Подключение универсального дисплейного модуля TE-ULCD к Arduino

В этой статье описывается схема подключения TE-ULCD к Arduino и его совместное использование с платой расширения Ethernet Shield v2. В процессе изучения модуля получилась библиотека и небольшой скетч получающий из сети Internet и отображающий время в формате UTC, состояние дорожного траффика в Москве, с помощью сервиса Яндекс.пробки, и погоду, с использованием сервиса информеров GisMeteo.

Данный модуль выбран мной как одно из немногих доступных в РФ готовых решений на базе SPI интерфейса, т. е. не требующее много (16-32) пинов для управления.

TE-ULCD выпускается ООО “Терраэлектроника”. Модуль выполнен на основе 3,5” (или 5,6”) цветного графического дисплея с сенсорным экраном и 32-разрядного ARM-7 микроконтроллера. Обслуживание цветного графического дисплея с помощью специализированного микроконтроллера позволяет разделить функции отображения информации и управления и дает возможность обеспечить интерфейс «человек-машина» в различных информационно-управляющих системах. В память программ микроконтроллера на этапе изготовления загружается библиотека графических функций. Функции могут быть вызваны из прикладной программы при помощи SPI-команд. Это значительно упрощает формирование изображения на TFT-дисплее, а также обслуживание сенсорного экрана. Предусмотрена возможность обновления загруженной библиотеки. Для хранения картинок в формате BMP используется карта памяти microSD.

Необходимые компоненты

Любая Arduino, например Arduino Uno.
Плата расширения Ethernet Shield v2 или совместимые с ней.
Монтажная плата (Breadboard) для удобного подключения.
Набор перемычек и/или соединительные провода.
Пара 10-пиновых шлейфов для подключения к модулю TE-ULCD (можно использовать гибкие перемычки типа мама-папа).
Три сопротивления номиналом 1,7 КОм (для делителя напряжения).
Три сопротивления номиналом 3,3 КОм (для делителя напряжения).
Четыре штырьковых соединителя (для подключения TE-ULCD к монтажной плате).
Универсальный дисплейный модуль TE-ULCD35 или TE-ULCD56 (разница только в размерах экрана 320х240 или 640х480).

Подключение

Питание дисплейного модуля осуществляется от 5 вольт постоянного тока, в руководстве пользователя производитель указывает номинальный ток 0,2 А. Я измерил потребляемый ток с помощью цифрового блока питания получилось стабильно 0,299 А, так что стоит ориентироваться на 0,3 А. При питании TE-ULCD от ардуино, преобразователь напряжения установленный на плате грелся довольно сильно, поэтому на всякий случай я запитал дисплейный модуль от USB персонального компьютера взяв шнурок от старой мышки. Разъем Х8 TE-ULCD предназначен для подачи питания и имеет следующую распиновку: PIN 1, 3, 7 и 9 - вход 5 В, PIN 2, 4, 6, 8, 10 - GND, PIN5 используется как ключ для контроля правильности подключения. Подавать питание можно на один любой пин +5 В и GND. Подключение ардуино выполняется к разъему Х6 дисплейного модуля, согласно схеме представленной на рисунке. SPI TE-ULCD функционирует с уровнем 3,3 В, поэтому следует согласовать уровни дисплейного модуля и ардуино с помощью простого делителя на резисторах. Так как планируется использовать TE-ULCD и плату расширения Ethernet Shield совместно, для выбора управляемых (ведомых) устройств будут использоваться PIN9 и PIN10 соответственно. PIN9 выбран изходя из удобства подключения и можно использовать любой другой свободный поменяв значение slaveSelectPin в скетче.

Команды записи и чтения TE-ULCD соответствуют настройкам SPI CPOL=1 и CPHA=1, что соответствует SPI_MODE3 для ардуино. Для платы расширения Ethernet Shield v2 настройки SPI соответствуют SPI_MODE0. Эти настройки понадобятся для обращения к соответствующему модулю.

Описание программы

Программа описанная в статье использует специально подготовленную для ардуино библиотеку ULCD. Картинки для TE-ULCD следует записать на microSD.

Описание команд, регистров и сообщений графического модуля TE-ULCD использованные в библиотеке ULCD взяты мной из руководства оператора на модули TE-ULCD35/56. Модуль TE-ULCD поддерживает два режима работы: терминальный и режим работы с использованием библиотеки графических функций (представлен в данном примере).

В настоящее время набор встроенных виджетов (примитивов графического интерфейса пользователя) TE-ULCD включает в себя:

Frame (0х01). Является обязательным, используется для размещения виджетов.
Window (0х00). Предназначено для размещения виджетов, обладает заданным набором свойств.
Panel (0х06). Предназначена для размещения виджетов, обладает заданным набором свойств.
StaticLine (0х12). Представляет собой линию с тенью, может быть использован для отделения одних компонентов от других.
Button (0х0А). Позволяет разместить кнопку и выполнить какие-либо действия при нажатии на нее.
Text (0х07). Служит для отображения текста на экране.
Bitmap (0х05). Предназначен для вывода на экран изображения в формате bmp.
RotateControl (0х0В). Предназначен для вывода на экран изображения регулятора в виде вращающегося "колесика".
Slider (0х0С). Предназначен для вывода на экран изображения регулятора в виде "ползунка".

Использование библиотеки ULCD

В библиотеке ULCD для ардуино реализованы следующие процедуры для работы с универсальным дисплейным модулем TE-ULCD:

ULCD() - конструктор;
void RESET() - программный сброс модуля;
void digitalPortWrite(byte value) - отправка одного байта от ардуино к TE-ULCD;
void LOAD_FONT(byte R, String FileName) - загрузка шрифта из флеш-памяти TE-ULCD в регистр TE-ULCD;
void LOAD_PICTURE(byte R, String FileName) - загрузка картинки в формате BMP с microSD карты в регистр TE-ULCD;
void LOAD_TEXT(byte R, String Text) - загрузка текстовой строки из ардуино в регистр TE-ULCD;
void LOAD_SCRIPT(byte R, byte Number) - загрузка скрипта из ардуино в регистр TE-ULCD;
void SET_SIZE(int X, byte Y) - установка размера виджета;
void SET_POS(int X, byte Y) - установка позиции (левого нижнего угла) виджета;
void SET_BACK_COLOR(byte R, byte G, byte B) - установка цвета фона виджета;
void SET_FONT_COLOR(byte R, byte G, byte B) - установка цвета шрифта виджета;
void SET_FONT(byte R) - установка шрифта виджета из регистра TE-ULCD;
void SET_MAIN(byte R) - установка виджета главным (применяется только для фрейма);
void SET_SCALE(byte min, byte max, byte pos) - задание минимального, максимального и значения по умолчанию виджета (для слайдера и "колесика");
void SET_SCRIPT(byte R) - установка скрипта для виджета (действия которое будет выполнено TE-ULCD при заданном событии) из регистра TE-ULCD;
void SET_TEXT(byte R) - установка строки для виджета из регистра TE-ULCD;
void SET_PICTURE(byte R) - установка картинки в формате BMP для виджета из регистра TE-ULCD;
void SEND_REG(byte R1, byte R2) - переслать содержимое регистра R2 в R1;
void WRITE_REG(byte R, byte value) - запись значения в указанный регистр TE-ULCD;
void CR_WID(byte WidType) - создание виджета указанного типа (из списка встроенных виджетов TE-ULCD);
byte READ(byte R) - чтение содержимого регистра TE-ULCD;
void REPAINT_TEXT(byte R1, byte R2, String Text) - заменить (перерисовать) текст виджета хранящегося в регистре R1, на текст передаваемый в переменной Text, сохранить текст в регистре R2;
void REPAINT_BMP(byte R1, byte R2) - перерисовать картинку виджета хранимого в регистре R1 на картинку хранимую в регистре R2;

Например фоновый рисунок в программе устанавливается следующим образом:

#include <ULCD.h>
 
ULCD lcd;
 
// ...
lcd.LOAD_PICTURE(1, "back.bmp");  //Загружаем картинку с microSD в регистр R1
lcd.CR_WID(5);                    //Создаем виджет BitMap (для фона)
lcd.SET_SIZE(320, 240);           //Устанавливаем размер BitMap равным размеру экрана TE-ULCD35
lcd.SET_POS(0, 0);                //Устанавливаем позицию BitMap
lcd.SET_PICTURE(1);               //устанавливаем картинку для виджета из регистра R1

Для удобства пользователя TE-ULCD располагает 32-мя регистрами (R0-R31) общего назначения для хранения указателей на виджеты (картинки, текст, скрипты). При желании указатели можно хранить в ардуино.

Получение состояния дорожного траффика

Сделать свой светофор захотелось сразу после того как увидел подобный в Яндексе, только там он управлялся с ПК, а хочется все таки автономный - только ардуино и Ethernet Shield. Напрямую запрос о состоянии трафика с сервера Яндекс.пробки получить нельзя. Письмо в техподдержку команду Я.пробки тоже не помогло: “Благодарим за внимание к нашему сервису. Мы не поставляем такую информацию. Попробуйте, подключить модуль пробок и использовать элемент управления "Пробки".”

Для получения состояния дорожного трафика я воспользовался информером, точнее картинкой которая передается в нем. Алгоритм действий следующий:

Подключаемся к серверу (info.maps.yandex.net);
Посылаем запрос на получение картинки информера:
Анализируем полученную картинку, она передается в стандарте PNG (0xFF 0xA4 0x00 желтый, 0x3F 0xBB 0x00 зеленый, 0xFF 0x2A 0x00 красный ), наличие цветов уникально для каждого состояния зеленый-желтый-красный (даже более того, считая количество пикселей каждого цвета можно определить балл пробок, а не только цвет);
Отображаем картинку на экране TE-ULCD.

Запрос картинки информера имеет следующий вид:

 GET http://info.maps.yandex.net/traffic/moscow/current_traffic_88.gif HTTP/1.1
 Accept: image/gif
 Accept-Language: en-US;
 Cache-Control: max-age=0
 Host: info.maps.yandex.net
 User-Agent: Chrome

Данный запрос подходит для Москвы, но можно запрашивать состояние траффика в любом городе для которого работает сервис информеров Я.пробки. Данный блок с небольшой доработкой можно использовать для управления собственным светофором с помощью ардуино и реле, будет как в Яндексе :).

Получение времени

Самый простой и легкий способ получения времени в формате UTC - послать запрос на какой либо сервер (сначала я использовал гугл, но потом для экономии памяти перешел на сервер яндекс.пробки) и разобрать ответ, получаемая таким образом строка имеет вид:

Wed, 10 Aug 2011 09:48:43 GMT.

В настоящий момент запрос для получения времени выглядит так:

 GET http://info.maps.yandex.net/traffic/moscow HTTP/1.1

Точность такого времени не высока - до минут, но для простых часов подходит.

Получение прогноза погоды

Для получения прогноза погоды на ближайшие сутки я использовал сервис получения информера от GisMeteo в XML формате. Данные о погоде представляют из себя подробную сводку по всем метеопараметрам, с шагом 6 часов и заблаговременностью одни сутки. Тут все просто, указываем в запросе город и получаем в ответ для него прогноз погоды, разбираем его и отображаем на экране прогноз на ближайшие 6 часов.

Пример запроса погоды для города Москвы:

 GET http://informer.gismeteo.ru/xml/27612_1.xml

Дальнейшее усовершенствование

Представленный прототип является первым шагом к созданию самостоятельного устройства - информатора или интернет часов-информеров способных отображать текстовые сообщения, новости, отображать уведомления, проверять почту и т. п. автономно без подключения ПК. Требующем только Ethernet и питание от адаптера.

Возможные дальнейшие шаги:

Добавить отображение балла Яндекс.пробок.
Заменить ардуино и Ethernet Shield на Arduino Ethernet PoE, тогда останется только шнур Ethernet.
Добавить оповещение о новых письмах и твитах.
Попробовать вариант с Wi-Fi модулем, тогда останется только шнур питания.
Подключить внешние датчики и отображать их состояние (температура и влажность, давление, освещенность).
Отображать RSS и курсы валют.
Будильник (можно настраиваемый через интернет), потребуется добавить баззер или пьезо-пищалку.

При работе с большими строками столкнулся с переполнением SRAM, для отслеживания состояния памяти переменных я использовал функцию freeRam возвращающую значение свободной памяти в байтах.

int freeRam () {
   extern int __heap_start, *__brkval; 
   int v; 
   return (int) &v - (__brkval == 0 ? (int) &__heap_start : (int) __brkval); 
}

Если кто то подскажет как можно улучшить программу буду благодарен :), для обсуждений есть ветка форума на Амперке.