Raspberry Pi 2でSPI接続のグラフィック液晶の制御

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作成日時：2015年07月13日 22時14分19秒
更新日時：2018年01月21日 20時12分27秒

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この記事は1年以上前に投稿された記事です。この警告表示について

前回グラフィック液晶の制御を実施しました。この液晶はパラレル接続で全部で20本のピンヘッダがあり、データ転送及び制御で合計14本のGPIOポートを専有していました。
Raspberry Pi 2（とPi B+）はGPIOポートが26本あるのでそれなりに余裕がありますが、初代モデル（Pi ModelA/B）はGPIOポートが17本しかないので3本しか残りませんね。

そこで今回はSPI接続のグラフィック液晶を使用してみたいと思います。

用意するもの

必要なものは配線類を除けば SPI接続のグラフィック液晶ディスプレイのみで特別必要な物はありません。今回は秋月電子で買える超小型グラフィック液晶 AQM1248Aを使用しました。
この液晶はSPI接続＋制御線2本で制御でき、3.3Vで消費電力1mAという仕様。
バックライトはついていません。

ちなみに…（2018年1月21日追加

どうやらバックライトの搭載されたタイプが発売されたみたいです。見た感じバックライトが追加されただけのようですので、こちらを使ってみるのも良いでしょう。

超小型グラフィックＬＣＤ　バックライト付　ＡＱＭ１２４８Ａ

SPI通信とは

モトローラ社が提唱した接続方式で送受信2本、クロック、スレーブ選択信号にGNDの計5本でデバイス間の通信を可能としたシンプルなシリアル通信方式である。

古くから使われている形式でデファクトスタンダードとなっているものです。
この規格は~~決まりがいい加減で~~汎用性が高いのが特徴で、低速通信から数十Mbpsの高速通信まで対応したインターフェイスです。スレーブ側になるデバイスは数Mbpsの接続に対応した製品が多いようです。

また、一般的なパラレルとシリアルの比較になりますが、SPIとパラレル接続の比較として

信号線が少ない
データ線はパラレル通信は8bitバスの場合は8本16bitバスの場合は16本もあるのに対し、シリアル通信ではシリアルなので何bitのバスであろうと信号線は1本です。
通信速度が速い
低速通信の場合は8本のデータ線を使って通信をするパラレル接続のほうが高速ですが、高速通信をしようとすると全ポートにデータが到着するのを待ってそれを処理する必要が出てくるため、シリアル通信の方が数Gbps以上の高速化が容易になるようです。
この程度のグラフィック液晶を制御する場合においてはそこまで気にする必要もないと思います。実際にインターフェイスの後はパラレル接続になっているものが多いみたいなので。

という2つが大きな特徴でしょう。

というわけで信号線が少なくて済むSPIインターフェイスの液晶を今回は制御したいと思います。

ちなみにもっと本数が少なくて済むI2Cという通信規格も存在します。こちらは転送速度が1Mbps程度のあまり高速な通信速度を必要としない機器向けで、その代わり信号線は3本（クロックとデータ送受信にGND）で済むという規格です。Raspberry PiはI2Cにも対応してますのでこちらもそのうち使ってみたいと思います。

接続方法

gpoio

Raspberry PiのSPI接続用のポートは決まっていて、物理品の19、21、23とスレーブ選択およびデバイス選択の24、26番を使用します。GPIO番号で言うと12、13、14と10or11ということになります。

それぞれ名称として MOSI MISO SCLK CE0/1と名付けられていてそれぞれのピンは

MOSI（Master-Out Slave-In）
マスター（制御をする側）がスレーブ（制御される側）にデータを転送するためのポートです。Raspberry Piから見ると「送信」ポートになります。なお、このポートのみを使用して双方向通信をする事もできます。 RS-232Cで言うところのTxDですね。
MISO（Master-In Slave-Out）
マスターにスレーブがデータを転送するためのポートです。Raspberry Pi側から見ると「受信」ポートになります。 RS-232Cで言うところのRxDになります。　ちなみに今回の液晶は「受信専用」なのでこのポートは使いません。宙ぶらりんにするなり、GNDに接続するなり、MOSIとループバックするなり好きにしてください。
SCLK（Serial Clock）
データ転送タイミングを合わせるためのクロックです。
この線で出力されるクロックによって決められたタイミングでデータを送る事によってシリアル通信を実現しています。
CE0/CE1
本来はマスターとスレーブを決定する信号線のようですが、今回使用する液晶やセンサー類などの基本的にスレーブにしかなりえないデバイスの場合はそのデータをどのデバイスが受け取るのかを決めるための信号となっている場合が多いようです。

となっていて、このピンに＋GNDでデータ転送をしています。

その配線に加え、この液晶を制御するにはリセット信号とレジスタ選択信号が必要になります。

接続

🔍拡大表示

こんなかんじで接続しました。

🔍拡大表示

この後の問に＜はい＞ → ＜了解＞ → ＜はい＞ → ＜了解＞で設定を終了させてリブートしたら設定完了。

再起動後、「ls -l /dev/spidev*」と「lsmod」コマンドを実行して、
「/dev/spidev0.0」と「/dev/spidev0.1」、「spi_bcm2708」が表示されていたらSPIが使えるようになっているはずです。

🔍拡大表示

なお、もしこの設定で使えない場合は手動でファイルを変更する必要があります。その方法は以下のとおりです。

１． /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf から spi-bcm2708 が含まれている行を削除
２．/etc/modules に spidev を追加する
３．再起動する

動作させてみる

上のコードを使ってBMPを表示してみます。

例えばこのBMPファイルを液晶に転送してみると以下のようになります。

🔍拡大表示

ちなみにこの液晶で連続的にBMPを転送して見たところ、かなりかくかくしていました。何か方法があるのかもしれないけど…。

以下に完成したコードを載せておきます。

#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <getopt.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <wiringPi.h>

#define RSpin 5 // レジスタ選択ピン指定
#define REpin 6 // リセット信号ピン指定

#define ARRAY_SIZE(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))

static uint8_t SPIMode = 3,SPIbit=8;   //SPIモード3 bit数8
static uint32_t SPISpeed = 20000000;  // 20MHz

// SPIデバイス定義
// # ls -l /dev/spidev* で確認できる。
// Pi2の場合CE1に接続した場合は0.0
//          CE2に接続した場合は0.1 だった。
static char *SPIDevice = "/dev/spidev0.0";
int fd,ret=0;

// 液晶解像度定義 _w＝横 _h＝縦（ドット数 あとでページ数に変換している）
int dot_w = 128,dot_h = 48 ;


int main(int argc,char *argv[]){
	dot_h =(dot_h+7)/8; // ドット数をページ数に変換（8bitで割る）
	
	// wiringPi初期化
	if(wiringPiSetup()==-1) printf("wiringPi初期化エラー\n");
	
	// ピンの初期化
	pinMode(RSpin,OUTPUT);
	pinMode(REpin,OUTPUT);
	
	// 液晶リセット信号送信
	digitalWrite(REpin,1);
	delay(1);
	digitalWrite(REpin,0);
	delay(1);
	digitalWrite(REpin,1);
	
	
	// SPIデバイスの初期化
	fd = open(SPIDevice,O_RDWR);if(fd<0) printf("SPI デバイス初期化エラー\n");
	ret = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE,&SPIMode);if(ret <0) printf("SPI Mode設定エラー\n");
	ret =ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD,&SPIbit);if(ret <0) printf("SPI bit/Word設定エラー\n");
	ret =ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ,&SPISpeed);if(ret <0) printf("SPI Speed設定エラー\n");

	//液晶初期化コマンド送信
	// 表示オフ→ADC設定→Common Output設定→バイアス設定
	DataSend(0,0xAE);
	DataSend(0,0xA0);
	DataSend(0,0xC8);
	DataSend(0,0xA3);

	// 内部レギュレーターをオンにする
	DataSend(0,0x2C);
	delay(2);
	DataSend(0,0x2E);
	delay(2);
	DataSend(0,0x2F);


	// 液晶コントラスト設定
	// 3行目のコントラスト設定部分は入手した個体はメーカー指定値では
	// 若干濃かったので少しコントラストを下げています。
	DataSend(0,0x23);
	DataSend(0,0x81);
	DataSend(0,0x17); // メーカー指定値0x1C

	// 表示設定
	// 全点灯OFF→スタートライン0→白黒反転（BMPが0＝白 黒＝1なので）
	// →表示オン
	DataSend(0,0xA4);
	DataSend(0,0x40);
	DataSend(0,0xA7); // 白黒反転させる させない場合＝0xA6
	DataSend(0,0xAF);
	
	// 液晶カーソル初期化
	DataSend(0,0xB0); // ページアドレス0
	DataSend(0,0x10); // Columnアドレス0指定（上位ビット）
	DataSend(0,0x00); // Columnアドレス0指定（下位ビット）

	//BMPファイル読み込み
	unsigned char bhd[62],BMPData[dot_w][(((dot_h+3)/4)*4)];
	FILE *bmpr;
	bmpr=fopen(argv[1],"rb");
	
	// 読み込み ファイル形式が（2bit BMP 48x128px）だと前提して
	// 色々と端折ってデータ読み込み。↑の形式じゃないとエラー
	fread(bhd,1,62,bmpr);fread(BMPData,1,dot_w*(((dot_h+3)/4)*4)*8,bmpr);
	fclose(bmpr);
	
	BMPSend(BMPData); // データ転送
	
	close(fd); // SPIデバイス開放
	}
	
// LCDへのデータ転送
// DataSend(RS,TrData);
// RS＝レジスタ選択
//     0＝コマンド  1＝データ
// TrData＝転送するデータ
//         8bit値
// この液晶は受信専用なのだが今後のために一応送受信可能に
// しておく。
int DataSend(int RS,unsigned long TrData){
	digitalWrite(RSpin,RS); // RS信号切替
	uint8_t ReData;         //受信用変数
	
	// 転送するデータの準備
	struct spi_ioc_transfer tr={
	.tx_buf       =(unsigned long)&TrData,
	.rx_buf       =(unsigned long)&ReData,
	.len          = 1,
	.delay_usecs  = 1,
	.speed_hz     = SPISpeed,
	.bits_per_word= SPIbit,
	};
	
	// 転送
	ret =ioctl(fd,SPI_IOC_MESSAGE(1),&tr);
	if(ret<1){printf("SPI 転送エラー\n");exit(1);}
	return ReData; // 受信データを返す
}

int BMPSend(unsigned char BMPData[dot_w][(((dot_h+3)/4)*4)]){
	int d=0,n=0;
	// 転送 BMPファイルは左下から記録されているので後ろから読み込む
	DataSend(0,0xAE); // 液晶表示オフ
	for(d=0;d<dot_w;d++){
		for(n=0;n<dot_h;n++){
			DataSend(0,0xB0+n);DataSend(0,0x10+(d/16));DataSend(0,0x00+(d%16));
			DataSend(1,BMPData[dot_w-1-d][dot_h-1-n]);
		}
	}
	DataSend(0,0xAF); //液晶表示オン
}

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#include <stdint.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <getopt.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/spi/spidev.h>

#include <wiringPi.h>

#define RSpin 5 // レジスタ選択ピン指定

#define REpin 6 // リセット信号ピン指定

#define ARRAY_SIZE(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))

static uint8_t SPIMode = 3,SPIbit=8; //SPIモード3 bit数8

static uint32_t SPISpeed = 20000000; // 20MHz

// SPIデバイス定義

// # ls -l /dev/spidev* で確認できる。

// Pi2の場合CE1に接続した場合は0.0

// CE2に接続した場合は0.1 だった。

static char *SPIDevice = "/dev/spidev0.0";

int fd,ret=0;

// 液晶解像度定義 _w＝横 _h＝縦（ドット数あとでページ数に変換している）

int dot_w = 128,dot_h = 48 ;

int main(int argc,char *argv[]){

dot_h =(dot_h+7)/8; // ドット数をページ数に変換（8bitで割る）

// wiringPi初期化

if(wiringPiSetup()==-1) printf("wiringPi初期化エラー\n");

// ピンの初期化

pinMode(RSpin,OUTPUT);

pinMode(REpin,OUTPUT);

// 液晶リセット信号送信

digitalWrite(REpin,1);

delay(1);

digitalWrite(REpin,0);

delay(1);

digitalWrite(REpin,1);

// SPIデバイスの初期化

fd = open(SPIDevice,O_RDWR);if(fd<0) printf("SPI デバイス初期化エラー\n");

ret = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE,&SPIMode);if(ret <0) printf("SPI Mode設定エラー\n");

ret =ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD,&SPIbit);if(ret <0) printf("SPI bit/Word設定エラー\n");

ret =ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ,&SPISpeed);if(ret <0) printf("SPI Speed設定エラー\n");

//液晶初期化コマンド送信

// 表示オフ→ADC設定→Common Output設定→バイアス設定

DataSend(0,0xAE);

DataSend(0,0xA0);

DataSend(0,0xC8);

DataSend(0,0xA3);

// 内部レギュレーターをオンにする

DataSend(0,0x2C);

delay(2);

DataSend(0,0x2E);

delay(2);

DataSend(0,0x2F);

// 液晶コントラスト設定

// 3行目のコントラスト設定部分は入手した個体はメーカー指定値では

// 若干濃かったので少しコントラストを下げています。

DataSend(0,0x23);

DataSend(0,0x81);

DataSend(0,0x17); // メーカー指定値0x1C

// 表示設定

// 全点灯OFF→スタートライン0→白黒反転（BMPが0＝白黒＝1なので）

// →表示オン

DataSend(0,0xA4);

DataSend(0,0x40);

DataSend(0,0xA7); // 白黒反転させるさせない場合＝0xA6

DataSend(0,0xAF);

// 液晶カーソル初期化

DataSend(0,0xB0); // ページアドレス0

DataSend(0,0x10); // Columnアドレス0指定（上位ビット）

DataSend(0,0x00); // Columnアドレス0指定（下位ビット）

//BMPファイル読み込み

unsigned char bhd[62],BMPData[dot_w][(((dot_h+3)/4)*4)];

FILE *bmpr;

bmpr=fopen(argv[1],"rb");

// 読み込みファイル形式が（2bit BMP 48x128px）だと前提して

// 色々と端折ってデータ読み込み。↑の形式じゃないとエラー

fread(bhd,1,62,bmpr);fread(BMPData,1,dot_w*(((dot_h+3)/4)*4)*8,bmpr);

fclose(bmpr);

BMPSend(BMPData); // データ転送

close(fd); // SPIデバイス開放

}

// LCDへのデータ転送

// DataSend(RS,TrData);

// RS＝レジスタ選択

// 0＝コマンド 1＝データ

// TrData＝転送するデータ

// 8bit値

// この液晶は受信専用なのだが今後のために一応送受信可能に

// しておく。

int DataSend(int RS,unsigned long TrData){

digitalWrite(RSpin,RS); // RS信号切替

uint8_t ReData; //受信用変数

// 転送するデータの準備

struct spi_ioc_transfer tr={

.tx_buf =(unsigned long)&TrData,

.rx_buf =(unsigned long)&ReData,

.len = 1,

.delay_usecs = 1,

.speed_hz = SPISpeed,

.bits_per_word= SPIbit,

};

// 転送

ret =ioctl(fd,SPI_IOC_MESSAGE(1),&tr);

if(ret<1){printf("SPI 転送エラー\n");exit(1);}

return ReData; // 受信データを返す

}

int BMPSend(unsigned char BMPData[dot_w][(((dot_h+3)/4)*4)]){

int d=0,n=0;

// 転送 BMPファイルは左下から記録されているので後ろから読み込む

DataSend(0,0xAE); // 液晶表示オフ

for(d=0;d<dot_w;d++){

for(n=0;n<dot_h;n++){

DataSend(0,0xB0+n);DataSend(0,0x10+(d/16));DataSend(0,0x00+(d%16));

DataSend(1,BMPData[dot_w-1-d][dot_h-1-n]);

}

DataSend(0,0xAF); //液晶表示オン

}

“Raspberry Pi 2でSPI接続のグラフィック液晶の制御” への1件のコメント

Raspberry Pi 2でカラーグラフィック液晶の制御 | さくいろ！（桜の花びら.netブログ）より:

2015年8月1日 16時54分

[…] 基本的には前回の白黒グラフィック液晶のコマンドコードと転送量が増えるだけですので結線は同じ。SPIの3線にRS信号とリセット信号。そしてGNDだけ。これは他のST7735R搭載の液晶でも同じはず。 […]

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