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@nak435

マルツ製キャラクタLCDモジュールをRaspberry Pi Zeroで遊ぶ

Last updated at Posted at 2022-04-20

はじめに

あちらこちらの箱に散在していたパーツ類を整理していたら、かなり前に購入した「マルツパーツ館 16文字x2行表示 キャラクタLCDモジュール」が出てきた。購入したことすら記憶に残っていなかったが、デュポンケーブルでRaspberry Pi Zeroに直接接続したところ、他に何もしなくても簡単に表示できたので、もう少し遊んでみようと思う。

つい先日、aitendo製LCDの記事をアップしたが、今回の記事とは関係なくLCDつながりも単なる偶然。

1. マルツパーツ館

取扱説明書

「○にツ」のマルツパーツ館のロゴが入った取扱説明書と一緒に出てきた。ピンヘッダをハンダ付けしたものの、そのまま放置しいつしか記憶からも消え去ったと思われる。
「マルツパーツ館」をネットで検索すると、2014年10月に現マルツにリニューアルしたというブログがヒットした。今もロゴは「○にツ」ですね。

MARUTSU　　　　MI2CLCD-01

「MI2CLCD-01」を検索すると、現在のマルツの商品がヒットする。おそらく同じLCDモジュールだと思われる。

2. Raspberry Pi Zeroに接続

取説には、バスライン（SDA/SCL）は、
・ ハンダジャンパで基板上の2.2KΩのプルアップを有効化できる
・ 外付けする場合は、2.2〜4.7KΩの抵抗でプルアップすること
と、説明があり、もしかして、Raspberry Pi の1.8KΩのプルアップでも動作するかも？と半信半疑でデュポンケーブルでRaspberry Pi Zeroに接続したところ、すんなり表示できた。

使用したプログラムは、aitendo製LCDの記事で使ったものそのもの。ピンアサインは以下の通り。（GNDが交差しなければ、1・3・5・7・9と一直線。惜しい）

LCDモジュール Raspberry Pi
(ピン番号)
VDD 3V3 (1)
GND GND (9)
SDA BCM2 (3)
SCL BCM3 (5)
RST BCM4 (7)

3. サイズがRaspberry Pi Zeroと同じ

このLCDを見つけて手にしたときに、すぐに思ったのが「サイズがRaspberry Pi Zeroと同じじゃ？」。基板同士を重ねてみるとほぼ同じ。
マルツのサイトにサイズが載っていたので、並べるとホントに同じです。

このLCDモジュールができた頃は、Raspberry Pi Zeroはまだ存在していないと思うので、偶然なんでしょうね。専用HATを自作しようかと思うほどジャストサイズ。

4. 遊んでみる

(a) アイコンを表示する

このLCDは、9種類のアイコンを表示できるので試してみた。

アイコンを表示する関数は以下の通り。念のため、adrは0〜15、bitは0〜31の範囲にマスクしている。

def lcd_setIcon(adr, bit):
  lcd_cmd(0x39)
  lcd_cmd(0x40 | (adr & 0xF))
  lcd_data(bit & 0x1F)
  lcd_cmd(0x38)

このadrとbitで表示できるアイコンはどれ？、取説にもST7032のデータシートにも記載がない。「st7032 アイコン」で検索すると、ストロベリー・リナックスが販売している「I2C低電圧キャラクタ液晶モジュール（１６ｘ２行）」の参考資料「アプリケーションノート」がヒットし詳しく載っていた。ストロベリー・リナックスのLCDはBO1602B、マルツのLCDのBO1602Dと、ほぼ一緒なんでしょうね。下表に引用させていただきました。
icon adr/bit
例えば、バッテリー満タンのアイコンを表示したい場合は、adr=0xD、bit=0x1Eを指定します。消す場合は bit=0。

IMG_9800.png

上の写真のようにちゃんと表示できました。昔のガラケーを思いださせる懐かしいアイコンです。
バッテリー充電中をイメージしたアイコンを設定してみた。↓それっほく見えますか？
charging.gif
本来ならタイマーイベントで処理するところを、サボって単純ループで実装しています。

バッテリー充電中
while True:
  for bit in [0x02, 0x12, 0x0a, 0x06]:
    lcd_setIcon(0xd, bit)
    time.sleep(0.5)
    lcd_setIcon(0xd, 0)
    time.sleep(0.5)

(b) CGRAMにビットパターンを定義して表示する

（動画の）上の写真でアイコンの行の下に1行空いて、2行目にTM、十字架、§・・・が表示されていますが、本当は、1行目に下表に示した左端の図形が表示されるはずなんですが・・・（ST7032データシートから引用）
スクリーンショット 2022-04-18 21.45.34.png
ですが、これは、OPR1=1＆OPR2=1 の場合で、何も表示されていないということは、このLCDはOPR1=0＆OPR2=0であることを意味していると思われ、この場合は、CGRAMに好きな図形を定義して表示させることができるようです。

1文字分のビットパターンは、横5ドッド x 縦8ライン。縦の8ライン目はカーソルの表示でも使われるので、0にしておくのが無難でしょう。つまり、5x7ドット図形。

CGRAMにビットパターンを設定する関数は以下の通り。adrは0x0〜0xF、patternは1バイトx8の配列で指定します。1バイトの下5ビットで1ラインのデータを指定し、それを8行分。

def lcd_setCGRAM(adr, pattern):
  adr &= 0xF
  lcd_cmd(0x40 | (adr << 3))
  for char in pattern:
    lcd_data(char)
使用例（文字コード=5に上向き矢印）
# ↑
lcd_setCGRAM(0x5, [0b00100, 0b01110, 0b10101, 0b00100, \
                   0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00000])

では、上表の0x0〜0xFの16個のビットパターンを自分で定義して表示させてみます。しかし、

patterns = [[0b00010, 0b00101, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b10100, 0b01000, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00000, 0b01010, 0b10101, 0b10101, 0b01010, 0b00000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b10001, 0b10010, 0b10100, 0b11000, 0b10000, 0b00000, 0b00000], \
            [0b00001, 0b00001, 0b00101, 0b01001, 0b11111, 0b01000, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b01110, 0b10101, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b10101, 0b01110, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00100, 0b00010, 0b11111, 0b00010, 0b00100, 0b00000, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00100, 0b01000, 0b11111, 0b01000, 0b00100, 0b00000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00000], \
            [0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b11111, 0b00000], \
            [0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b11111, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00000, 0b00000, 0b01100, 0b01100, 0b00000, 0b00000, 0b00000], \
            [0b01110, 0b10011, 0b10101, 0b10011, 0b10101, 0b10101, 0b01110, 0b00000], \
            [0b01110, 0b11011, 0b10101, 0b10111, 0b10101, 0b11011, 0b01110, 0b00000]]
for adr in range(16):
  lcd_setCGRAM(adr, patterns[adr])

なぜか、後半の8文字分が繰り返し表示されるだけ？？

データシートをよく読むと、
スクリーンショット 2022-04-18 23.12.54.png
OPR1=0＆OPR2=0は8文字のようです。前半の8文字の設定に変えたら下記写真の通り。16文字使えないのはちょっとガッカリ。OPR1=1＆OPR2=0も同じ8文字なので、こっちかもしれない。（16文字だと思っていたが、別なコントローラICの仕様だったようだ）

(c) CGRAMを動的に書き換えたら表示はどうなる？

前項の16個の図形のビットパターンのうち、前半の8個分をCGRAMに定義して、その文字を表示させた状態で後半の8個分をCGRAMに再定義すると、表示済みの文字はどうなるのか実験してみた。
想定される動作としては、次のどちらか。

  1. CGRAMの再定義によって、表示済みの文字も書き変わる
  2. 表示済みの文字は変わらず、新しく書いた文字が再定義後の図形になる

もし後者なら、使い道が広がるが、おそらく前者ではないかと予想する。
確認するプログラムは以下の通り。①最初に前半の8個分をCGRAMに定義、②1行目に文字コード0x0〜0x7の文字を出力。③後半の8個分をCGRAMに再定義。ここで1行目の表示に変化があるか ないか。④2行目に文字コード0x0〜0x7の文字を出力。1行目と2行目の文字に差が出るか 出ないか。

patterns = [[0b00010, 0b00101, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b10100, 0b01000, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00000, 0b01010, 0b10101, 0b10101, 0b01010, 0b00000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b10001, 0b10010, 0b10100, 0b11000, 0b10000, 0b00000, 0b00000], \
            [0b00001, 0b00001, 0b00101, 0b01001, 0b11111, 0b01000, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b01110, 0b10101, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b00100, 0b10101, 0b01110, 0b00100, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00100, 0b00010, 0b11111, 0b00010, 0b00100, 0b00000, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00100, 0b01000, 0b11111, 0b01000, 0b00100, 0b00000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b00000], \
            [0b11111, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00000], \
            [0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b10000, 0b11111, 0b00000], \
            [0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b00001, 0b11111, 0b00000], \
            [0b00000, 0b00000, 0b00000, 0b01100, 0b01100, 0b00000, 0b00000, 0b00000], \
            [0b01110, 0b10011, 0b10101, 0b10011, 0b10101, 0b10101, 0b01110, 0b00000], \
            [0b01110, 0b11011, 0b10101, 0b10111, 0b10101, 0b11011, 0b01110, 0b00000]]
# ①
for adr in range(8):
  lcd_setCGRAM(adr, patterns[adr])
# ②
lcd_cmd(0x01) # clear display
for char in range(8):
  lcd_data(char)
print("first 8 CGRAM")
time.sleep(5)

# ③
for adr in range(8, 16):
  lcd_setCGRAM(adr & 0x7, patterns[adr])
# ④
lcd_move(0x40) # move next line
for char in range(8):
  lcd_data(char)
print("last 8 CGRAM")

やはり予想した通りの↓結果であった。しかし、瞬時に描き変わるのでこれはこれで使い道があるかも。
IMG_9815.JPG

5. 実用的なプログラムを書く

サイズ感がフィットしているので、Raspberry Pi Zero WHに常設し普段使いしようと思い、以下のプログラムを書くことにした。

  1. （IPアドレス取得後に）自身のホスト名とIPアドレスを表示
  2. バッテリーアイコンを使って、CPU使用率を表示（1秒間隔で更新）
    CPU使用率
  3. 数分経過したら、ホスト名とIPアドレスの代わりに、現在時刻とCPU使用率を数字で表示
  4. GPIOに取り付けたスイッチを押すことで、「ホスト名・IPアドレス」表示と「現在時刻・CPU使用率」表示を切り替え
ここをクリックすると、プログラム全体を表示する
import os
import psutil
import smbus
import time
import datetime
import RPi.GPIO as GPIO
import signal
import threading

BUSY = False
STOP = False

def handle_exit(signal_number, stack):
  global STOP
  STOP = True
  lcd_clear()
  lcd_puts("bye!")
  GPIO.cleanup()
  print("bye!")
  exit()

def ip_adr():
  cmd = "ifconfig | grep 192.168 "
  result = os.popen(cmd).read().split()
  return "" if len(result) == 0 else result[1]

def hostname():
  cmd = "hostname"
  result = os.popen(cmd).read().split()
  return result[0] + ".local"

LAST_CPU = 0.0
def cpu_usage():
  global LAST_CPU
  LAST_CPU = psutil.cpu_percent(interval=1)
  return LAST_CPU

def timer_scheduler():
  global STOP
  if not STOP:
    t = threading.Timer(1, timer_scheduler)
    t.start()
  cpu = cpu_usage()

i2c = smbus.SMBus(1) # 1 is bus number

signal.signal(signal.SIGTERM, handle_exit)
signal.signal(signal.SIGINT, handle_exit)

def delay(ms):
  time.sleep(ms / 1000)

def lcd_cmd(cmd):
  global BUSY
  BUSY = True
  i2c.write_byte_data(i2cadr, 0x00, cmd)
  delay(2)
  BUSY = False

def lcd_data(char):
  global BUSY
  BUSY = True
  i2c.write_byte_data(i2cadr, 0x40, char)
  BUSY = False
  delay(2)

def lcd_init():
  # reset
  delay(500)
  GPIO.setup(resetPin, GPIO.OUT)
  GPIO.output(resetPin, False)
  delay(10)
  GPIO.output(resetPin, True)
  delay(10)
  # LCD initialize
  delay(40)
  lcd_cmd(0x38) # function set
  lcd_cmd(0x39) # function set
  lcd_cmd(0x14) # interval osc
  lcd_cmd(0x70 | (contrast & 15)) # contrast low
  lcd_cmd(0x5c | (contrast >> 4 & 3)) # contrast high / icon / power
  lcd_cmd(0x6c) # follower control
  delay(300)
  lcd_cmd(0x38) # function set
  lcd_cmd(0x0c) # display on
  delay(2)    

def lcd_puts(str):
  charSet = []
  for char in str:
    charSet.append(ord(char))
  i2c.write_i2c_block_data(i2cadr, 0x40, charSet)

def lcd_setCGRAM(adr, pattern):
  adr &= 0xF
  lcd_cmd(0x40 | (adr << 3))
  for char in pattern:
    lcd_data(char)

def lcd_move2ndline():
  lcd_cmd(0x80 | 0x40)

def lcd_setIcon(adr, bit):
  lcd_cmd(0x39) # function set for Extended
  lcd_cmd(0x40 | (adr & 0xF))
  lcd_data(bit & 0x1F)
  lcd_cmd(0x38) # function set for NORMAL

def lcd_resetAllIcons():
  for adr in [0x0, 0x2, 0x4, 0x6, 0x7, 0x9, 0xB, 0xD, 0xF]:
    lcd_setIcon(adr, 0)

def lcd_clear():
  lcd_cmd(0x01) # clear display

def lcd_output(line1, line2=""):
  lcd_clear()
  lcd_puts(line1)
  if len(line2) == 0:
      return
  lcd_move2ndline()
  lcd_puts(line2)

def hostname_ipadr():
  lcd_output(hostname(), ip_adr())

def cpuUsage_clock():
  global LAST_CPU
  cpu = '{:>16}'.format(f'{LAST_CPU:.1f}%')
  now = datetime.datetime.now()
  now_str = now.strftime('/%d %H:%M:%S')
  if now.month >= 10:
    now_str = chr(now.month - 10) + now_str    
  else:
    now_str = str(now.month) + now_str
  lcd_output(cpu, '{:>16}'.format(now_str))

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
resetPin = 7
i2cadr = 0x3e
contrast = 40

lcd_init()

m10_11_12 = [[0b10010, 0b10101, 0b10101, 0b10101, 0b10101, 0b10010, 0b00000, 0b00000], \
             [0b10010, 0b10010, 0b10010, 0b10010, 0b10010, 0b10010, 0b00000, 0b00000], \
             [0b10010, 0b10101, 0b10001, 0b10010, 0b10100, 0b10111, 0b00000, 0b00000]]

for adr in range(3):
  lcd_setCGRAM(adr, m10_11_12[adr])

def setCPUusageIcon():
  global LAST_CPU
  cpu = LAST_CPU
  if cpu < 25.0:
    lcd_setIcon(0x0D, 0x02)
  elif cpu < 50.0:
    lcd_setIcon(0x0D, 0x12)
  elif cpu < 75.0:
    lcd_setIcon(0x0D, 0x1A)
  elif cpu < 95.0:
    lcd_setIcon(0x0D, 0x1E)
  else:
    for _ in range(2):
      lcd_setIcon(0x0D, 0x1E)
      delay(300)
      lcd_setIcon(0x0D, 0)
      delay(300)
    lcd_setIcon(0x0D, 0x1E)

t = threading.Thread(target = timer_scheduler)
t.start()

lcd_output("Please wait soon", " for network act")
time.sleep(1)
while len(ip_adr()) == 0:
  setCPUusageIcon()
  time.sleep(1)

hostname_ipadr()

for _ in range(180):
  setCPUusageIcon()
  time.sleep(1)


sw_pin = 37
GPIO.setup(sw_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

CLOCK = True
def clock_or_hostname():
  global CLOCK
  if CLOCK:
    cpuUsage_clock()
  else:
    hostname_ipadr()

def handle_button(pin):
  global CLOCK, BUSY
  CLOCK = not CLOCK
  if not BUSY:
    clock_or_hostname()

GPIO.add_event_detect(sw_pin, GPIO.FALLING, handle_button, bouncetime=1000)

while True:
  clock_or_hostname()
  setCPUusageIcon()
  time.sleep(1)

適当な負荷を掛けるのが難しいので、すぐに100%になってしまうけど、ちゃんと表示できていそう。また、スイッチを押すと表示がちゃんと切り替わりますね。

もし、上の埋め込み動画が表示されていない場合は、こちらからどうぞ。

これを/etc/rc.localから起動するように設定した。

6. マウントベースとスペーサを設計

Raspberry Pi ZeroとこのLCDを重ねて取り付けるためのベースとスペーサを設計した。ピンヘッダとデュポンケーブルが高さ方向の幅をとるので、HATのようにピッタとはいかずLCDが浮いた取り付けとなってしまうが仕方ない。

さっそく3DPRで出力して上の動画で使っていますが、真上から撮影しているので見えないですね。斜めからの写真を載せておきます。

このLCDにバックライトがないのが残念!!

基板にはバックライトLED用の制限抵抗やの給電方法を選択するためのジャンパランド、スルーホールまでも用意されている。
ストロベリー・リナックは同サイズの液晶にバックライト付きのLCDを販売しているので、それをマルツの基板に移し替える!?。てか、マルツもバックライト付きをラインナップすればいいのに・・・

2022.4.21訂正
　マルツの基板にはバックライトLEDの制限抵抗（チップ抵抗）をハンダ付けするためのランドが用意されていますが、抵抗自体がハンダ付けされているわけではありません。

おわりに

今回はST7032iについて調べLCD出力に関して勉強するよい機会となりました。また、普段余り使っていないpythonで色々な処理の書き方なども勉強になリました。
1000円足らずでこんなに遊べるなんて、ホント便利な時代になりました。みなさんに感謝です。
この記事も何かの参考になれば幸いです。

以上

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