関数なので、４ビットずつ２回に分けてlcd_out()を呼び出しています。どちらも２つの引数を持っていますが、１つ目の引数は実際に送るコード、だからlcd_out()の方は上位４ビットは必ず０で、下位４ビットだけがしか値が入っていません。lcd_write()は上位下位の合計８ビットとも値を入れれます。２つ目の引数はインストラクションコードならば「０」、文字コードならば「１」を書き込みます。それによりRSのHighとLowを切り換えます。lcd_out()とlcd_write()の本体は次のようになっています。

main.c

    void lcd_out(unsigned char dat,char id)
    {
        P3.DR.BYTE = dat;          // 下位４ビットのデータを出力

        if(id == 1)                // id = 1の時は文字コード
            P3.DR.BIT.B4 = 1;      //    →RSをHigh
        else                       // id = 0の時はｲﾝｽﾄﾗｸｼｮﾝｺｰﾄﾞ
           P3.DR.BIT.B4 = 0;       //    →RSをLow

        wait(20);                  // 500msec 待機

        P3.DR.BIT.B5 = 1;          // E端子をHigh
        wait(20);                  // 待機

        P3.DR.BIT.B5 = 0;          // E端子をLow
        wait(20);                  // 待機
    }

main.c

    void lcd_write(unsigned char dat,char id)
    {
        lcd_out((( dat >> 4 ) & 0x0f),id);     // 上位４ビット
        lcd_out((( dat >> 0 ) & 0x0f),id);     // 下位４ビット
    }

　lcd_write()を使えば１文字ずつ文字をＬＣＤモニタに表示できるわけですが、それだけではちょっと面倒です。文字列を扱うには次のようなprint_lcd()という関数を使います。

main.c

    void print_lcd(char* dat)
    {
        while(*dat){
            lcd_write(*dat,1);
            dat++;
        }
    }

　やっていることは簡単ですね。文字列というものは最後に「\0」が入っているので、それが来るまで順番にlcd_write()に文字を１文字ずつ渡しているのです。
　なお、ポインタを使っているのにはちゃんと理由があります。途方もない大容量を持つパソコンのプログラミングと違い、マイコンでは常にメモリの残量を気にしなければいけません。だから、配列を新たに用意したりするのではなく、メモリはできるだけ共用することが望ましいのです。

　ここまでの関数（初期化ルーチン、４ビット転送ルーチン、文字表示ルーチン、文字列表示ルーチン）だけでとりあえずＬＣＤモニタに文字を映すことができます。ではプログラミングの世界ではお約束の「Hello World」を表示してみましょう。

main.c

    #include "iodefine.h"

    void main(void);
    void initLCD(void);                     // ＬＣＤ初期化
    void cls_lcd(void);                     // ＬＣＤ画面クリア
    void cur_pos(char x,char y);            // ＬＣＤカーソル移動
    void print_lcd(char* dat);              // ＬＣＤ文字列表示
    void wait(int t);                       // ウェイト（短い）
    void longwait(int t);                   // ウェイト（長い）
    void lcd_out(unsigned char dat,char id);// ＬＣＤ出力（下位4ビット）
    void lcd_write(unsigned char dat,char id);
                                      // 1バイトのデータをLCDへの出力

    #ifdef __cplusplus
    }
    #endif

    void main(void)
    {

        initLCD();


        print_lcd("Hello World.");

        while(1);

    }

　なんだかプロトタイプ宣言が大半を占めていますね。この中で cls_lcd()とcur_pos()の２つは説明がまだでしたね。それぞれ画面クリアとカーソル移動の為の関数です。

 

main.c

    void cls_lcd(void)
    {
        lcd_write(0x01,0);                // クリアコマンド発行
        longwait(50);
    }

　使う頻度が高いので一つの関数として独立させましたが、実際にやっていることはクリアコマンド（0x01）を
lcd_write()を使って書いているだけです。

　cur_pos()の方はもう少しだけ複雑です。

 

main.c

void cur_pos(char x,char y)
{
    char i;
    lcd_write(0x02,0);                // カーソルを(0,0)に一旦戻す
    longwait(50);
    for(i = 0; i < (y*40)+x; i++){    // ２行目へは40桁進むと行ける
        lcd_write(0x14,0);            // 表示そのままカーソル右シフト
    }
}

　カーソル移動はダイレクトに座標を指定することはできません。現在地から相対座標で左右方向に進むか、もしくは原点（０，０）に戻るかの２通りです。ここでは現在地を知る方法が有りませんので、一旦原点に戻り、それから移動することにしています。

　原点に戻るインストラクションコードは０ｘ０２です。２番目の引数はインストラクションコードなので「０」を渡しています。

　次のforループはちょっとわかりにくいですね。というのも、（ｙ×４０）という部分が理解に苦しむのではないでしょうか。このＬＣＤモニタは表示部は１６桁なのですが、内部的には４０桁ある事になっています。そして、４０桁目を超えると２行目に移るのです。だから、２行目＝ｙ座標で１ですから、結局１行下に移動することになるのです。なお、今表示されている文字を消さずにカーソルだけを右に移動させるインストラクションコードは０ｘ１４です。

　　question_mark_white.gifなんで？

    液晶表示部は１６桁なのに、どうして内部座標は４０桁まであることになっているのでしょうか？

    これにはちゃんと理由があります。

    まず、ＬＣＤモニタというものは本来キャラクタパターンなど持ってはいません。つまり、０ｘ４１と書き込んだところで「Ａ」とは表示してくれません。それを実現しているのはＬＣＤコントローラドライバというチップです。今回使用したサンライク社のSC1602BSLBには沖データのMSM6562B-01というコントローラドライバが使われています。沖データとしてはもちろんSC1602BSLB専用に開発したつもりなど無く、もっと汎用的に使われることを想定しています。そしてその上限のスペックが４０桁というわけです。だから、世の中にはきっとこのＬＣＤモニタとまったく同じ手順で起動できる４０桁表示のＬＣＤモニタが存在すると思われます（現行機種で有るかどうかは別問題ですが）。     

　さて、この２つの命令ですが、プログラム中で使う場合にはそれぞれ次のように使います。

pin_blue.gifcls_lcd(void)

        cls_lcd();


pin_blue.gifcur_pos(char x,char y)

        cur_pos(5,1);            // ２行目の５桁目に移動するとき

 

 


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