はじめに

AIDA64 Extreme や LCD4linux を使って、PC の CPU負荷や温度他をモニターするときに使用する LCD（IPS液晶ディスプレイ）についての記事です。

ここでは、AX206LCDと呼ぶことにします。
（ AX206 とは、このディスプレイが使用しているLCDドライバーICの名称のようです）

アリエクで入手したAX206LCDは、3.5インチ 480×320 ピクセルのもの

PC と AX206LCD は USB2.0 で接続し、本来の用途は、DPF（デジタルフォトフレーム）のようです。

Mac にUSB接続したときの情報

$ lsusb 
Bus 000 Device 007: ID 1908:0102 1908 USB-Display  Serial: WCH32

この手の多くのLCDドライバーICで採用されている RGB565 カラー形式で、6万5千色を表示できます。

USBデバイスであれば、pyusb を使って表示させることができますが、サイズ調整やRGB565変換等の処理が必要なため、AX206LCD クラスを作って簡単に表示できるようにします。

Python でアクセスできるため、Pillow を使って好みの画像内容を編集し、それを簡単にAX206LCDに表示させることができるようになります。

その前に、

LCD4linux のソースコードと、LCD4linux や AIDA64 と当LCD が実際に入出力した USBデータのキャプチャー情報から解析した、AX206LCDにアクセスするための情報をまとめておきます。

USB Mass Storage Class - Bulk Only Transport

このLCDは USB Mass Storage Class - Bulk Only Transport プロトコルでアクセスします。

Endpoint

Bulk 転送に使用するエンドポイントは、次の通り。

PC → LCD ： 0x01
LCD → PC ： 0x81

CBW (Command Block Wrapper)

CBW（31バイト）の内容は、次の通り。

offset	パラメタ	内容
0-3	*dCBWSignature*	0x55 0x53 0x42 0x43 ("USBC")
4-7	*dCBWTag*	0xde 0xad 0xbe 0xef
8-11	*dCBWDataTransferLength*	データ転送長 (little endian)
12	*bmCBWFlags*	0x80 : Data In (LCD → PC) 0x00 : Data Out (PC → LCD)
13	*bCBWLUN*	0x00
14	*bCBWCBLength*	0x10 （CBWCB長）
15-30	*CBWCB*	後述

CSW (Command Status Wrapper)

CSW（13バイト）の内容は、次の通り。
（LCD4linux では、ACK と表現している）

offset	パラメタ	内容
0-3	*dCSWSignature*	0x55 0x53 0x42 0x53 ("USBS")
4-7	*dCSWTag*	0xde 0xad 0xbe 0xef
8-11	*dCSWDataResidue*	0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
12	*bCSWStatus*	0x00 : Command Passed (good status) 0x01 : Command Failed 0x02 : Phase Error

CBWCB (Command Block Wrapper - Command Block)

次の3種類を確認した

1. LCDサイズ取得

デバイスにLCDのサイズ（width・height）を問い合わせる。

offset	パラメタ	内容
0		0xcd
1-4		0x00 0x00 0x00 0x00
5		0x02 : get LCD parameters
6-15		0x00 --- 0x00

上記データをAX206LCDに送信すると、次の5バイトのデータがデバイスから送り返される。

offset	パラメタ	内容
0-1	*width*	0xe0 0x01（0x01e0：480）
2-3	*height*	0x40 0x01（0x0140：320）
4		0xff

2. バックライト設定

LCDのバックライトの明るさを設定する

offset	パラメタ	内容
0		0xcd
1-4		0x00 0x00 0x00 0x00
5-8		0x06 0x01 0x01 0x00
9		0x00 〜 0x07 : set LCD backlight
10-15		0x00 --- 0x00

3. 画像データ転送

表示する画像データを AX206LCDに転送する

offset	パラメタ	内容
0		0xcd
1-4		0x00 0x00 0x00 0x00
5-6		0x06 0x12
7-8	x0	0x00 0x00（0x0000：0）
9-10	y0	0x00 0x00（0x0000：0）
11-12	x1	0xdf 0x01（0x01df：479）
13-14	y1	0x3f 0x01（0x013f：319）
15		0x00

これに続き、(x0, y0)〜(x1, y1) の RGB565データを転送する。

（ただし、(0, 0)〜(479, 319)以外（一部領域指定）のデータ転送は、当LCDは無応答となる。）

AX206LCDクラスの使用例

次に AX206LCDクラスの使用例を示します。

商品ページにあったサンプル画像を、順に表示させる pythonコードです。

import time
from AX206LCD import AX206LCD
from PIL import Image

lcd = AX206LCD()
lcd.setbacklight(2)

files = ['sample1', 'sample2', 'sample3']
while True:
    for file in files:
        image = Image.open(f'./{file}.png')
        lcd.draw(image)
        time.sleep(5)

超シンプルに表示できます。

draw()1回あたり、0.6〜0.7秒で画面を書き換えることができました。

転送性能の考察

先の情報によると最高12Mbps、効率を8割としてバイト換算すると、毎秒1.2MBの転送能力。

480x320のRGB565のイメージデータは 307,200バイト（300KB）で、単純な割り算だと 0.244秒となる。

しかし、USBプロトコルのやりとりが何往復も発生することと、LCD内の画像処理時間が多くの時間を占めると想定する。

次のスクショの黄色線の箇所での 0.517秒の内訳は、
・262171バイトのデータ転送に 0.208秒
・残りの 0.309秒がLCD内部処理
と想定される。

なお、307,200バイトのイメージデータは、262,171バイトと 45,083バイトの2回に分けて転送されている（含む、USBプロトコルヘッダー：27バイト）。

約1.5fpsのため、真にリアルタイムな更新には向きませんが、リソースモニターや現在時刻表示（時計）程度なら十分かもしれません。

なお、LCD4Linux で実装されている『画面領域の一部矩形の書き換え』は、当LCDは機能しませんでした（コマンドを送信しても応答が来ない、画面も書き換わらない）。

AX206LCDクラスの使い方

from AX206LCD import AX206LCD
AX206LCDクラスをインポート
　
lcd = AX206LCD()
AX206LCDの初期化を行う。その前にAX206LCDを接続しておくこと（複数台の同時接続には未対応）。
初期化でエラーが起きる場合は、USBケーブルの抜き差しを行ってみてください
　
lcd.setbacklight(brightness)
LCDのバックライトの明るさを、0〜7 で指定する。LCDの初期値は 7、
0 を指定するとバックライトは消灯して画像は見えない
　
lcd.draw(image)
Imageを当クラス内部で480x320にリサイズして画面に表示する。
横縦比が3:2でない画像の場合は、画像を中央に配置し、余白を黒で表示する。基本は呼ぶ側では画像サイズを気にする必要は無い

AX206LCDクラス

AX206LCDクラスの pythonコードを示す。

AX206LCD.py

import io
import usb.core
import usb.util
from struct import pack, unpack
from PIL import Image, ImageOps

class AX206LCD_Base:
    _AX206_VID = 0x1908
    _AX206_PID = 0x0102
    _black = (0, 0, 0)

class AX206LCD(AX206LCD_Base):
    def __init__(self, debug=False):
        self.width = 0
        self.height = 0
        self.dev = None
        self.DIR_IN = "IN"
        self.DIR_OUT = "OUT"
        self.__debug = debug
        self.__counter = 0 #for debug

        #open device
        dev = usb.core.find(idVendor=AX206LCD_Base._AX206_VID, idProduct=AX206LCD_Base._AX206_PID)
        assert dev is not None, "AX206LCD not found. It may not be connected."
        self.dev = dev

        dev.set_configuration()

        cmd = b'\xcd\x00\x00\x00\x00\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'
        buf = bytearray(5)
        assert self.__wrap_scsi(cmd, self.DIR_IN, buf) == 0, "device open error reading LCD dimensions"

        self.width, self.height = unpack('<HH', buf[0:4])
        print(f"AX206LCD: got LCD dimensions: {self.width}x{self.height}")

    def __del__(self):
        if self.dev is None: return
        usb.util.dispose_resources(self.dev)
        self.dev = None

    def setbacklight(self, brightness=1):
        assert 0 <= brightness <= 7, "must be value is 0...7"

        cmd = bytearray(b'\xcd\x00\x00\x00\x00\x06\x01\x01\x00\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x00')
        cmd[9] = brightness
        assert self.__wrap_scsi(cmd, self.DIR_OUT, None) == 0, f"setbacklight failer. value: {brightness}"

    def __resize(self, image):
        x_ratio = self.width / image.width
        y_ratio = self.height / image.height
        if x_ratio < y_ratio:
            resize_size = (self.width, round(image.height * x_ratio))
        else:
            resize_size = (round(image.width * y_ratio), self.height)

        image = image.resize(resize_size)
        newImage = Image.new("RGBA", (self.width, self.height), AX206LCD_Base._black)
        #centering
        x, y = (self.width - image.size[0]) // 2, (self.height - image.size[1]) // 2
        newImage.paste(image, (x, y))
        return newImage

    def clear(self, color=AX206LCD_Base._black):
        #RGBA to RGB565
        r, g, b = color
        rgb565 = bytes([(((r & 0xf8)) | ((g & 0xe0) >> 5)), (((g & 0x1c) << 3 ) | ((b & 0xf8) >> 3))])

        out_size = self.width * self.height * 2
        out_img = bytearray(out_size)
        for n in range(0, out_size, 2): out_img[n: n+2] = rgb565

        cmd = bytearray(b'\xcd\x00\x00\x00\x00\x06\x12\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\x00')
        cmd[7:15] = pack("<HHHH", 0, 0, self.width - 1, self.height - 1)
        assert self.__wrap_scsi(cmd, self.DIR_OUT, out_img) == 0, f"draw failer. size: {len(out_img)}"

    def draw(self, image):
        image = self.__resize(image)
        image = ImageOps.flip(image) # horizontal flip

        img_bytes = io.BytesIO()
        image.save(img_bytes, format="BMP")
        image_bytes = img_bytes.getvalue()[54:] #skip BMP header (54bytes)
        width, height = image.size
        byteperpixel = len(image_bytes) // (width * height)
        out_size = width * height * 2
        out_img = bytearray(out_size)
        for n in range(0, out_size, 2):
            m = n // 2 * byteperpixel
            #RGBA to RGB565
            out_img[n + 0] = (((image_bytes[m + 2] & 0xf8)      ) | ((image_bytes[m + 1] & 0xe0) >> 5))
            out_img[n + 1] = (((image_bytes[m + 1] & 0x1c) << 3 ) | ((image_bytes[m + 0] & 0xf8) >> 3))

        cmd = bytearray(b'\xcd\x00\x00\x00\x00\x06\x12\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\x00')
        cmd[7:15] = pack("<HHHH", 0, 0, width - 1, height - 1)
        assert self.__wrap_scsi(cmd, self.DIR_OUT, out_img) == 0, f"draw failer. size: {len(out_img)}"

    def __dump(self, title, buf, readlen=0):
        if not self.__debug: return
        
        length = 0 if buf is None else len(buf)
        str = '' if readlen==0 else f', read-len:{readlen}'
        print(f"#{self.__counter} <{title}> buf-len: {length}{str}")
        if buf is None: return
        
        if length > 64: length = 64
        for n in range(length):
            if n > 0 and n % 16 == 0: print()
            d = buf[n]
            if 0x20 <= d <= 0x7f:
                c = f"[{chr(d)}]{'{:02x}'.format(d)}"
            else:
                c = f"{'{:02x}'.format(d)}"
            print(c, end=' ')
        print()

    def __wrap_scsi(self, cmd, dir, buf):
        if self.__debug:
            self.__counter += 1
            print(f"#{self.__counter} wrap_scsi cmd:{cmd} dir:{dir}, buf:{'None' if buf is None else f'size:{len(buf)}'}")

        cbw = bytearray(b'USBC\xde\xad\xbe\xef\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x10')
        cbw[14] = len(cmd)
        if buf is not None:
            cbw[8:12] = pack("<L", len(buf))

        out = cbw + cmd
        self.__dump("cmd bulk write", out)
        ret = self.dev.write(0x1, out, 1000)
        assert ret is not None, f"{self.__counter} cmd bulk write failed. cmd:{out}"

        if dir == self.DIR_OUT and buf is not None:
            self.__dump("buf bulk write", buf)
            ret = self.dev.write(0x1, buf, 3000)
            assert ret is not None, f"{self.__counter} cmd bulk write failed. buf len:{len(buf)}"

        elif dir == self.DIR_IN and buf is not None:
            buf_len = len(buf)
            self.__dump("cmd bulk reading", None, buf_len)
            ret = self.dev.read(0x81, buf_len, 4000)
            assert ret is not None, f"{self.__counter} cmd bulk read failed."
            recv = bytearray(ret)
            assert len(recv) == buf_len, f"{self.__counter} cmd bulk read length unmatch. {buf_len}:{len(recv)}"
            buf[0:buf_len] = recv
            self.__dump("cmd bulk readed", buf)

        #get CSW as ACK response
        self.__dump("ack bulk reading", None)
        ret = self.dev.read(0x81, 13, 5000) # CSW size is 13
        assert ret is not None, f"{self.__counter} ack read failed."
        csw = bytearray(ret)
        self.__dump("ack bulk read", csw)
        assert len(csw) == 13, f"{self.__counter} ack read length unmatch. 13:{len(csw)}"
        assert csw[:4] == b'USBS', f"{self.__counter} NO ACK. {csw[:4]}"
        
        return csw[12] # bCSWStatus

自分にとっては、こういうのも「電子工作」なんです。

以上