Jednou z nejdůležitějších součástek každého počítače je už odjakživa nějaké to výstupní zařízení a to včetně toho, na kterém nyní čtete tento článek. Tentokrát si tedy v našem seriálu o programování elektroniky představíme několik typů displejů od těch nejprimitivnějších, kterým je vlastně i jedna jediná hloupá LED, po úsporné LCD od Sharpu, které spálí jen pár mikroampérů.
LED
Tím nejprimitivnějším zobrazovačem, který najdete na drtivé většině prototypovacích desek, je samozřejmě základní LED, tedy světlo-emitující dioda.
Jedna z nejrozšířenějších součástek na většině elektroniky signalizuje stav spotřebiče a na deskách Arduina máme zpravidla i několik dalších: dvě LED pro signalizaci aktivity hlavní sériové linky a systémovou LED, kterou si můžeme spínat, jak se nám zlíbí. Většinou je dostupná na pinu číslo 13, případně pod zástupným názvem LED_BUILTIN.
Rozsvícená vestavěná LED na desce Arduino Uno, modul s šesti LED s vlastními rezistory pro snadné zapojení přímo do Arduino Uno a barevné RGB LED
Stejně tak ale můžeme rozsvěcovat a zhasínat diody ve vlastním obvodu. Ty nejjednodušší stačí připojit na jedné straně k některému z pinů naší destičky a na druhé do GND. V cestě by měl být zároveň připojený rezistor třeba s obvyklým odporem okolo 220 ohmů, který zamezí tomu, aby obvodem protékal příliš vysoký proud.
Schéma zapojení běžné LED s rezistorem jakožto nejjednoduššího možného displeje
Sedmisegmentovka
Jedna jediná LED nám toho moc neřekne, ale co když jich bude sedm a namísto bodů budou tvořit pevně dané geometrické tvary – segmenty? Přesně tak funguje displej, kterému se v hantýrce říká sedmisegmentovka.
Klasický sedmisegmentový LED displej. Rozsvícení každého segmentu řídí samostatný vodič. Ve skutečnosti je těchto segmentů zpravidla osm, tím doplňkovým je totiž segment desetinné čárky/tečky.
Jedna sedmisegmentovka připojená přímo k Arduinu. Jednotlivé segmenty jsou zpravidla pojmenované a – g a značí se po směru hodinových ručiček. I v tomto případě bychom měli u každého segmentu připojit rezistor. Pro jednoduchost je tentokrát nezmiňuji.
Dobře jej znáte ze starých kalkulaček nebo hodinek. Displej tvoří sedm segmentů, které lze stejně jako jakoukoliv jinou LED rozsvítit a zhasnout a podle toho vytvářet obrazec číslice 0 až 9 (u znakových písmeno). Většina podobných modulů má často ještě osmý segment v podobě desetinné čárky.
Kód pro rozsvícení segmentů takovým způsobem, aby se zobrazila číslice 3:
// Pojmenovane piny pro lepsi orientaci
#define a 4
#define b 5
#define c 7
#define d 8
#define e 9
#define f 3
#define g 2
#define dp 6
void setup() {
// Nastav piny segmentu na zapis
pinMode(a, OUTPUT);
pinMode(b, OUTPUT);
pinMode(c, OUTPUT);
pinMode(d, OUTPUT);
pinMode(e, OUTPUT);
pinMode(f, OUTPUT);
pinMode(g, OUTPUT);
pinMode(dp, OUTPUT);
// ZOBRAZENI CISLICE 3
// Rozsvit segmenty a, b, c, d a g
// Zhasni segmenty e, f a dp
digitalWrite(a, HIGH);
digitalWrite(b, HIGH);
digitalWrite(c, HIGH);
digitalWrite(d, HIGH);
digitalWrite(e, LOW);
digitalWrite(f, LOW);
digitalWrite(g, HIGH);
digitalWrite(dp, LOW);
}
void loop() {
;
}
Jednu číslici sedmisegmentového displeje připojíte k Arduinu ještě snadno, ovšem s vícero číslicemi už bude problém, protože vám brzy dojdou volné logické piny, pomocí kterých byste mohli jednotlivé segmenty zapínat a vypínat. Abychom tedy mohli používat složitější displeje, mají pro tyto účely zpravidla vlastní ovládací čip, který se stará o finální zobrazení kýžené informace.
Více světýlek, více vodičů. Co s tím?
Jako velmi primitivní grafický řadič by mohl posloužit třeba posuvný registr. K těm nejpopulárnějším patří model 74HC595.
Posuvný registr 74HC595 v konstrukci DIP, kterou lze snadno zapojit třeba do nepájivého prototypovacího pole
Jedná se o sériové-vstupní a paralelně-výstupní osmibitový registr, což v praxi znamená, že do registru z Arduina pomocí vestavěné funkce shiftOut postupně (tedy sériově) pošleme posloupnost osmi bitů, a jakmile dorazí, registr podle pořadí a hodnoty těchto bitů nastaví na osmi výstupních pinech v jednom kroku (tedy paralelně) adekvátní logické stavy.
Zapojení sedmisegmentovky přes posuvný registr 74HC595, Na Arduinu Unu rázem displej zabírá jen tři signální vodiče. Kdybych použil posuvní registr s rozhraním I2C, zabral by ještě o jeden méně.
V kódu výše jsme rozsvítili číslo 3 na displeji sepnutím segmentů a, b, c, d, vypnutím e, f, zapnutím g a vypnutím dp. Když bychom tyto segmenty ve stejném pořadí připojili k posuvnému registru, provedeme stejnou operaci tak, že do něj pošleme sekvenci bitů 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, což je vlastně jeden bajt.
Pro každé číslo 0-9 tedy vyrobíme jeden takový bajt a podle potřeby jej pošleme do posuvného registru, který sepne správné segmenty a na displeji se zobrazí požadovaná číslice. Nejpodstatnější je však to, že k ovládání tohoto registru potřebujeme jen tři logické vodiče, zatímco on jich dokáže ovládat osm.
Kód pro rozsvícení sedmisegmentovky pomocí posuvného registru:
// Ovládací piny posuvného registru 74HC595
#define LATCH_PIN 9
#define CLK_PIN 5
#define DATA_PIN 2
/*
Bajty ve dvojkovem zapisu pro cislice 0 az 3.
Diky dvojkovemu zapisu je hned patrne, ktery
segment cislice se rozsviti a ktery zhasne
*/
uint8_t cislo_0 = 0b11111100;
uint8_t cislo_1 = 0b01100000;
uint8_t cislo_2 = 0b11011010;
uint8_t cislo_3 = 0b11110010;
void setup() {
// Vse ovladame jen tremi signalnimi piny,
// ktere nastavime na zapis
pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT);
pinMode(CLK_PIN, OUTPUT);
pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);
}
// Funkce pro odeslani jednoho bajtu (tedy 8 bitu) do posuvneho registru
void posliDoRegistru(uint8_t bajt) {
// Nastav LATCH pin na logickou 0, aby registr vedel, ze budeme posilat bity
digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
// Posli pomoci casovaciho a datoveho pinu bity promenne do registru
shiftOut(DATA_PIN, CLK_PIN, LSBFIRST, bajt);
// Nastav LATCH pin na logickou 1, aby registr vedel, ze uz je vse hotovo
digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
}
// Ve smycce neustale zobrazuj cislice 0 az 3
void loop() {
posliDoRegistru(cislo_0);
delay(1000);
posliDoRegistru(cislo_1);
delay(1000);
posliDoRegistru(cislo_2);
delay(1000);
posliDoRegistru(cislo_3);
delay(1000);
}
Posuvné registry můžeme zároveň skládat za sebe, takže s několika dalšími nám počet možných výstupů výrazně vzroste. Stačí tedy namísto běžných diod k registrům připojit několik sedmisegmentovek a dle potřeby je ovládat.
Segmentové displeje jsou samozřejmě k dispozici i ve formě modulů s vlastním řídícím obvodem a snadným rozhraním pro připojení k mikrokontroleru.
Roztomilé kostičky
Ve skutečnosti se však jednotlivé pixely a segmenty složitějších displejů ovládají úplně jinak. Typickým příkladem jsou třeba oblíbené moduly s osmi řádky a sloupci LED. Jsou malé, jsou retro, jsou sexy, a když jich poskládáte za sebe několik, získáte displej s několika sty pixelů, se kterým se už dá něco vymyslet.
Roztomilá destička s 64 LED a 16 signálními vodiči, pomocí kterých lze rozsvítit konkrétní řada a sloupec. Na tomto principu adresování jsou založené všechny moderní displeje.
Podobné displeje, u kterých má jeden fyzický pixel velikost i několika mm2, zároveň poslouží jako dostatečně přehledná ukázka základního principu jejich adresování, ze kterého vycházejí v podstatě všechny současné bodové displeje od mobilu po televizor.
Jaký sloupec a řádek je libo rozsvítit?
Základní kostička se sice skládá z osmi řad a sloupců, čítá tedy 64 svítících bodů, ale přesto má pouze 16 vodičů a žádné posuvné registry či jiný řídící čip. Jak je to možné? Fígl spočívá v samotném zapojení diod. Jednou osmičkou pinů totiž můžeme nastavit napětí na osmi sloupcích a druhou osmičkou pak napětí na osmi řadách.
Když bychom tedy chtěli rozsvítit spodní pravý pixel matice, stačí nastavit logickou jedničku na osmém sloupci a logickou nulu (GND) na osmém řádku. Tím spojíme obvod jen pro tento bod. Když bychom naopak chtěli rozsvítit bod opět na 8. sloupci, ale tentokrát na 4. řádku, ponecháme napětí logické jedničky na 8. sloupci, ale tentokrát nastavíme logickou nulu jen na 4. řádku.
Schéma maticových displejů (Zdroj: ResearchGate)
Díky adresování jednotlivých pixelů pomocí řádků a sloupců nepotřebujeme 64 vodičů, ale jen oněch 16. Bude to ale fungovat jen do chvíle, dokud se zároveň nepokusíme rozsvítit dva pixely naráz, které nesdílejí stejný sloupec, anebo řádek.
Dejme tomu, že stále svítí pravý dolní pixel na souřadnici 8;8 a my nyní budeme chtít rozsvítit ještě pixel na souřadnici 1;1. Nastavíme tedy napětí i na 1. sloupci a zem vedle 8. řádku i na 1. řádku a… A vedle tohoto bodu se zároveň rozsvítí všechny čtyři okrajové pixely, protože 1. sloupec zároveň uzavře obvod s 8. řádkem a 1. řádek s 8. sloupcem, který jsme před tím použili pro rozsvícení spodního pixelu.
Řádek za řádkem a rychle za sebou
Jak tento problém vyřešit? Namísto toho, abychom se snažili vykreslit naráz celý obrazec, si jej rozdělíme na jednotlivé řádky. Dejme tomu, že v prvním řádku mají svítit dva pixely. Nastavíme tedy logickou jedničku na adekvátních sloupcích a logickou nulu na prvním řádku.
I s pár sty pixelů zahrajete velké divadlo. Podobné displeje jsou i díky ohromnému jasu ještě mnohem efektnější než klasické TFT LCD aspol.
Uzavře se obvod a na celém displeji se rozsvítí jen tyto dva body. Tak, první řádek máme za sebou, takže jej můžeme zhasnout a vykreslíme analogicky druhý řádek. Pak jej zase zhasneme, zobrazíme třetí, pak čtvrtý, pátý a tak dále až do toho osmého, načež zase začneme od začátku.
Díky tomu, že celé překreslování displeje bude probíhat dostatečně rychle, blikání jednotlivých řádků budeme vnímat jako souvislý statický obraz. Kdyby zpracování jednoho řádku trvalo 1 ms, překreslení celého displeje zabere 8 ms, takže jeho obnovovací frekvence dosáhne 125 Hz.
Podobný systém adresování samotných fyzických pixelů najdete u většiny displejů
Ačkoliv by bylo velmi troufalé srovnávat současné barevné displeje s 64bodovou kostičkou, základní princip adresování pomocí sloupců a řádků zůstává stejný. Díky tomu nepotřebuje displej s rozlišením 1024 × 768 bodů 784 tisíc logických linek potřebných k rozsvícení každého z nich, ale jen necelé dva tisíce.
I kostičky mají svůj driver
Jak je patrné z animovaného gifu výše, kostičky lze skládat za sebe a tvořit z nich efektní displeje. Aby to bylo co nejjednodušší, jsou dnes k dispozici nejen v holé podobě, ale především ve formě modulů s čipem, který se podobně jako posuvný registr postará o to, abychom kostku připojili k Arduinu jen s několika málo kabely.
Displej složený ze čtyř kostiček, z nichž každou řídí čip MAX7219. Díky tomu můžeme se všemi komunikovat skrze sběrnici SPI a dostupné knihovny třeba pro snadné vypsání animovaného textu.
Zpravidla se jedná o obvod MAX7219 s rozhraním SPI, pro který najdete na GitHubu hromadu knihoven. Dobře poslouží třeba MAX7219 Dot Matrix a její prerekvizita bitBangledSPI. S knihovnou do Arduina doinstalujete i několik příkladů s ukázkami vypsání statického i animovaného textu na displej, který se může skládat z libovolného počtu kostek.
Titěrné OLEDy i rozměrné TFT LCD
Při hrátkách s Arduinem můžeme použít celý zástup znakových i bodových displejů, které lze zpravidla ovládat pomocí sběrnic I2C a SPI a pro každý z nich existuje někde na GitHubu jednoduchá knihovna.
2,2" TFT displej s rozlišením 32x24 bodů, 2,8" TFT displej se stejným rozlišením a rezistivní dotykovou plochou a konečně malý 0,96" monochromatický OLED s rozlišením 128x64 bodů
Zatímco hlavní výhodou I2C je potřeba jen dvou signálních vodičů SDA (data v obou směrech) a SCL (pulzující signál udávající rychlost sběrnice), v případě SPI je to zase přenosová rychlost, která je klíčová především pro větší TFT displeje s vyšším rozlišením. To vše za cenu nejméně tří signálních vodičů (čtyř pro obousměrnou komunikaci). Ve skutečnosti však mají oblíbené displeje a jejich drivery ještě mnohem více pinů pro ovládaní podsvícení, resetování atp.
Z hlediska zobrazovací technologie se u bodových displejů kutilové nejčastěji setkávají s maličkými monochromatickými OLED s velikostí okolo 1“ a barevnými TFT LCD displeji s plošným podsvícením a úhlopříčkou až několika palců, na kterou už je možné promítnout třeba bitmapu.
Levný 2,8“ TFT displej s rozlišením 240×320 barevných pixelů sice zobrazí téměř cokoliv, kvůli nutnému plošnému podsvícení si ale zároveň řekne o pořádný kus relativně konstantní elektrické energie.
Levný a titěrný 0,96“ OLED displej naopak zpravidla zobrazí jen dvě barvy (rozsvícený × zhasnutý pixel), ale zase nadchne cenou, která dnes na eBayi začíná zhruba na padesátikoruně, stále použitelným rozlišením 128×64 pixelů, a hlavně výrazně nižší spotřebou, která se bude odvíjet od toho, kolik pixelů zrovna svítí. Když budete zobrazovat jen pár znaků pomocí některého z rastrových fontů, mohou to být jednotky miliampérů.
Je libo displej z Nokia 5110?
Ačkoliv dnes barevné TFT a maličké OLED patří ve světě Arduina k těm nejpopulárnějším, nesmíme zapomenout i na starou gardu, která má své nesporné výhody. Klasické bodové i znakové/segmentové reflexní (osvícené vnějším zdrojem), transmisní (podsvícené) a transflexní (kombinované) LCD displeje.
Transmisní znakový (20×4) displej s čipem PCF8574T a rozhraním I2C. V Arduinu jej lze snadno ovládat třeba pomocí knihovny LiquidCrystal I2C. Všimněte si, že políčko pro znak se může skládat z libovolné matice 5x8 bodů, takže si můžete vytvořit vlastní. Třeba smajlík.
Do kategorie transflexních displejů bychom mohli zařadit ty z prehistorických mobilních telefonů – třeba legendy všech legend Nokie 5110/3310 a jí podobných. Ačkoliv jsou tyto telefony dávno v pánu, Čína zjevně recykluje úplně vše, a tak jsou e-shopy plné modulů pro snadné prototypování s připájenými displeji právě z těchto telefonů.
Pro pamětníky...
Zpravidla je oživíte pomocí šesti signálních vodičů včetně ovládání podsvícení, jelikož se však jedná o transflexní displej, za denního/umělého světla je dobře čitelný i bez něho. To v praxi může znamenat, že nebude tak hladový jako barevný TFT displej, a přitom nějaký ten údaj z čidel zobrazí tak jako tak. Web je přitom plný knihoven pro Arduino, pomocí kterých tyto prehistorické displeje snadno ovládnete.
Stará dobrá Nokia
LCD displeje, které žerou jen mikroampéry
A pak tu jsou především segmentové reflexní displeje, jejichž spotřeba se může pohybovat v řádu jednotek až desítek mikroampérů, takže s úsporným mikrokontrolerem umožní běh na dlouhé měsíce a třeba i roky. Jak si jeden takový postavit na koleni a ovládat jej pomocí sběrnice I2C, si můžete přečíst třeba na webu Element14.
Zajímavou specialitou, která je mnohem dražší, ale přeci jen stále dostupná i pro kutily hledající nízkoenergetické řešení, jsou pak malé bodové monochormatické displeje od Sharpu, který je prodává pod marketingovým označením Memory LCD.
Komunikují skrze sběrnici SPI, svými rozměry i rozlišením připomínají maličké 0,96“ OLEDy a svým podáním barev zase elektronický inkoust (černá nad světle šedou). Díky nízké obnovovací frekvenci a paměti jednotlivých pixelů se Sharpu podařilo stáhnout spotřebu v klidovém stavu u nejúspornějšího 1,17“ modelu LS012B7DD01 na úctyhodných 6 mikrowatů, což při 3V napájení činí odběr proudu jen okolo 2 mikroapmérů.
Český LCD Module ve stavebnici BigClown. Srdcem je monochromatický reflexní 1,28" displej LS013B7DH03 od Sharpu. Má rozlišení 128×128 pixelů a velmi nízkou spotřebu <16 uA. To je o dva až tři řády méně než 0,96" OLED!
Kde takový superúsporný displej koupit v provedení pro snadné prototypování – tedy s vyvedenými klasickými piny? Adafruit jej v 1,3“ provedení nabízí za 25 dolarů a česká stavebnice BigClown za tisícovku. Nutno ale podotknout, že v tomto případě se jedná o specializovanější modul, který zároveň obsahuje dvě programovatelná tlačítka a čidlo gest APDS-9960.
Paměťový efekt v praxi. I po odpojení napájení si displej nějaký čas drží naposledy vykreslený obraz. V praxi to znamená, že nemusí obraz překreslovat tak často a i díky tomu má tak nízkou spotřebu.
Mimochodem, BigClown je třeba pochválit za to, že ve své stavebnici nabízí nejen vysoce úsporná čidla, ale stejně úsporný armový mikrokontroler, takže opravdu nehrozí, že displej s nicotnou spotřebou připojíte k destičce, která v klidovém/spánkovém stavu spálí o několik řádů energie více a investice do exotického displeje bude k ničemu.
Klasický bigclowní sendvič. Zcela dole je modul na dvě tužkové baterie AAA, uprostřed základní deska armového mikrokontroleru STM32L083CZ a zcela nahoře displej. Jelikož je součástí základní desky i teploměr TMP112, přičemž hlavní čip se prakticky nezahřívá, lze jej rovnou použít.
Ačkoliv je tedy český BigClown mnohonásobně dražší než všechny ty laciné prototypovací destičky s armem, atmelem i espressifem z eBaye, zároveň je to široko daleko jediná stavebnice, u které můžete na základní destičku s vlastním rádiovým vysílačem (868 MHz) připojit meteorologická čidla a displej, přičemž celou krabičku, která údaje zároveň bezdrátově pošle každých pět minut třeba do základny postavené na Raspberry Pi, budou po celý rok pohánět pouhé dvě tužkové baterie AAA.
Elektronický inkoust
Po malém odbočce zpět k displejům. Memory LCD od Sharpu nespaluje skoro nic, ale přeci jen je tu ještě jedna technologie, která může být v dlouhodobějším měřítku a při velmi nízké obnovovací frekvenci ještě o něco úspornější – elektronický inkoust, papír, prostě e-ink.
Základem jeho technologie je tzv. elektorforéza, tedy, jak praví česká Wikipedie, separační technika, která využívá k dělení látek jejich odlišnou pohyblivost ve stejnosměrném elektrickém poli.
E-ink tvoří buňky, uvnitř kterých jsou droboučké vodivé částice. Změnou elektrického pole se do popředí dostanu buď tmavé, anebo světlé částice. Grafika: Senarclens, CC BY-SA 3.0
E-inkový displej se tedy v praxi skládá z maličkých buněk, uvnitř kterých jsou ještě menší vodivé částice. Změnou elektrického pole v buňce se do popředí dostanou buď světlé, anebo tmavé částice a na obrazovce se zobrazí pixel odpovídající barvy.
Podstatné je to, že v této poloze částice zůstanou i poté, co displej odpojíte od napájení. E-ink tedy může spotřebovávat elektřinu jen během překreslování, a jakmile je hotovo, odběr proudu nemusí klesnout na drobné mikroampéry, ale na skutečnou nulu.
2,9" e-inkový displej s rozhraním SPI
Za všechno se ale platí, přičemž cenou v tomto případě je relativně pomalé překreslení celé obrazovky, které se projevuje nepříjemným probliknutím po vyčištění displeje a po vykreslení samotných pixelů. Lepší displeje nicméně naštěstí nabízejí možnost částečného překreslení jen určité malé oblasti, kdy již k těmto nežádoucím efektům nedochází.
I tak je ale e-ink určený pro zobrazení statické informace, která se mění jen sporadicky. Rozhodně není určený pro zobrazování animací, ale spíše pro vykreslení nějakého stavového údaje, který je třeba překreslit třeba jen jednou za minutu (displej meteostanice, knižní čtečka), nebo třeba až za měsíc (QR kód na balíku s chytrou etiketou, chytrá espézetka apod.).
