LCDディスプレイに表示するための プログラミング

LCD Liquid Crystal Display
[第
9 章]
LCD ディスプレイに表示して情報をわかりやすく
LCD ディスプレイに表示するための
プログラミング
ここまで，ハードウェアとソフトウェアを動かしてきましたが，動作を確認するために LED の 8 ビッ
トを点滅するだけでも多くのことはわかりました．しかし，複数のデータを表示したいときなど，これで
は少し困ります．今ではどこに行っても表示装置として最も目にするのは LCD です．
本章では，入手性の良い 2 行 16 桁表示の LCD モジュールを利用して，さまざまなデータを表示してみ
ます．
この印は頁右上に略語の語源の説明があります
このアイコンは，章末に用語解説があります
9-1 LCD との接続
アルファベットやカタカナのキャラクタを表示する用途として LCD がよく使われていますが，その中
でも互換品も多く入手性の良い 16 桁 2 行の LCD
を接続してみます．秋月電子通商の通販などで入手で
きます（1000 円で購入できた）．図 9-1 に示すように，SC1602B 本体，基板と接続するための 14P（2×7）の
ピン・ヘッダとソケット，バック・ライト
−−−−−−−−−−−− 供給のための抵抗 2 本がセットになっています．右側の支
えがないので，シングルの 20 ピンのピン・ヘッダと 2P のピン・ソケットで支えを作成しています．その
こちら側はささえが
ないので，シングル
のピン・ヘッダと2P
のピン・ソケット二
つでささえることと
する
2列のコネクタ
20Pシングルのピン・
ヘッダ．必要な分だけ
途中で割ることができ
る．ここでは5Pに切っ
て使う
LCDユニット（SC1602B）
，
抵抗2本，14P（2×7）ヘッ
ダ・ユニット
半固定抵抗．
コントラスト
調整用10kΩ
2Pのシングル・ピン・
ソケット．これらは別
に調達する
図 9-1 LCD ディスプレイのユニット（SC1602B）
PIC からのコマンドと表示データの文字コードをLCD モジュール内のLCD ドライバに書き込むだけで，LCD ディ
スプレイにデータが表示できる．
9-1 LCD との接続
177
ような部品がなければ，長めの 2.5 mmφのビスで支えます．コントラスト調整用の半固定抵抗 10 kΩも必
要ですので購入します．
この LCD の制御を行っているのは KS0066U というサムスンの製品で，日立の LCD ドライバ HD44780 と
コンパチブル
−
−−−−−−−−− です．日立の日本語のデータ・シートを探しましたが，探し方が悪かったせいか日立のホ
ームページにはなく，見つけるのに少し苦労しました．半導体部事業の業界再編が思いがけないところで
影響を与えています．ルネサステクノロジでサポートしてもよいと思うのですが．HD44780 コンパチブル
ということで，沖電気のホームページからの日本語のデータ・シートをダウンロードできました．KS0066U
の英文データ・シートもインターネットの検索で見つかります．
9-2 LCD モジュールの構成
図 9-2 に今回使用する LCD モジュールの概要を示します．内蔵されている LCD のドライバは，独自の
命令をもち PIC からの命令を受けて LCD パネルの表示を制御します．そのために新たにここでは，LCD
ドライバの命令および読み書きのタイミング，PIC と LCD モジュールの接続方法についての説明から始
めます．
PIC と LCD モジュールの間では 8 または 4 ビットのデータ・バスで接続し，LCD の表示の制御を行う
コマンドを書き込んだり，表示データの書き込みなどを行います．表示データは DD-RAM（Display Data
RAM）に書き込まれ，このうち初期設定で指定された 16 文字 2 行，または 16 文字 1 行分が−
CG-ROM
−−−−−−
（Character Generator ROM）で具体的な LCD 上の文字パターンのドットに展開され，表示されます．
コマンドは，表示のクリア，カーソルの移動，表示領域のシフト，データの書き込み，DD-RAM 上の
読み書きするデータ・アドレスのセットなど図 9-2 に示す 8 種類が用意されており，データの読み書きな
コマンドおよびデータのリード/ライトで
全部で11種
（1） 表示クリア
（2） カーソル・ホーム
ユーザ定義のキャラクタ・
ジェネレータ用のRAM
英数字，
カタカナ用
のキャラク
タ・ジェネ
レータ
CGRAM
（3） 移動モード・セット
CGROM
（4） 表示モード・セット
AC
（5） カーソル表示の移動
（6） イニシャル・セット（初期化処理）
（7） CG-RAMアドレス・セット
（8） DD-RAMアドレス・セット
8/4ビット
データおよ
びコマンド
コマンドここまで
2行表示時のアドレスと表示位置
との対応
1行
2行
（10） Busyチェック
DD-RAM
DD-RAM/CG-RAMの入出力
を行うとき，対象のアドレス
を示すアドレス・カウンタ．
ここで示すアドレスに，デー
タが読み込まれ表示される
1桁 2
（9） データ書き込み（DD-RAM/CG-RAM）
LCD
3
4
5
00 01 02 03 04
40 41 42 43 44
∼16 17 ∼
DD-RAM
(Display Data Ram)
表示用データ格納用RAM.
1バイトが1文字分を表示．
80バイトある
2行×16桁では，この枠
で表示される．左右にど
ちらにもシフトできる
39 40
表示位置
26 27
66 67
DD-RAM
アドレス
（16進表示）
（11） DD-RAM，CG-RAMデータの読み取り
1行目の最後と2行目の先頭のアドレスは，連続していない
図 9-2 今回使用するLCD モジュールSC1602B の概要
178
第 9 章 LCD ディスプレイに表示するためのプログラミング
ど全部で 11 種の操作により，LCD 表示の制御を行っています．
● LCD モジュールとの接続
実際に LCD 表示を制御するのは，モジュール内にある LCD ドライバが行います．LCD のモジュールと
PIC との接続方法を図 9-3 に示します．PIC と LCD モジュール間には，データ交換およびコマンドの入出
力のための 8 ビットの信号線と，データおよびコマンドの受け渡しを行うリード/ライト制御に伴う信号
線として 3 本を接続する必要があります．このデータと制御の信号線を，PIC 入出力ポートと接続します．
LCD モジュールの 3 番ピンには，コントラストの調整入力があります．半固定抵抗で電源電圧を分割
した電圧を加えコントラストの調整を行います．
バック・ライトの電源を供給するため，JP3 の接続および電流制限抵抗 R 9 の接続が必要です．添付の
説明書に従い基板裏側の JP3 をショートし，R 9 には添付された抵抗を接続します．
● データおよびコマンドの信号線は8 本か4 本を選択できる
LCD モジュールへのコマンドおよびデータは 8 ビットのデータです．そのための信号線が DB（
0 Data
Bus）
∼ DB7 の 8 本用意されています．ここで PIC からは，PORTD の 8 ビットの入出力ピンと接続します．
8 本の信号線を接続するとデータのコマンドや表示データが一度の書き込みで行えるので，プログラムの
手間が省けます．
しかし，18 ピンの PIC などピン数の少ないデバイスを利用する場合は，上位 4 ビットの 4 本の信号線で
接続して，8 ビットの 1 データを 2 回に分け 4 ビットずつ受け渡しできるモードを利用することが多いでし
ょう．そのため，コマンド，データの分割，統合が必要になりソフトウェアの負担が少し大きくなります．
● データの受け渡しの制御は3 本の信号線で
LCD ドライバとの間のデータの受け渡しは，RS，R/W，E の 3 本の信号線で制御されます．
データ・バスは8ビット用意されている．データ
の受け渡しは，8ビット・モードと上位（DB 4 ∼
4ビットのデータ・バスのみ使用する4ビット・
DB7）
モードの二つがある
PIC16F877A
5V
1
19
20
21
22
27
28
29
30
データとコマンドの
送受信は，ポートD
の8ビットを使用
RD0
RD1
RD2
RD3
RD4
RD5
RD6
RD7
制御信号はポートE
を割り当てる
8
RE0
9
RE1
10
RE2
7
8
9
10
11
12
13
14
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
4
RS
5
R/W
6
E
バックライトの電源
供給は，添付の説明
書に従い行う
VDD
LCDドライバ I C
HD44780コンパチブル
VO
4ビットのデー
タ・バスの場
合，この4ビッ
トを接続
3
10k
VSS
2
レジスタ選択信号．
でデータ・レジスタ
‘1’
‘0’
でコマンド・レジスタ
Read/Write．
‘1’
で LCD からの読み取り
‘0’
で LCD への書き込み
Read/Write のイネーブル信号．
図9-4∼図9-8に示すタイミング
を満足する必要がある
図 9-3 LCD と16F877A の接続
9-2 LCD モジュールの構成
179
Q1
Q4
Q2
Q3
OSC1
10
11
ここで，入力端子の
データを読み取る
CLKOUT
13
14
19
12
18
16
I /Oピン
（入力）
17
I /Oピン
（出力）
15
前の値
P I C からの出力は，Q4 で行われ
るが，実際に出力端子に出力デ
ータが現れるのは，次の命令サ
イクルの Q 1 の立ち上がりから
17 で示す時間後となる
新しい値
20, 21
100ns
Tosc（ Fosc 10MHzで100ns）
表9-1より100ns∼200ns.
Fosc が10MHzでは，Q2まで
データが定まらない
（10 ∼ 21 の数字は，表 9-1 のパラメータ番号 ）
図 9-4（2） PIC の入出力タイミング
s RS
（Register
Select）信号
RS 信号は，データの受け渡しの制御を行います．この信号線はディジタル入出力ポート PORTE の
RE（
に接続します．bsf
0 ビット 0）
PORTE,0 で“H”
（1）にすると，LCD に表示する「データ」の受け渡
しとなります．この信号を bcf PORTE,0 で“L”
（0）にすると，LCD ドライバの動作を制御する「コマ
ンド」の書き込みになります．
s R/W
（Read/Write）信号線
R/W 信号線による読み書きの制御は PORTE の RE（
の信号線で行います．bcf
1 ビット 1）
PORTE,1
で“L”
（0）の Write モードとなり，PIC 側から LCD ドライバへ，コマンドを書き込みコマンドで指示され
た，カーソルの移動，表示のクリアなど制御を行ったり，または LCD への表示データが書き込めます．
bsf PORTE,1 で“H”
（1）の Read モードとなり，コマンドでは PIC が LCD ドライバのコマンド処理を
完了したかチェックする，BF（Busy フラグ）のチェックを行うときなどに利用します．
sE
（Enable）信号
コマンド，データの読み書きを行う 230 ns 以上の幅をもったパルス信号です．このパルスの立ち上がり
が読み書きのタイミングとなります．この信号の ON/OFF は PORTE の RE（
で行います．
2 ビット 2）
各制御信号の役割は決まりました．次に，それぞれの信号のタイミングが仕様を満足するかも含めて，
PIC から LCD ドライバとの間での読み書きについて検討していきます．
● データ/コマンドの書き込み
まず，PIC のディジタル I/O ポートの入出力タイミングを確認します．図 9-4 に示すように PIC への入
力は Q2 のサイクルの先頭の立ち上がりで行います．PIC からの出力は Q4 サイクルで出力操作を行い，出
力操作に伴うデータの値が出力ピンに現れるのは，次の命令サイクルの Q1 の立ち上がりから TosH 2 ioV で
示す時間
（17 番パラメータ，表 9-1 参照）
が必要です．この時間は標準で 100 ns，最大で 255 ns となります．
この遅れにより，発振周波数が 10 MHz の動作時では Q1 の期間が 100 ns ですので，PIC からのデータの確
180
第 9 章 LCD ディスプレイに表示するためのプログラミング
表 9-1（2） PIC のクロックおよび入出力タイミング
パラメー
タ番号
記号
特 性
Min
Typ†
Max
単位
条件
10 ＊
TosH 2 ckL OSC1 の立ち上がりから CLKOUT の立ち下がり時間
−
75
200
ns
注1
11 ＊
TosH 2 ckH OSC1 の立ち上がりから CLKOUT の立ち上がり時間
−
75
200
ns
注1
12 ＊
TckR
CLKOUT の立ち上がり時間
−
35
100
ns
注1
13 ＊
TckF
CLKOUT の立ち下がり時間
−
35
100
ns
注1
14 ＊
TckL 2 ioV CLKOUT の立ち下がりからポート出力が有効になる時間
−
−
0.5TCY ＋20
ns
注1
15 ＊
TioV 2ckH CLKOUT の立ち上がりの前にポート入力が有効な時間
TOSC ＋200
−
−
ns
注1
16 ＊
TckH 2iol
CLKOUT の立ち上がりの後ポート入力を保持する時間
0
−
−
ns
注1
17 ＊
TosH 2 ioV
OSC1 の立ち上がり（Q1 サイクル）から
ポート出力が有効になる時間
−
100
255
ns
100
−
−
ns
TosH 2 iol
OSC1 の立ち上がり（Q2 サイクル）
ポート入力が有効（I/O 入力保持時間）
な時間
標準（F）
18 ＊
拡張（LF）
200
−
−
ns
19 ＊
TioV 2osH
OSC1 の立ち上がりまでポート入力が有効（I/O 入力セット
アップ時間）な時間
0
−
−
ns
20 ＊
TioR
ポート出力立ち上がり時間
標準（F）
−
10
40
ns
拡張（LF）
−
−
145
ns
標準（F）
−
10
40
ns
拡張（LF）
−
−
145
ns
21 ＊
TioF
ポート出力立ち下がり時間
22 ††＊
Tinp
INT ピン“H”または“L”時間
TCY
−
−
ns
23 ††＊
Trbp
RB7：RB4 変化割り込み“H”または“L”時間
TCY
−
−
ns
＊このパラメータの値はテストはしていない．
†“Typ”の列のデータは，とくに指定のない限り，5.0V，25℃でテストしている．このパラメータは設計ガイダンスのためのも
ので，テストはしていない．
††この図には出ていないパラメータ．このパラメータは非同期イベントであり，どの内部クロック・エッジとも関連がない．
注 1：CLKOUT 出力が 4×T ，RC
モードでの計算値．
OSC
TCY（パラメータ番号 2）：命令実行サイクル・タイム
定は次の命令サイクルの Q2 の立ち上がりには間に合わない場合が生じます．
PIC の場合は，出力と入力が続いたとき，PIC からのデータの出力タイミングと次に PIC がデータ・バ
ス上のデータを読み取るタイミングが近接していて，場合によっては重なるときがあること前提にして，
LCD ドライバのリード/ライトを考えます．
9-3 LCD への書き込み
LCD ドライバへの書き込みタイミングは，図 9-5 に示すようになります．タイミング値は表 9-2 に示し
ます．LCD ドライバにデータを書き込む場合は，E（Enable signal）信号のパルス幅（PWEH ）は 230 ns 以上
で，E 信号の立ち下がりの 80 ns 以前（tDSW ）に書き込むデータが確定して，E 信号の立ち下がりで LCD ド
ライバが DB0 ∼ DB7 のデータを読み込みます．この条件を満足するかを確認します．
書き込み処理では，まず，RS 信号をビット操作命令でコマンドの場合は“L”
（0）に，データの場合は
“H”
（1）に指定し，次に R/W 信号を bcf 命令で“L”に指定します．この二つの条件は，データの出力以
前に所定の値になっているとして話を進めます．
これ以後，PIC からの LCD ドライバへ書き込みするタイミングを図 9-6 に示します．movwf PORTD
命令で，書き込むデータをポート D に出力し（①），LCD ドライバのデータ・バス上に書き込むデータを
9-3 LCD への書き込み
181
制御信号 E の ON する前に，
bcf 命令で“L”にしてお
く． 同じ操作が続く場合，
変更しない
230ns以上
必要
RS
VI H 1
VI L1
tAS
R/W
tAH
VI L 1
PWEH
tAH
tEf
VI H 1
VI L1
E
tDSW
E信号がONする前
に，movwf命令で
データを出力する
VI H 1
VI L1
データ・バス
DB0∼DB7
この期間，P I Cは出
力データを確定して
おく必要がある
tH
tEr
有効なデータ
LCDのドライバが正しくデータを読み
取るため必要な最小限の時間で，これ
以前に出力が確定していればよい．
表9-2より 80ns 以上必要
tcycE
図 9-5（8） LCD ドライバへの書き込みタイミング
ライト操作．PIC のシステムからLCD へデータ/コマンドを書き込む．
表 9-2（8） LCD ドライバへの書き込みタイミング
記号
tcycE
Min Typ Max 単位
Enable サイクル時間
項 目
500
−
−
Enable パルス幅（
“H”レベル）
PWEH
230
−
−
Enable 立ち上がり / 立ち下がり時間
tEr ，
tEf
−
−
20
RS，R/W アドレス・セットアップ時間 tAS
40
−
−
RS，R/W アドレス・ホールド時間
tAH
10
−
−
データ・セットアップ時間
tDSW
80
−
−
データ・ホールド時間
tH
10
−
−
ns
用意します．次に，bsf 命令で E 信号を“H”にして（②），次に bcf で E 信号を“L”にします（③）．この
期間が FOSC が 10 MHz のとき 400 ns で，E 信号の最小値は 230 ns ですから，仕様を満足します．FOSC が
20 MHz の場合は 200 ns となり E 信号の最小値 230 ns 以下となるので，図に示すように NOP 命令を挿入し
（④）実行時間 200 ns を追加すると，計 400 ns となり仕様を満足します．
したがって，通常の場合，RS 信号でデータ/コマンドを選択し，R/W 信号を“L”にして，
movwf PORTD
bsf
PORTE,2
bcf
PORTE,2
の命令を実行することで，LCD ドライバへの書き込みが確実に行えます．
182
第 9 章 LCD ディスプレイに表示するためのプログラミング