Arduino 解析 I2C 訊號控制 HD44780 點陣文字LCD熒幕模組

hkgoldenmra | Nov. 12, 2019, 2:11 a.m. | Original

I2C (實際是 I ² C) 或 IIC 全名是 Inter-Integrated Circuit
I ² C 只需要一支序列時脈 (Serial Clock (SCL)) 及一支序列資料 (Serial Data (SDA)) 便可以處理其他集成電路的輸入或輸出
因此是一種在集成電路與控制界面的內部集成電路
究竟 I ² C 有甚麼作用？

Arduino Starter Kit 套件附送焊接在 HD44780 2x16 LCD Screen 背後的 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 就是運用 I ² C 技術
PCF8574 for HD44780 LCD backpack 是專為 1x16 引腳排序的 HD44780 LCD Screen 整合的 I ² C
I ² C 將原本需要 16支引腳來控制的 HD44780 ，只需要使用 4支引腳便可以控制

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的側面

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的正面

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的背面

SMD 的 PCF8574T晶片

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 使用電位器來控制對比度
3362 電位器需要使用螺絲批轉動來調整
轉動到左邊寫著 1 的方向電壓越低，轉動到右邊寫著 3 的方向電壓越高

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 使用跳線 (Jumper) 來控制背光開關，但不能微調光度

引腳功能

後	引腳16	引腳15	引腳14	引腳13	引腳12	引腳11	引腳10	引腳9
前	引腳1	引腳2	引腳3	引腳4	引腳5	引腳6	引腳7	引腳8
引腳 (缺口在左邊)	VCC	SDA	SCL	INT	P7	P6	P5	P4
引腳 (缺口在左邊)	A0	A1	A2	P0	P1	P2	P3	GND

編號	引腳	方向	用途
1	A0		自訂地置，第2位元；實體連接或中斷
2	A1		自訂地置，第1位元；實體連接或中斷
3	A2		自訂地置，第0位元；實體連接或中斷
4	P0	輸出	資料，第7位元；連接到目標裝置引腳
5	P1	輸出	資料，第6位元；連接到目標裝置引腳
6	P2	輸出	資料，第5位元；連接到目標裝置引腳
7	P3	輸出	資料，第4位元；連接到目標裝置引腳
8	GND		接地
9	P4	輸出	資料，第3位元；連接到目標裝置引腳
10	P5	輸出	資料，第2位元；連接到目標裝置引腳
11	P6	輸出	資料，第1位元；連接到目標裝置引腳
12	P7	輸出	資料，第0位元；連接到目標裝置引腳
13	INT	輸入	資料傳送或接收時，中斷連接
14	SCL	輸入	序列時脈；連接到控制器
15	SDA	輸入輸出	序列資料；連接到控制器
16	VCC		電源

訊號

發送指令

I ² C 啟動後，會以每組 8位元資料及 1位元確認發送資料

啟動 (必須)	指派Slaver地址 (必須)				發送資料週期 (選用、可重覆)				結束 (必須)
啟動 (必須)	7位元 Slaver地址		1位元模式	1位元確認	8位元資料			1位元確認	結束 (必須)

啟動 I ² C
指派Slaver地址
1. 7位元 Slaver地址
2. 1位元模式
3. 1位元確認
發送資料週期 (可重覆)
1. 8位元資料
2. 1位元確認
終止 I ² C

啟動 I ² C

啟動 I ² C 需要讓序列時脈保持高電壓，並將序列資料由高電壓下降到低電壓

引腳	啟動
Time	延遲250微秒	延遲250微秒
SCL	高
SDA	高	低

訊號波紋時序圖

Arduino AVR-C 例子

digitalWrite(sclPin, HIGH);
digitalWrite(sdaPin, HIGH);
delayMicroseconds(250);
digitalWrite(sdaPin, LOW);

終止 I ² C

終止 I ² C 需要讓序列時脈保持高電壓，並將序列資料由低電壓上升到高電壓

引腳	終止
Time	延遲250微秒	延遲250微秒
SCL	高
SDA	低	高

訊號波紋時序圖

Arduino AVR-C 例子

digitalWrite(sclPin, HIGH);
digitalWrite(sdaPin, LOW);
delayMicroseconds(250);
digitalWrite(sdaPin, HIGH);

Slaver地址

啟動 I ² C 後，指派執行指令的 Slaver地址
指派 Slaver 需要發出

7位元為地址 (Address)
- PCF8574*版本為 0100XXX(二進制)
- PCF8574A*版本為 0111XXX(二進制)
- 指派次序必須由最高有效位元 (Most Significant Bit (MSB)) (第6位元) 開始設定
1位元為模式 (Mode)
- 寫入為 0
- 讀取為 1
1位元為確認 (Acknowledge) ，必須為 0

Slaver地址當中的 A0, A1, A2 的設定類似整合驅動電子 (Integrated Drive Electronics (IDE))
使用跳線將 IDE裝置區分 Master 及 Slaver
I ² C 同樣使用類似的方式來區分不同的 Slaver
在 I ² C 的情況下，發送指令為 Master (例如 Arduino)，接收指令為 Slaver (例如 PCF8574)
由於 I ² C 使用 7位元地址，所以理論上能夠區分 128個Slaver

PCF8574 使用 3個開關制來設定 Slaver地址
不接地狀態為 1 ；接地狀態為 0

A2	A1	A0	數值	PCF8574*		PCF8574A*
A2	A1	A0	數值	二進制	十六進制	二進制	十六進制
接地	接地	接地	0	0100000	0x20	0111000	0x38
接地	接地	不接地	1	0100001	0x21	0111001	0x39
接地	不接地	接地	2	0100010	0x22	0111010	0x3A
接地	不接地	不接地	3	0100011	0x23	0111011	0x3B
不接地	接地	接地	4	0100100	0x24	0111100	0x3C
不接地	接地	不接地	5	0100101	0x25	0111101	0x3D
不接地	不接地	接地	6	0100110	0x26	0111110	0x3E
不接地	不接地	不接地	7	0100111	0x27	0111111	0x3F

雖然 PCF8574 Slaver地址的前4位元不能任意改動，但 3個開關掣再配合 2種PCF8574，總共有 16種組合
即是使用 PCF8574 來實作 I ² C 只使用 2支引腳便可以區分 16個 PCF8574 Slaver 來控制 16個裝置

指派 Slaver地址

先將序列時脈下降至低電壓，並將序列資料調整為高電壓或低電壓，然後將序列時脈上升至高電壓，便完成 1位元資料
由於指派 Slaver地址總共需要 9個位元資料，因此需要重覆以上程序 9次

PCF8574*版本

引腳	第6位元		第5位元		第4位元		第3位元		A2		A1		A0		RW		ACK
Time	每次執行後，延遲250微秒
SCL	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高
SDA	低		高		低		低		高/低		高/低		高/低		高/低		低

訊號波紋時序圖

PCF8574A*版本

引腳	第6位元		第5位元		第4位元		第3位元		A2		A1		A0		RW		ACK
Time	每次執行後，延遲250微秒
SCL	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高
SDA	低		高		高		高		高/低		高/低		高/低		高/低		低

訊號波紋時序圖

發送資料

配對對應裝置後，便可以通過 I ² C 指示目標裝置發出寫入指令或讀取指令
指令會以 P7 至 P0 次序發出

引腳	P7		P6		P5		P4		P3		P2		P1		P0		ACK
Time	每次執行後，延遲250微秒
SCL	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高	低	高
SDA	高/低		高/低		高/低		高/低		高/低		高/低		高/低		高/低		低

訊號波紋時序圖

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 是 PCF8574T 屬於 PCF8574* 版本
指派 Slaver地址與，發出指令是相同
Arduino AVR-C 例子

void writeBit(bool enabled) {
    digitalWrite(sclPin, LOW);
    digitalWrite(sdaPin, ((enabled) ? HIGH : LOW));
    delayMicroseconds(250);
    digitalWrite(sclPin, HIGH);
}

void writeByte(byte data, bool ack) {
    for (byte i = 0; i < 8; i++) {
        // 由第7位元開始發出指令
        writeBit((data & 0x80) > 0);
        // 向左移動1位元
        data <<= 1;
    }
    // 發出 Acknowledge 指令
    writeBit(ack);
}

void setup() {
    // do something
    // 如果 Slaver 是 PCF8574 ，A2, A1, A0 都沒有接地，地址便是 0100111
    // 0100111 = 0x27
    // 0x27 << 1 = 0x4E 將地址向左偏移1位，以讓往後可以設定 寫入 或 讀取 模式
    // 0x4E | 0 = 指派 01001110 地址 為 寫入模式
    writeByte(0x4E, false);
}

在下理解 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的線路圖

雖然 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的 A0, A1, A2 引腳實際沒有開關掣
不過使用者仍然可以根據需要自行焊接導電體連接接地來切換地址
在下亦設定 A引腳為開關掣取代原本的跳線 (因為沒有相似元件圖示)
PCF8574 8支P引腳分別接駁到 HD44780 的特定引腳，讓 PCF8574 向 HD44780 發出指令

PCF8574 引腳	HD44780 引腳
P7	D7
P6	D6
P5	D5
P4	D4
P3	A
P2	En
P1	RW
P0	RS

閣下會發現 PCF8574 8支P引腳沒有接駁到 HD44780 所有引腳
由於 HD44780 可以使用 4位元模式，因此不接駁到 HD44780 的 D0 至 D3 引腳，便能夠讓 PCF8574 向 HD44780 發出足夠指令

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 模組的接駁方式
其中有 4支引腳接駁到 HD44780 D0 至 D3 實際上沒有線路只是固定用途

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的 4支屈曲引腳在 HD44780 左邊伸出

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的另外16支引腳焊接到 HD44780

PCF8574 for HD44780 LCD backpack 焊接到 HD44780 背後

Fritzing HD44780 with PCF8574 組模圖示

Arduino AVR-C 例子

const byte GND_PIN = A0;
const byte VCC_PIN = A1;
const byte SDA_PIN = A2;
const byte SCL_PIN = A3;

void setup() {
    // 在下使用其中2支引腳作為 電源線 及 接地線
    pinMode(GND_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(GND_PIN, LOW);
    pinMode(VCC_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(VCC_PIN, HIGH);
    // 設定 序列時脈 及 序列資料 為 OUTPUT
    pinMode(SDA_PIN, OUTPUT);
    pinMode(SCL_PIN, OUTPUT);
    // 啟動 I2C
    start();
    // 設定 Slaver地址為 0100111 為 寫入模式 = 0x4E
    writeByte(0x4E, false);
    // 設定 使用4位元模式
    writeByte(0x2C, false); // 設定 指令 為 0010 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x28, false); // 設定 指令 為 0010 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    // 設定 使用4位元模式、使用2行、使用5x8點陣 (二進制數值 00101000)
    // 分開為 0010 及 1000 2組4位元資料
    writeByte(0x2C, false); // 設定 指令 為 0010 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x28, false); // 設定 指令 為 0010 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x8C, false); // 設定 指令 為 1000 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x88, false); // 設定 指令 為 1000 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    // 設定使用 顯示熒幕、顯示游標、顯示閃爍 (二進制數值 00001111)
    // 分開為 0000 及 1111 2組4位元資料
    writeByte(0x0C, false); // 設定 指令 為 0000 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x08, false); // 設定 指令 為 0000 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0xFC, false); // 設定 指令 為 1111 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0xF8, false); // 設定 指令 為 1111 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    // 清除熒幕資料 (二進制數值 00000001)
    // 分開為 0000 及 0001 2組4位元資料
    writeByte(0x0C, false); // 設定 指令 為 0000 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x08, false); // 設定 指令 為 0000 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x1C, false); // 設定 指令 為 0001 ， A, EN 為 高電壓 ， RW, RS 為 低電壓
    writeByte(0x18, false); // 設定 指令 為 0001 ， A 為 高電壓 ， EN, RW, RS 為 低電壓
    // 在熒幕顯示 A (二進制數值 01000001)
    // 分開為 0100 及 0001 2組4位元資料
    writeByte(0x4D, false); // 設定 指令 為 0100 ， A, EN, RS 為 高電壓 ， RW 為 低電壓
    writeByte(0x49, false); // 設定 指令 為 0100 ， A, RS 為 高電壓 ， EN, RW 為 低電壓
    writeByte(0x1D, false); // 設定 指令 為 0001 ， A, EN, RS 為 高電壓 ， RW 為 低電壓
    writeByte(0x19, false); // 設定 指令 為 0001 ， A, RS 為 高電壓 ， EN, RW 為 低電壓
    // 結束 I2C
    stop();
}

void loop() {
}

void start() {
    digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
    digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(250);
    digitalWrite(SDA_PIN, LOW);
}

void stop() {
    digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
    digitalWrite(SDA_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(250);
    digitalWrite(SDA_PIN, HIGH);
}

void writeBit(bool enabled) {
    digitalWrite(SCL_PIN, LOW);
    digitalWrite(SDA_PIN, ((enabled) ? HIGH : LOW));
    delayMicroseconds(250);
    digitalWrite(SCL_PIN, HIGH);
}

void writeByte(byte data, bool ack) {
    for (byte i = 0; i < 8; i++) {
        writeBit((data & 0x80) > 0);
        data <<= 1;
    }
    writeBit(ack);
}

執行效果
(在下使用比 Arduino UNO R3 細小的 Arduino Nano)
(在下同樣懶惰關係，直接將 PCF8574 安置到麵包板上)

同時控制多個Slaver

在下將其中一塊 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的 A0 焊接
當 A0 接駁到接地後， Slaver地址會調整成 0100110 = 0x26

然後接駁兩塊 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 的序列時脈及序列資料

可以根據 Slaver地址控制不同 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 讓 HD44780 顯示不同資料而不需要接駁太多線路

補充資料

除了 PCF8574 for HD44780 LCD backpack
還有具備 3-Pin DIP Switch 的 PCF8574(Red)版本

PCF8574(Red) 的前側面

PCF8574(Red) 的後側面

PCF8574(Red) 的正面

PCF8574(Red) 的 3-Pin DIP Switch 可以免焊接來調整 A0, A1, A2 的 Slaver地址
切換到 ON 方向為 1 ，反之為 0

同樣使用 SMD 的 PCF8574T晶片

將 HD44780 接駁到 PCF8574(Red)

再將 HD44780 接駁到 Arduino Nano
要留意 PCF8574 for HD44780 LCD backpack 及 PCF8574(Red) 的引腳次序不同
以正面擺放、4支引腳向左為準，引腳次序由下至上
PCF8574 for HD44780 LCD backpack 為 GND, VCC, SDA, SCL
PCF8574(Red) 為 SCL, SDA, GND, VCC

測試效果

其他資料

由於在下不太喜歡小型模組板的引腳在正面方向，因此將引腳除錫，再重新焊在組模板背面

重新焊接引腳的 PCF8574(Red) 正面

重新焊接引腳的 PCF8574(Red) 背面

在下認為引腳焊接在背面可以方便安置在麵包板上接駁線路

總結

通常在 Arduino 上使用 I ² C 控制 HD44780 LCD Screen 都會使用 LiquidCrystal_I2C.h
(可以到 https://www.arduinolibraries.info/libraries/liquid-crystal-i2-c 下載函式庫)
在 LiquidCrystal_I2C.h 的原始碼中會發現使用 Wire.h 函式庫，是 Arduino 附帶的函式庫
在開發角度上，使用已經製成、穩定的函式庫，可以避免出錯、加快開發速度、節省時間

在下想了解 I ² C 的運作原理，因此由零開始查看文件，但完全不明白文件描述的運作方式，便到網上尋找資料
不過很多資料都是使用 LiquidCrystal_I2C.h 並沒有詳細解釋 I ² C 運作原理，亦沒有不使用 Wire.h 實作效果
因為函式庫是基於 Arduino AVR-C 編寫，在下嘗試尋找不是使用 Arduino AVR-C 的例子，希望有類似原始碼的程式可以參考
在下找到 Assembly 及 C 的程式，複製程式碼再修改成在下需要的效果，但結果都是失敗；最後還是只能認真、仔細、慢慢理解文件

除了理解文件，在下不想受到 Wire.h 的序列時脈及序列資料的引腳限制
有些使用 LiquidCrystal_I2C.h 的例子可以更改序列時脈及序列資料，但在下查看原始碼發現不能使用
(可能有很多不同版本，或自行修改版本)

Arduino 允許使用者自行修改原始碼，將 SCL 及 SDA 修改成需要的引腳
(不同 Arduino 的 SCL 及 SDA 引腳會有不同，可參考 https://www.arduino.cc/en/reference/wire )
但修改後亦可能導致其他函式庫需要使用原來的 SCL 及 SDA 設定時出現問題
因此在下唯有自行編寫 I ² C 程式
亦已經上載到 https://bitbucket.org/hkgoldenmra/hd44780i2cmodule
及 https://create.arduino.cc/editor/hkgoldenmra/34c270b4-8443-406f-8149-eb68011b9bcc/preview
可以在 Terminal 輸入

git clone "https://bitbucket.org/hkgoldenmra/hd44780i2cmodule.git" --depth=1

學習沒有捷徑

Arduino 控制 HD44780 點陣文字LCD熒幕模組電阻計算器 (Resistor Calculator)