ＰＩＣ　ＡＶＲ　工作室別館　arduinoの館－＞ＴｏｐＰａｇｅ－＞各種ライブラリ－＞キャラクターＬＣＤ

キャラクターＬＣＤ表示ライブラリ

以前のバージョンのキャラクターＬＣＤライブラリを使って実験してみたところ、ＬＣＤモジュールの初期化が上手く行かずに途中で投げだした経験があるんですが、先日公開されたarduino0017ではこの初期化ルーチンについてladyadaさんが改善を加えてくれたとのことなので、早速使ってみたら上手く動きました。

このキャラクターＬＣＤ用のライブラリの使い方などを簡単に纏めておきたいと思います。

キャラクターＬＣＤについて

マイコンを使って何か工作するときに、数値や文字といった情報を表示したくなることがあるかと思います。

ＰＣと（ＵＳＢやシリアルケーブルなどで）接続したまま動かすというのであれば、 arduino－ＩＤＥ側に登載されたシリアルモニター宛に文字や数値を表示するという手もありますが、 arduinoはＰＣと切り離して単独で動かすことも可能なので、arduinoと直結する表示器が欲しくなります。でもそういった単体のＬＣＤ等を買ってきて、マイコン側で全部制御するとなるとアレコレ骨が折れます。で、一般にはキャラクターＬＣＤというモジュール化されたものを使うわけです。

これはＳＵＮＬＩＫＥ社のＳＣ１６０２Ｂです。このシリーズは秋月で数百円～千円程度で手に入ります。

ＬＣＤ単体に何か表示するためには、ＬＣＤに常時交流信号を常時流しておいたり、表示の画素１個１個を時分割でダイナミックに走査したり… といった厄介なことをする必要があるため、マイコンがその制御すべてを受け持つととても面倒なのですが、ＬＣＤモジュールならそのあたりの制御機能も内蔵しているので、マイコン側では「何を表示するのか」だけを、つまりアプリケーション要件だけを考慮すれば良いので、取り扱いが格段に楽になります。

キャラクターＬＣＤモジュールはどのメーカーのものも似たような外見をしていて、ほぼ同じ制御方法で使えるようになっています。キャラクターＬＣＤモジュールの内部には、日立のHD44780もしくは互換のＩＣが内蔵されていて、このＩＣがマイコンから送られた表示内容を記憶しておいたり、ＬＣＤ画面に信号を送ったりという制御を受け持ってくれます。このHD44780は一種のデファクトスタンダードなので、ＳＵＮＬＩＫＥ製でもシャープ製でも同じプログラムで制御が可能です。

強いていえば、モジュールによっては横方向に表示できる文字数や縦方向に表示できる行数にバリエーションがあったり、バックライトの有無、ｉ／ｆ端子の形状（写真のように７×２列だったり１列で１４ピンタイプだったり）にもバリエーションがありますが、基本的な制御方法は同じなのでライブラリ自体は使いまわしが可能です。

秋月などで手に入る一番ポピュラーなものは、先ほどのSUNLIKE社のSC1602Bシリーズでしょう。１６文字２行の表示が可能で、バックライトの有無や発色、表示部の面積などでバリエーションがあります。

比較的単純な機能しか持っていないモジュールですが、マイコン側の容量や処理速度、Ｉ／Ｏピンの数など限られたリソースをＬＣＤ制御に充てるより、ＬＣＤモジュール側が複雑な手続きを代替してくれるので簡単で便利なモノではないでしょうか。

接続方法

arduinoなどのマイコンとキャラクターＬＣＤモジュールの間は、双方向のパラレルＩ／Ｆで接続します。

キャラクターＬＣＤモジュールにはデータ用の信号ピンが８本あり、一度に１バイトのデータを送受信することが出来ます。

さらに、この８ビットのデータに加えてＬＣＤ側に向けて書き込みするのかＬＣＤ側から読み出しするのかを区別する信号や、Ｉ／Ｆ内容が「データ」なのか「制御命令」なのかを区別する信号などもあるので、マイコンとＬＣＤモジュールは計１１本の線で接続することになっており、それ以外に電源（ＶｃｃとＧＮＤ）や、表示の濃さを指定するためのcontrast adj信号（ＶｃｃとＧＮＤを適当な抵抗で分圧して与える）も加えて、計１４ピンのＩ／Ｆ端子を登載しています。

バックライト内蔵モジュールの場合はさらにバックライト用のＬＥＤを光らせるための端子もあります。

電圧について

液晶モジュールを駆動するためにはある程度の電圧が必要なため、通常はＶｃｃに５Ｖを掛けて使います。

５Ｖ版のarduinoなら、arduinoと電源を共有させて使うことが出来、とても扱いが簡単に済みます。

３Ｖや３．３Ｖなどマイコン用電源ではＬＣＤモジュールをドライブすることが出来ないので、３．３Ｖ動作のarduinoの場合はＬＣＤモジュールと電源を共用することは出来ません。別途５Ｖ程度の電源を用意するなど対策が必要です。以降、５Ｖ動作の場合を前提のお話とします。

信号線について

上述の通りキャラクターＬＣＤモジュールはマイコン側と１１本の制御信号で相互接続することになるのですが、 arduinoよりももっと小さいマイコン等の場合１１本も信号線に引き出してしまうとピンが足らなくなることがあります。そのために、使用するピンを省略することが出来る「省ピンモード」というのがあります。

通常、８本の信号線を一まとめにして一度に１バイトのデータを送受信するのですが、これを半分の４本にしてしまい、１バイトのデータを２回に分けて送受信するというモードが設けられています。これによって信号線を４本省略することができます。

arduinoのライブラリもこの省ピンモードに対応しています。スケッチの初期化処理時に「省ピンで使うよ」と宣言するだけでＯＫ。それ以降、表示内容を上下４ビットずつに分離するなどの面倒なことはライブラリが引き受けてくれます。よほど通信速度に拘る場合を除けば、アプリケーションプログラム上で省ピンモードか否かを意識する必要は基本的にないので、通常は省ピンモードで使うのが一般的かと思います。（詳しくは後述）

さらに、通常ＬＣＤ表示といえば書き込みだけ（ＬＣＤからの読み出しは行わない…表示だからデータを一方的に送るだけ）という用途が大部分だと思いますが、それを見越して「書き込み/読み出し」用のピンを接続しない＝常時書き込み動作として扱うことも可能です。

現時点でarduinoの最新のバージョン＝0017では、これらの省ピンモードと読み書きモードを好きなように組み合わせて設定することが可能になりました。このため、単純に表示だけ行うなら、ピンを出来るだけ省略すればarduinoとＬＣＤの間を最小では６本の信号線を繋ぐだけで良いことになります。（別途電源とかは必要ですが）

この図の赤い線で消した部分が省ピンモード時に省略できるデータピン４本です。書き込み専用で使用するなら、Ｒ／Ｗも常時ＬＯＷ（＝ＧＮＤ電位）に固定させてしまうことでさらに１ピン減らすことが出来ます。

具体的な接続方法などは後ほど回路図に示します。

arduino用のライブラリ

キャラクターＬＣＤモジュールは、電源投入後に初期化のコマンドでＬＣＤモジュールを一度初期化してしまえば、あとはキャラクターコード（≒ａｓｃｉｉコード＋α）をマイコンから送信すだけでそのキャラクターがＬＣＤ画面上に表示されるというものです。

さらに、制御コマンドを使ってカーソル位置を指示したり画面を消去したりといったといったことも出来るようになっています。イメージ的には大昔の８ビットＰＣのキャラクター画面と機能的には似た感じの操作性でしょうか。

キャラクターＬＣＤのデータシートを眺めると、初期化やカーソル位置の設定方法などが詳しく書いてあるのですが、これを紐解きながら１ビット１ビット設定を行っていくのは面倒ですし、正直言って生産的ではありませんよね。

大抵のマイコンの開発環境には、そのあたりの手続きを代替してくれるようなＬＣＤライブラリが用意されているんですが、 arduinoにもそれが標準で用意されていて、arduinoのＩＤＥをＰＣにインストールすると自動的にこのライブラリも一緒にインストールされます。ユーザーは、スケッチを書くときに「このライブラリを使いますよ」という宣言をするだけで、ＬＣＤを簡単に扱うことが出来るようになります。

さらにarduino0017からは「外字」の表示、つまりキャラクターコード表に元々載っていない文字を「ビットマップイメージ」で指定して表示する機能もサポートしました。（ladyadaさんに感謝！）

arduinoのキャラクターＬＣＤライブラリで表示が可能な文字のコード表を挙げます。

真中辺のピンクの四角で囲ったところがおおよそａｓｃｉｉコードにあたる部分。ベルコード（０ｘ０７）のようないわゆる制御コードは対応してませんが…。左側の緑の四角はカタカナや記号類。右の赤い楕円のところは外字登録が可能な８文字です。（詳しくは後述）

この赤い楕円部分に８文字分まで自由にビットマップで文字を登録することが可能な訳です。

ちなみに緑の四角の部分は、発売される国によって色々なバージョンがあるみたいですね。

とりあえず動かしてみる

スケッチや配線の前に、まずは動かした結果を。冒頭の写真です。

いわゆる「ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ！」とプラスαなんですが、普段使いそうな機能を短いスケッチに盛り込んでみました。

その一つはカーソル移動です。「ａｒｄｕｉｎｏ．」と書く際に、２行目の６桁目（座標値では（５，１）に相当）にカーソルを移動してからａｒｄｕｉｎｏ．と表示しているわけ。カーソル移動が使えないと不便ですからね。

もう一つ。便利な便利な外字登録。この写真の液晶中、右下にあるハートマークみたいなやつ。１ドット１ドット自由に設定した文字を作って、アルファベットや数字などと同じ一つの文字として扱うことが出来て便利です。ちなみにホントはハートじゃなくて「ネコ」のビットマップを作ったつもりだったんですけどね… でも先ほどのキャラクターコード表には載ってない文字でしょ？

というわけで、このように文字を書いたり、外字を登録したり表示したりということをやってみます。この過程を通して、配線、初期化、文字の表示、外字の登録と表示といった一通りのモノが扱えるようになるわけです。

サンプルスケッチ

先ほどの写真を実現するためのスケッチです。例によって半角の不等号やダブルコーテーションは全角に換えてあるので戻して使ってください。

#include ＜LiquidCrystal.h＞

LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 5, 4, 3, 2);

void setup()
{
  lcd.begin(16, 2);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print(”hello, world!”);
  lcd.setCursor(5, 1);
  lcd.print(”arduino.”);
  
  byte neko[8] = {
    B00000,
    B01010,
    B11111,
    B11111,
    B01110,
    B00100,
    B00000,
  };

  lcd.createChar(0, neko);
  lcd.setCursor(15, 1);
  lcd.write(0);

}

void loop() {}

スケッチの意味は後ほど。

配線と回路図について

arduinoとキャラクターＬＣＤを接続する配線は、１ピン１ピン自由に設定することが可能です。そのピン配置は、先ほどのスケッチ中に出てきたLiquidCrystal型オブジェクトのインスタンス生成のところで１ピンずつピン番号を指定することで設定しています。

そのピン配置設定の意味について整理した上で、それを配線図に落としていきます。

先ほどのスケッチでは、ピン指定のパラメタが７個指定されています。この７つの意味は公式ファイルに載っているリファレンスと見比べると解ります。↓これです。

今回作ったサンプルスケッチでは７個のパラメタがあるので、リファレンスでいうとこの赤い矢印で指したところ… ｒｓ、Ｒ／Ｗ、Ｅ、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７の７本を接続してそれぞれ12, 11, 10, 5, 4, 3, 2を使用するよ、という意味です。そしてＲ／Ｗピンを使用するので、書き込みと読み出しの両機能を使うことが出来、データピンは４本だけ使っているので省ピンモードという意味になります。

LiquidCrystal型インスタンスを生成する際に指定するパラメタの数で、これら４パターンの組み合わせから配線を選ぶことが可能です。ＴＰＯにあわせて適当なものを選択すればよいでしょう。

配線例…データ４本＋制御３本の場合

で、今回の７本の場合を回路図に表すとこんな感じになります。

５Ｖ版arduinoの例としてduemilanoveを回路図に載せてます。（megaやsanguinoのような多ピン版を除き）５Ｖ版なら何を使っても大差ありません。

これらの配線のうちｒｓ、Ｒ／Ｗ、Ｅ、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７の７本のつなぎ方は特に説明するまでも無いでしょう。単純に直結するだけです。

コントラスト調整

残りのＶｄｄ、Ｖｓｓ、ａｄｊの３ピンについて補足します。ａｄｊピンはＬＣＤ表示のコントラストを調整するためのピンで、電圧の高低によってＬＣＤのコントラストが変わります。通常は、ＶｄｄとＶｓｓの間に１０ｋΩ程度の抵抗を挟み、その可変抵抗で分圧した電圧をａｊｄに入力してあげます。可変抵抗のツマミをグルグルまわすことでコントラストを自由に変えられます。

電源ピン、つまりＶｄｄとＶｓｓはarduinoボードから拝借しています。通常ならＰＣからＵＳＢケーブル経由でduemilanoveなどに供給されている５Ｖが、スタンドアロンで使用している場合は外部から供給する電源をレギュレータで５Ｖにしたものが、それぞれarduinoのピンから取り出せることになっています。

配線に関する補足

arduino0017以降に収録されているライブラリを使う限りにおいては、ライブラリ中の各関数（メソッド）ともに、Ｒ／Ｗピンも、今回のサンプルスケッチで使用していない４本のデータピンも接続不要なようです。

サンプルスケッチの他にも幾つか実験用スケッチを書いて実験してみましたが、Ｒ／ＷピンをＧＮＤに落としたままでも普通に動くことが確認できました。スクロールなどもそれなりに機能していた様です。0017用のライブラリは基本的にＲ／Ｗ信号を使わない方針に変わったようです。

貴重なマイコンのＩ／Ｏピンを省エネし、マイコンとの接続はデータピン４本＋制御ピン２本、あとＬＣＤ用の電源とコントラスト用の配線だけで制御可能なのはイイカンジです。

その場合、４本のデータピンはオープンに、Ｒ／ＷピンはＧＮＤ電位にしておくと良いようです。使わない４本のデータピンをオープンにしておく理由は居酒屋ガレージさんサイトに詳しく書かれています。

というわけで、特にコダワリが無い限りはＲ／Ｗも除いた６ピンで接続するのが良さそうです。

サンプルスケッチの意味

先ほどのスケッチを大まかに言うと、前半は初期化や文字表示を行っていて、後半は外字登録と表示を行っています。

前半部分…文字列の表示

まずはライブラリの呼び出し。標準でインストールされているライブラリなので、この１行を書けばすぐに使えるようになります。

#include ＜LiquidCrystal.h＞

LiquidCrystal型のオブジェクトを生成し、その配線の定義をしています。

LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 5, 4, 3, 2);

使用するピンの数とその配置を決めているわけですが、スケッチ上ではどのピンをどこに繋ぐか判り難いですね。なので、どのピンをＬＣＤモジュールのどこに接続するのかはこの図か、公式サイトの使用をご確認ください。

次に初期化処理。ｘ座標が０～１５の１６文字、ｙ座標が０～１の２行に設定し、画面をクリアしている処理です。

void setup()
{
  lcd.begin(16, 2);
  lcd.clear();

で、実際に文字表示する処理。カーソルを移動したり文字列をプリントしたりしています。簡単です。

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print(”hello, world!”);
  lcd.setCursor(5, 1);
  lcd.print(”arduino.”);

ここまでが主に文字表示に関するところでした。

後半部分…その１：外字定義の登録

次は外字関係です。先述のとおりHD44780もしくは互換のＩＣでは８文字分の外字登録が可能になっています。

この場合の外字登録というのは、あるキャラクターコードのビットマップイメージを自由自在に定義できるということで、一度定義してしまえば、その後は普通の文字と同じようにＬＣＤ上に”文字として表示”することが出来るようになります。Ｇ－ＬＣＤだと都度都度ビットマップを指定する必要がありますが、Ｃ－ＬＣＤではその必要がないのでとてもラクチンです。

HD44780もしくは互換のＩＣでは、ビットマップを自由自在に定義できるのはキャラクターコードが「０ｘ００」から「０ｘ０７」の８文字だけです。ａｓｃｉｉコードでは特殊機能コードのところに割り当たっているので、 print("abcd...");のようにprintメソッドにダブルコーテーションで括って扱うことは出来ませんが、 print(0,byte);とか、write(0);みたいな指定をすれば大差なく扱うことができます。

特にprintメソッドはSerial.printの時と同じ指定方法で使えるので、極めて簡単に使えることがわかります。

余談ですが、０～７番に指定したビットイメージは、それぞれ８～１５番にも同じモノが適用されるようで、０番にビットマップを指定してから８番のキャラクターコードを表示すると、画面には０番として定義したのと同じものが表示されるようです。

さて、具体的にどのようにビットマップを定義するかについて。

  byte neko[8] = {
    B00000,
    B01010,
    B11111,
    B11111,
    B01110,
    B00100,
    B00000,
  };
  lcd.createChar(0, neko);

こんな風に、byte型で要素が８個の配列を作っておきます。各要素がそれぞれ上から順に液晶画面に表示される１列１列になるわけです。

ご覧の通り横５ビットしか指定してませんが、各バイトデータの下位５ビットだけが有効で、上位３ビットは指定しても無視されるようです。ＬＣＤ１文字の横方向は５ドットですから。

縦は７行分のビット列しか明示指定してませんが、ＬＣＤは１文字７行のドットしかないので残り１行はやはり無視されるようです。

「０」がドット無し、「１」がドット有りです。今回は小さい耳、丸い顔、小さい鼻って感じでネコを描いたつもりだったんですが、表示したらハートマークみたいになってしまいました。まぁ、ネコを表示すること自体が目的じゃないので、これはこれでいいことにします。

で、その定義したビットイメージをcreateCharメソッドを使ってＬＣＤに流し込むわけですが、このスケッチの場合は引数が (0,neko)となってます。これは、キャラクターコード＝０番のビットイメージを、配列名＝nekoという配列のビットイメージを使って定義しますよ、という意味です。もちろんこの番号は０～７の８種類から好きな番号を指定することができます。

後半部分…その２：外字の表示と注意事項

で、定義したビットイメージを実際にＬＣＤに表示するわけですが、定義した外字は普通の文字と同様に「１つの文字」として扱うことが出来るので、せっかくだからカーソル位置を指定して好きなところに表示してみます。

  lcd.setCursor(15, 1);
  lcd.write(0);

}

void loop() {}

こんな風にsetCursorメソッドでカーソル位置を指定して、writeメソッドやprintメソッドを使って表示すればいいわけです。

キャラクターのビットイメージは、スケッチ実行の最中でも任意のタイミングで変更することができ、動的にビットイメージを変化させることもできるので、たった８文字とはいえ表現力はそこそこ期待できますね。

ちなみに、このように一旦ＬＣＤ画面上に外字を表示した状態で、その外字番号に相当するビットマップイメージをcreateCharで定義しなおすと、即時ビットマップが反映されます。（この際ＬＣＤに文字を表示し直す必要はありません→既に表示されている文字のビットイメージが自動的に変化します）

ちなみに、今回のスケッチでは外字登録先にはキャラクターコード＝０番を使用しましたが、この０番を使用する際にはarduinoを含めてＣ言語系の場合工夫が要りそうです。

外字を1文字1文字表示するのであれば今回のようにwriteメソッドなどを使って記述していけばいいのですが、外字を文字列変数中に埋め込んで扱う場合にはＣ言語系の文字列の「仕様」が少々厄介になります。

ご存知の通りＣ言語系では文字列（charの配列）の終端文字は「￥０」（キャラクターコード＝０）とされており、今回登録した０番の外字と重複しています。このためこの外字０番目を文字列中に埋め込むと、その文字列は外字０番の１文字手前で終端だと認識されてしまいます。

で、文字列中に埋め込んで使うには、先ほど触れた件…０番～７番と８番～１５番は同じビットイメージが表示される…という件。これを上手く使ってやるのが良いと思います。例えば、０番を表示したい場合にキャラクターコードを８番に置き換えて文字列に格納する方法があります。

こうすることで、arduino含めＣ言語系でも普通の文字列関数が使用できることになります。例えば、arduinoではprintメソッドの引数に文字列変数を使って文字を表示する場合などにこの件が適用できます。

ちなみに外字を文字列に格納する際、キャラクターコードに一律８を加算しておく（結果８～１５番に置き換わる）といった方法も考えられますが、 arduinoの場合、０ｘ０９はＴＡＢ、０ｘ０Ａはラインフィード、０ｘ０Ｄがキャリッジリターンがそれぞれ割り当たっており、特にラインフィードとキャリッジリターンの扱いがwindows、mac、linuxでマチマチなので、思いもしないようなバグが表面化する恐れもあるので、この３つの特殊コードにあたる部分についてはprintメソッドを使用しないほうがいいかも知れません。

arduinoのキャラクターコードは公式サイトの該当ページをご参照ください。

なお、キャラクターコード＝８番を使用する場合もcreateCharでビットマップ定義を登録する先は０番なので、その点は間違えないようにする必要があります。

配線に関する注意点

ＬＣＤモジュールのピン配置

注意といっても大した話ではありません。モノによってピンコネクタが少し違っているものがあるよ、というお話。

入手のしやすさという意味では、秋月とかに行くとすぐに手に入るＳＵＮＬＩＫＥ社の１６文字×２行のタイプ。

このタイプは通常１ピンから順に「Ｖｄｄ」「Ｖｓｓ」「コントラスト」「ＲＳ」「Ｒ／Ｗ」…となっています。このタイプが一番多いとおもいます。この配置であれば何の問題も無し。

気をつけないといけないのは少し配置が違うタイプのこと。

最近秋月で見かけるＬＣＤでは、２０文字×４行のタイプや８文字×２行のタイプには電源のピン配置が逆になっているものがあります。１番ピンから順に「Ｖｓｓ」「Ｖｄｄ」「コントラスト」「ＲＳ」…と言う風にＶｓｓ、Ｖｄｄの順番が入れ替わっています。

ピン配置は各パーツのデータシートに書いてあるので、ＬＣＤを買ってきたらまずここを真っ先に確認するといいと思います。

あともう一つはピン番号が逆に書いてあるものもあるということです。セイコー製とかの一部のものは１～１４番のピンが逆順にふられているものがあります。要注意。ただ、番号の振り方が逆なだけで、物理的なピン配置は普通の１６×２のタイプと変わらないようなので、単純に差し替えが出来るようです。

その他の点としては、バックライト登載タイプの場合のバックライト用電源供給でしょうか。バックライトは通常ＬＥＤが埋め込まれているので、適当に抵抗などで電流制限をかけて使うことになります。使用する抵抗の値はデータシートにおおよそ書いてあると思うので、その値を元に実際の明るさを見ながら輝度調整するとよいでしょう。抵抗の変わりに定電流ダイオード（ＣＲＤ）を使って電流制限をする方法もあります。

arduino側のピン配置

一方arduino側のピン配線ですが、これは1ピン1ピン自由自在にアサインできるので、ＬＣＤ以外にも接続したい他の機器とピンが重複しないように適当に選べばよいでしょう。その点ではあまり不自由や混乱は無いと思います。

要は、他の機能で使用するピンを避けて空いているピンの中から適当に配置を考えればいいでしょう…ということです。

実際に実験してみた様子をブログの記事の実験結果に載せてありますので、あわせてお読みください。

まとめ

arduinoにＬＣＤを接続して、文字を好きなところに表示したり外字登録をして表示したりしました。

arduinoのライブラリはその他にもカーソル制御やスクロール制御といった機能なども提供してくれていますが、ひとたび文字の表示が出来てしまえば、それ以外の機能を利用するのは大した苦ではないと思うので、必要性にあわせて挑戦してみてください。

そんな感じでこのページは纏めにしたいと思います。