Клон дисплея Adafruit, экономим выводы микропроцессорных устройств.

Всем привет! Сегодня я расскажу как мне удалось сэкономить порты своей Raspberry Pi. Давно хотел подключить строчный дисплей к этому одноплатному компьютеру, и даже попробовал это сделать используя библиотеку wiringpi, но уж очень много выводов занимает такое подключение. Первое, что пришло в голову, было использование сдвиговых регистров, но все же я решил посмотреть в сторону шины I2C или SPI. Почитав топики в интернете нашел классное решение — RGB LCD SHIELD KIT W/ 16X2 CHARACTER DISPLAY — ONLY 2 PINS USED!. На плате используется всего два пина для управления SDL и SCK по шине I2C, плюс еще места хватило для пяти тактовых кнопок. В данном устройстве скорость не так сильно важна, поэтому шина I2C мне вполне подошла. «Сердцем» платы является микросхема компании Microchip, расширитель портов MCP23017.


Микросхема MCP23017 добавляет 16 портов(2 байта или одно слово), которые можно настроить как на вход, так и на выход. Микросхема использует популярную двухпроводную шину I2C(обратите внимание существует микросхема, которая работает по шине SPI, если посмотреть в техническую документацию, ее аббревиатура MCP23S17). MCP23017 можно наращивать в массив до 8 штук на одной шине I2C(можно существенно расширить количество GPIO Raspberry или другого микропроцессорного устройства (8 x 16 = 128 дополнительных пинов!)). Каждой микросхеме задается адрес через выводы А0, А1, А2 в двоичном виде, подключив их к минусу или плюсу, я использовал перемычки(Jumpers).

Делать решил сам, быстро купил необходимые детали и приступил к разводке печатной платы. Компоненты использовал планарные, давно уже перешел на них (компактно и не нужна сверловка). Плата получилась не очень, торопился и расположил кнопки навигации и управления в хаотичном порядке, не как в оригинале. Печатную плату изготовил ЛУТом, поэтому изначально была задача упростить себе жизнь, сделав чертеж печатной платы односторонним. Принципиальную схему я все-таки доработал, добавил преобразователь LVTTL-TTL на двух МДП-транзисторах (на электрической схеме непосредственные связи между преобразователем LVTTL — TTL отсутствуют, но в DipTrace эти связи присутствуют без явного соединения) и убрал управление RGB подсветкой, так как я применил обычный hd44780 совместимый 16 х 2 LCD с зеленой подсветкой (WH1602B). Дополнительно применил транзисторный ключ для управления яркостью программно(можно в дальнейшем использовать ШИМ для плавной регулировки). Схема очень простая и думаю нет смысла описывать принцип работы:

Вид печатной платы и 3D модель из САПР DipTrace:


После сборки подключил устройство к Raspberry Pi к шине I2C (GPIO2 — SDA, GPIO3 — SCL, питание +5В, +3В и GND). Для проверки зашел по SSH на Raspberry и ввел команду:

i2cdetect -y 1

При условии, если у вас конечно же установлен i2c-tools На экране появилась вот такая таблица адресов.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: — — — — — — — — — — — — —
10: — 41 — — — — — — — — — — — — — —
20: — — — — — — — — — — — — — — — —
30: — — — — — — — — — — — — — — — —
40: — — — — — — — — — — — — — — — —
50: — — — — — — — — — — — — — — — —
60: — — — — — — — — — — — — — — — —
70: — — — — — — — —

На пересечении координат 10: 2 мы видим адрес нашего устройства (адрес устройства будет зависить от положений перемычек на входах A0,A1,A2). Теперь можно найти множество примеров в репозитории Adafruit и поработать с дисплеем. Адрес репозитория — Adafruit_Python_CharLCD
Для установки i2c-tools необходимо ввести следующие команды:

apt-get update

apt-get -y upgrade

apt-get install i2c-tools

Ну и напоследок тестовое видео работы устройства:


PS: Так как у меня было две микросхемы MCP23017, я сделал еще одну плату расширения с кнопками и светодиодами, изменил адрес этой платы (что бы не совпадал с адресом платы индикации). Резисторы R6 — R13 470Ом 1206.


И печатная плата:



Ссылка на оригинал — Original post
PS: Устройство можно применить с Arduino и AVR, но так как там цепи питания в основном 5В, необходимо исключить из схемы преобразователь LVTTL — TTL и подключить линии SDA, SCL напрямую к таргету. В случае использования устройства с STM32 — оставляем так как есть, цепи питания у данного микроконтроллера 3,3В. Устройство удобно еще и тем, что его можно применить сразу как дисплей с кнопками навигацией по меню (например: Вверх, Вниз, Влево, Вправо, Подтвердить) и существенно сократить используемые пины порта микропроцессорного устройства.