Ekspander wyświetlacza 14 segmentowego LCD z interfejsem I²C

Zastosowany wyświetlacz VIM-878 używany jest w zestawach uruchomieniowych, szczególnie tych, w których położono nacisk na niski pobór mocy. Dlaczego więc nie mielibyśmy użyć go we własnych aplikacjach? Do tego właśnie służy opisany w artykule ekspander. Osiem cyfr składających się z 14 segmentów pozwala na wyświetlenie nie tylko cyfr, ale i liter oraz znaków specjalnych, a zastosowany w układzie wyspecjalizowany kontroler PCA551A upraszcza sterowanie. Moduł jest zgodny z Raspberry Pi Pico, płytkami na bazie STM32, Arduino i wieloma innymi.

Do sterowania wyświetlaczem zastosowano kontroler PCA8551A, którego strukturę wewnętrzną pokazuje rysunek 1.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna PCA8551A (za notą NXP)

PCF8551A zawiera układ drivera i polaryzacji wyświetlacza LCD pracującego w trybie multipleksowym. Umożliwia wysterowanie do 35 segmentów (SEG) z maksymalnie czterema elektrodami wspólnymi (COM). Układ obsługuje tryb statyczny i multipleksowany 1:2/3/4 wraz z generowaniem napięcia zasilającego elektrody wspólne. PCA8551A ma wbudowany generator taktujący, obwody resetu (POR) oraz rejestry pamięci przechowujące kształt wyświetlanego znaku. Nie zabrakło oczywiście kontrolera interfejsu I²C o szybkości transmisji do 400 kHz. Dostępna jest też wersja PCA8551B z łączem SPI.

Schemat układu pokazano na rysunku 2. Układ U2 taktowany jest wbudowanym generatorem. Magistrala I²C doprowadzona została do złączy I²C/I²CA zgodnych ze standardami QWIIC/Grove. PCA8551A widoczny jest na magistrali I²C pod adresem ustalonym na 0x38. Moduł wymaga zasilania w zakresie 3,3...5 V, a wbudowane w U2 obwody resetu POR (aktywowane stanem wysokim wyprowadzenia PORE) zapewniają prawidłowy restart po włączeniu zasilania. Stabilizator U1 doprowadza zasilanie 3 V do wyświetlacza LCD niezależnie od napięcia zasilającego U2, co zapewnia elastyczność aplikacji.

Rysunek 2. Schemat ideowy układu

Do wyprowadzeń SEG0..31 podłączone zostały segmenty wyświetlacza LCD, zaś elektrody wspólne współpracują z wyprowadzeniami COM0...3. Warto zauważyć, że nie jest zachowana kolejność połączeń z wyświetlaczem – schemat uwzględnia bowiem możliwie prostą mozaikę obwodu drukowanego, gdyż i tak przypisanie segmentów można uporządkować programowo. Model współpracuje z miniaturowym wyświetlaczem VIM-878-DP-RC-S-LV, który umożliwia wyświetlenie ośmiu znaków czternastosegmentowych o wysokości 7 mm, wraz z przecinkami i separatorem dziesiątek (apostrofem).

Układ zmontowany jest na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej – rozmieszczenie elementów na PCB pokazano na rysunkach 3a i 3b. Montaż jest typowy i nie wymaga dokładniejszego opisu. Podczas montażu należy zachować wymogi ESD, gdyż układ PCF i wyświetlacz mogą zostać uszkodzone przez ładunki statyczne. Przed przylutowaniem wyświetlacza warto ustalić mechanicznie jego położenie za pomocą paska samoprzylepnej dwustronnej taśmy piankowej, unikając przy tym naprężania wyprowadzeń drutowych tego delikatnego komponentu. Zmontowany moduł można zobaczyć na fotografii tytułowej.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów  na płytce modułu (a – strona górna, b – strona dolna)

Rysunek 4. Oznaczenie segmentów LCD

Do sterowania konieczna jest konfiguracja układu oraz przypisanie segmentów LCD. Literowe oznaczenia poszczególnych pól wyświetlacza 14-segmentowego zobrazowano na rysunku 5. Znaki ponumerowane są od lewej strony wyświetlacza cyframi 1...8.

Rysunek 5. Mapa rejestrów PCF8561A (za notą NXP)

Sterowanie wyświetlaczem odbywa się poprzez rejestry układu PCA8551A – ich mapę pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Detekcja układu PCA8551A

Układ udostępnia cztery rejestry sterujące pod adresami 0x00...0x03 i 20 rejestrów przechowujących kształt wyświetlonego znaku przypisanego do elektrody wspólnej (0x04...0x17). W przypadku wyświetlacza typu VIM-878 tryb multipleksowania oraz napięcia elektrod (MUX=1:4, BIAS=1/3) odpowiadają ustawieniom domyślnym PCA8551A. Aby uruchomić wyświetlanie, wystarczy określić częstotliwość odświeżania z zakresu 32 Hz...128 Hz (FF[1:0], domyślnie 64 Hz), załączyć oscylator OSC w rejestrze kontrolnym Device_Ctrl(0x01), skonfigurować tryb pracy podłączonego wyświetlacza: BOOST, MUX[1:0], B(BIAS) w rejestrze kontrolnym Device_Ctrl_1(0x02) oraz aktywować sterownik DE. Dodatkowo można wykorzystać tryb automatycznego migania BL[1:0] z częstotliwością w zakresie 0,5...2 Hz oraz określić tryb sterowania kompensujący składową stałą INV (linia/ramka) w Device_Ctrl_2(0x03). Szczegółowy opis rejestrów zamieszczono w karcie katalogowej PCA8551A dołączonej do materiałów dodatkowych.

Do sterowania segmentami LCD wykorzystane są rejestry COM0..3, w związku z wykorzystaniem wyprowadzeń SEG0..31, aktywne są tylko cztery z pięciu rejestrów każdego zestawu COM pod adresami 0x04-0x07, 0x09-0x0C, 0x0E-0x11 i 0x13-0x16. Przypisanie fizycznych segmentów LCD przedstawiono w tabeli 1.

Po prawidłowym montażu moduł LCD nie wymaga uruchamiania. W celu szybkiego sprawdzenia działania nakładki, zmontowaną płytkę można podłączyć do Raspberry Pi, co pozwoli zweryfikować obecność modułu na magistrali poleceniem:

którego wynik działania widać na rysunku 6.

Jeżeli układ jest dostępny na magistrali, możemy określić parametry wyświetlania (MUX, BIAS, BL) w rejestrach konfiguracyjnych:

oraz wysterować testowo wszystkie segmenty LCD:

można też wypróbować tryb migania:

Wszystkie polecenia można wykonać skryptem pca8551a.sh z listingu 1.

Efekt działania skryptu pokazano na fotografii tytułowej. W pierwszej kolejności zaświecone (miganie 1 Hz) są wszystkie segmenty, co pozwala skontrolować poprawność montażu. Następnie wyświetlony zostanie tekst „LCD14SEG”.

Podczas testów pobór prądu modułu (zasilanego napięciem 3,3...5 V), w którym wysterowano wszystkie segmenty, wynosił poniżej 5,5 μA przy odświeżaniu 32 Hz i wzrastał do 15,5 μA przy częstotliwości odświeżania 128 Hz. W trybie wyłączonego wyświetlania (DE=0) pobór prądu wynosił poniżej 1 μA, co w praktyce sprowadza się głównie do prądu spoczynkowego stabilizatora U1. Niskie zużycie energii pozwala zasilać wyświetlacz z niewielkiej baterii przez długi czas.

Jeżeli wszystko działa poprawnie, można moduł wykorzystać we własnej aplikacji – powodzenia.

Adam Tatuś, EP