[8051] 以I2C介面驅動LCD模組(LCM1602)

主題

透過I2C通訊介面，驅動常見市售的整合式LCD模組LCM1602。

材料

LCM1602顯示器模組(與PCF8574T整合之I2C介面晶片)，外觀如下，若擔心相容性，請確認背後標記為Arduino的晶片型號是否與本例相同；本例中使用模組在蝦米拍賣中購得。

https://i1.wp.com/henrysbench.capnfatz.com/wp-content/uploads/2015/10/YWRobot-LCM1602-I2C-V1-Pinouts.png

Datasheet下載：
PCF8574T: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8574_PCF8574A.pdf
LCD1602: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TC1602A-01T.pdf

動機

液晶顯示器是相當便宜且廣泛應用的簡易顯示器，但由於其太過廣泛被使用，市面上有相當多以不同晶片整合的模組販售，故常找不到正確的datasheet來了解如何驅動。

另外，整合式模組使用I2C通訊介面，僅需要2個GPIO腳位來傳輸訊號，相對於未模組化前的液晶顯示器，需要至少12支腳來進行8位元並列通訊(或8支腳來進行4位元通訊模式)，I2C介面具有節省GPIO腳位與可以同時和多個存在此IIC線路上的機器通訊的優點，故廣泛被使用，相當方便。

相較於Arduino方便的函式庫，使用8051更可學習如何寫程式驅動裝置。

說明

LCD本身僅接收並列訊號，而PCF8574T則是支援接收串列訊號並轉發成並列、或是收並列發串列，在本例中，我們主要利用8051送串列訊號給PCF8574T，並讓PCF8574T轉發成並列訊號至LCD模組。因此，我們必須先知道在LCM1602中，LCD是怎麼和PCF8574T連接的。

LCM1602結構圖：LCD與PCF8574T連接

由上圖可以看到，僅有D4-D7四支資料腳連接到PCF8574T，其餘的四支腳則是連接到LCD的控制腳RS/RW/E/BL，D0-D3經實測會永遠高電壓，並不具有功能，換言之，我們無法使用LCD預設的八支腳資料傳輸模式來下指令，只能用四支腳傳輸兩次來取代八支腳傳輸：

LCM1602, LCD1602 功能設定

知道LCD和PCF8574T是怎麼連接之後，也必須知道PCF8574T是怎麼理解上位機8051的串列指令、並把這些指令轉發到LCD去。
說來也不難，對於PCF8574T接收8051的指令，只有兩個格式：address和data。每個I2C網路上的裝置本身都有一個編號(address)，用來讓網路上所有的裝置知道現在上位機正在向誰(address)說話，又是說些什麼內容(data)。格式如下：

PCF8574T/PCF8574AT時序圖

藍色即是address，綠色是傳輸的資料，其中可以看到傳輸的資料依序是從高位的P7到低位的P0，對應到接線結構圖；傳完最後一位元的P0後，A訊號會讓PCF8574T的實體P7-P0腳依收到的指令改變狀態。圖上有一些狀態表達的訊號，一併說明：
1) S(START)：用來跟網路上的所有裝置宣告，上位機要開始下指令了。
2) R/W：請別和LCD上的R/W搞混，這是指上位機要對裝置下指令(R: READ)或是要求裝置傳資料回上位機(W: WRITE)以便知道裝置現在的狀態。
3) A(ACK)：接收方用來告訴傳送方「接收完成」的訊號。若是8051下指令給PCF8574T，接收方就是PCF8574T，傳送方就是8051，當8051傳完8位元的值後，PCF8574T會回覆ACK代表理解；若當8051下命令叫PCF8574T傳送資料回8051，接收方就變成了8051，收完8位元資料後必須告訴PCF8574T接收完成，ACK！

START與ACK訊號格式

START：在SCL訊號為1時將SDA訊號拉為0。
ACK：接收完第8位元資料後，下位裝置會強制把SDA的腳位拉低，此時上位機只要把SCL腳位升高再拉低，就代表上位機知道下位機收完資料。在寫程式的時候，當8051送完第8位元資料，就該將SDA腳位設成1去讀取SDA的狀態，若讀到0，代表是下位機在傳ACK，就再送一個先高後低的CLK訊號至SCL腳上，SCL就會從0被釋放。

***注意：當8051以SDA腳傳送各位元的值時，務必先拉低SCL、待SDA狀態變化完之後，再升高SCL。你可以想像成SCL從0變成1的瞬間是喚醒網路上的裝置來讀現在SDA上的值。若在SCL=1時任意改變SDA上的值，會造成錯誤，例如裝置會誤判成START/STOP指令而重新或停止接收命令。

如果I2C網路上只有一台裝置，例如本實例中僅有一台LCM1602，8051僅需要重覆傳送這裝置的編號(address)，預設編號值如下圖：

LCM1602中PCF8574T的預設位址

要留意，在本例中只讓8051下指令給裝置，並不會讓8051讀取裝置狀態值，故最後一位元的R/W=0即可，此時在時序圖上，LCM1602的藍色方框address就是0x4E。
而PCF8574AT的唯一的差別就是預設位址為0x7E，依datasheet上的說明如下：

接下來處理數據傳輸的問題，依LCD的datasheet指示，必須依照下方流程圖來初始化，在左側我們把它翻譯成8051對PCF8574T的指令：

為什麼上面的資料被標示成資料「組」(Set)呢？因為，按照LCD的datasheet說明，只要是寫入指令或資料至D7-D0，都必須照著時序圖一步一步送指令，這不是單一指令，而是多指令組合：

1) 先設定RS(指令/資料模式)和R/W(讀/寫模式)

2) 隔一個最小時間間隔後拉高E(E=1)喚醒LCD(由於此例中8051作動時間遠大於datasheet中的最小時間間隔需求，故可以忽略其影響)

3) 將欲傳送的數值上傳至D7-D0(8bits模式)或D7-D4(4bits模式)

4) E拉至0的瞬間，下緣觸發，LCD讀取D7-D0(或D7-D4)值

故Data Set 1至3必須照下方表格送出四個指令才能讓LCD讀到要求的D7-D4值

LCD	D7	D6	D5	D4	BL	E	RW	RS	Data
PCF8574T	P7	P6	P5	P4	P3	P2	P1	P0
Step 1	0	0	0	0	1	0	0	0	0x08
Step 2	0	0	0	0	1	1	0	0	0x0C
Step 3	0	0	1	1	1	1	0	0	0x3C
Step 4	0	0	1	1	1	0	0	0	0x38

請注意，在每一個Step之間，也就是每一筆8bits資料，都需有ACK訊號來宣告傳輸完成，為方便閱讀在這邊不標註出來；而每一個位元的傳輸，都得按照PCF8574T的datasheet中註明的格式：

本例中預設啟動背光，所以每一步的BL都是1；Data Set 4 只要依樣畫葫蘆改掉，使D4=0即可。

從Data Set 5的功能設定開始，LCD正式在4位元傳輸模式下工作，也就是說，8位元的資料必須分兩次傳，以Set5為例，流程修改如下：

LCD	D7	D6	D5	D4	BL	E	RW	RS	Data
PCF8574T	P7	P6	P5	P4	P3	P2	P1	P0
Step 1	0	0	0	0	1	0	0	0	0x08
Step 2	0	0	0	0	1	1	0	0	0x0C
Step 3	0	0	1	0	1	1	0	0	0x2C
Step 4	0	0	1	0	1	0	0	0	0x28
Step 5	0	0	0	0	1	1	0	0	0x0C
Step 6	1	0	0	0	1	1	0	0	0x8C
Step 7	1	0	0	0	1	0	0	0	0x88

第4步結束之後，直接重覆第2步至第4步一遍，上傳第二次的4bits數值，在此例中設定N=1且F=0。

流程搞清楚之後，就可以把所有在8bits傳輸下的數值轉化成上述的兩次4bits流程，只要把8bits的D7-D0資料拆成兩筆D7-D4填入第3、4、6、7步即可。Set 6的關閉螢幕、Set 7清除螢幕與Set 8的移動模式都請參照。

完成初始化之後，別忘了設定Display ON，如下圖所示

現在，可以開始顯示字元在LCD螢幕上了，你必須先設定DDRAM來告訴LCD你要在哪個位置(位址)顯示(不需要每次都設定位址，若你要顯示相鄰連續的字元，LCD會自動幫你加1移到下個位置)，具體位置與址址配置如datasheet所示：

想顯示什麼字元(流程相同，但記得把RS改成1變成下「資料」而不是上述那些「指令」)，請參考datasheet第15頁的代碼。也可以自創字元(請參照程式碼示範自設的歐元符號)。

程式碼

//LCM1602 + PCF8574T I2C 介面

#include "reg51.h"

sbit sda = P2^0;
sbit scl = P2^1;

#define SLAVE 0x4E //LCM1602位址定義

void delay(unsigned int dl)
{
 while (dl>0)
  dl--;
}

void start()
{
 scl = 1;
 delay(5);
 sda = 1;
 delay(5);
 sda = 0;
 delay(4);
}

void send_8bits(unsigned char strg)
{
 unsigned char sf;
 
 for (sf=0; sf<8; sf++)
 {
  scl = 0;
  sda =(bit)(strg & (0x80>>sf));
  delay(5);
  scl = 1;
  delay(4);
 }
 scl = 0;
 delay(5);
}

void ack(void)
{
 sda = 1; 
 
 if(sda == 0)
 {  
  scl = 1;
  delay(4);
  scl = 0;
  delay(5);
 }
}

void stop(void)
{
 sda = 0;
 scl = 1;
 delay(5);
 sda = 1;
}

void WriteInst4bits(unsigned char inst_4b)
{
 send_8bits(0x08);         //RS=0, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0C);         //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst_4b&0xF0)+0x0C); //送出D7-D4
 ack();
 send_8bits((inst_4b&0xF0)+0x08); //EN=0 讀四位元值
 ack();
}

void WriteInst(unsigned char inst)
{ 
 send_8bits(0x08);         //RS=0, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0C);         //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst&0xF0)+0x0C);   //高四位
 ack();
 send_8bits((inst&0xF0)+0x08);   //EN=0 讀高四位
 ack();
 
 send_8bits(0x0C);         //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst<<4)+0x0C);    //低四位
 ack();
 send_8bits((inst<<4)+0x08);    //EN=0 讀低四位
 ack();
} 

void WriteData(unsigned char data_)
{
 send_8bits(0x09);         //RS=1, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0D);         //EN=1
 ack();
 send_8bits((data_&0xF0)+0x0D);  //高四位
 ack();
 send_8bits((data_&0xF0)+0x09);  //EN=0 讀高四位
 ack();
 
 send_8bits(0x0D);         //EN=1
 ack();
 send_8bits((data_<<4)+0x0D);   //低四位
 ack();
 send_8bits((data_<<4)+0x09);   //EN=0 讀低四位
 ack();
} 

void WriteString(unsigned char count, unsigned char MSG[])
{
 unsigned char sf;
 unsigned char move = 0;
 
 for (sf=0; sf<count; sf++)
   WriteData(MSG[sf]);
}

void initial(void)
{
 delay(15000);
 
 start();
 send_8bits(SLAVE);  //傳送LCM1602位址
 ack();
 
 WriteInst4bits(0x30); //寫入0011至DB7-4
 
 delay(4100);
 
 WriteInst4bits(0x30); //寫入0011至DB7-4
 
 delay(100);

 WriteInst4bits(0x30); //寫入0011至DB7-4
 WriteInst4bits(0x20); //寫入0010至DB7-4
  
 WriteInst(0x28); //功能設定 function set, DL(DB4)=0(4位元傳輸), N(DB3)=1(2列顯示), F(DB2)=0(5*7解析度)
 WriteInst(0x08); //關閉螢幕 display off
 WriteInst(0x01); //清除螢幕 clear display
 WriteInst(0x06); //移動模式 entry mode
 WriteInst(0x0E); //開啟螢幕 display ON, D(DB2)=1(開), C(DB1)=1(游標開), B(DB0)=0(閃爍關)
}

void main()
{
 unsigned char Euro[] = {0x07, 0x08, 0x1F, 0x08, 0x1F, 0x08, 0x07, 0x00}; //歐元符號
 unsigned char MSG_1[] = "Start frm Garage";
 unsigned char MSG_2[] = {'I','t',' ','c','o','s','t','s',' ','1','7','9',',','8','9',0,' '};
 
 initial();
 
 WriteInst(0x40);  //設定CGRAM位址0x00給客製符號
 WriteString(sizeof(Euro), Euro); //寫入歐元符號
 
 WriteInst(0x80);  //設定DDRAM位址給顯示位置(第一行第一位)
 WriteString(sizeof(MSG_1)-1, MSG_1);
 
 WriteInst(0xC0);  //設定DDRAM位址給顯示位置(第二行第一位)
 WriteString(sizeof(MSG_2)-1, MSG_2);
 
 while(1);
}

結果

[8051] 以UART串列介面實現LCD顯示終端機輸入字元

目標

  
以8051收終端機輸入的字元並發送至液晶顯示器。

材料

  1. LCM1602 x1 (在此使用LCD1602整合PCF8574T模組、I2C介面)
  2. USB Hub x1 (與電腦UART通訊)
  3. Putty (終端機，免費軟體)

應用

  1. I2C(IIC)介面通訊使用
  2. Printf & Scanf debug介面、直接由終端機輸出/輸入觀察變數

功能說明

  由上位終端機(在此使用Putty)鍵入字元，透過UART介面傳送至8051，再由8051透過I2C介面傳送給LCD1602顯示鍵入字元。
  輸入第1-16字元顯示在第一列、第17-31字元顯示在第二列，最多同時顯示31字元，若超過時所有字元會往前移一位擠出第1位字元，且在第31字元顯示新輸入字元。

結果

設定

  依控制台 – 裝置管理員中的COM位址，並設定Baudrate(此以COM4 19200bps為例)

程式碼

//LCM1602 with PCF8574T IIC interface
//realize that LCD shows what PC inputs
//Baudrate 19200

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

sbit sda = P2^0;
sbit scl = P2^1;

#define SLAVE 0x4E //slave addr.

void delay(unsigned int dl)
{
 while (dl>0)
  dl--;
}

void start()
{
 scl = 1;
 delay(5);
 sda = 1;
 delay(5);
 sda = 0;
 delay(4);
}

void send_8bits(unsigned char strg)
{
 unsigned char sf;
 
 for (sf=0; sf<8; sf++)
 {
  scl = 0;
  sda =(bit)(strg & (0x80>>sf));
  delay(5);
  scl = 1;
  delay(4);
 }
 scl = 0;
 delay(5);
}

void ack(void)
{
 sda = 1; //read ack on sda
 
 if(sda == 0)
 {  
  scl = 1;
  delay(4);
  scl = 0;
  delay(5);
 }
}

void stop(void)
{
 sda = 0;
 scl = 1;
 delay(5);
 sda = 1;
}

void WriteInst4bits(unsigned char inst_4b)
{
 send_8bits(0x08);   //RS=0, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0C);   //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst_4b&0xF0)+0x0C); //inst 4bits
 ack();
 send_8bits((inst_4b&0xF0)+0x08); //EN=0, read this 4bits
 ack();
}

void WriteInst(unsigned char inst)
{ 
 send_8bits(0x08);   //RS=0, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0C);   //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst&0xF0)+0x0C); //MSB
 ack();
 send_8bits((inst&0xF0)+0x08); //EN=0, read MSB
 ack();
 
 send_8bits(0x0C);   //EN=1
 ack();
 send_8bits((inst<<4)+0x0C); //LSB
 ack();
 send_8bits((inst<<4)+0x08); //EN=0, read LSB
 ack();
} 

void WriteData(unsigned char data_)
{
 send_8bits(0x09);   //RS=1, RW=0
 ack();
 send_8bits(0x0D);   //EN=1
 ack();
 send_8bits((data_&0xF0)+0x0D); //MSB
 ack();
 send_8bits((data_&0xF0)+0x09); //EN=0, read MSB
 ack();
 
 send_8bits(0x0D);   //EN=1
 ack();
 send_8bits((data_<<4)+0x0D); //LSB
 ack();
 send_8bits((data_<<4)+0x09); //EN=0, read LSB
 ack();
} 

void WriteString(unsigned char count, unsigned char MSG[])
{
 unsigned char sf;
 
 WriteInst(0x80);   //set DDRAM addr.
 
 if (count <16)
 {
  for (sf=0; sf<count; sf++)
  WriteData(MSG[sf]); 
 }
 else
 {
  for (sf=0; sf<16; sf++)
   WriteData(MSG[sf]); 
 
  WriteInst(0xC0);  //set DDRAM addr.
 
  for (sf=16; sf<count; sf++)
   WriteData(MSG[sf]);
 }
}

void initial(void)
{
 delay(15000);
 
 start();
 send_8bits(SLAVE); //communicate to PCF8574T, request to read
 ack();
 
 WriteInst4bits(0x30); //write 0011 to DB7-4 for initialization
 
 delay(4100);
 
 WriteInst4bits(0x30); //write 0011 to DB7-4 for initialization
 
 delay(100);

 WriteInst4bits(0x30); //write 0011 to DB7-4 for initialization
 WriteInst4bits(0x20); //write 0010 to DB7-4 for initialization
  
 WriteInst(0x28); //function set, DL(DB4)=0(4bits), N(DB3)=1(2 lines), F(DB2)=0(5*7)
 WriteInst(0x08); //display OFF
 WriteInst(0x01); //clear
 WriteInst(0x06); //entry mode
 WriteInst(0x0F); //display ON, D(DB2)=1(disp. ON), C(DB1)=1(cursor ON), B(DB0)=0(blinking ON)
}

void init_uart(void)
{
 SCON = 0x50;  //SM0=0, SM1=1, Mode 1, REN=1
 TMOD = 0x20;  //Timer_1 work in mode 2 (auto_load)
 TCON = 0x40; //TR1=1, turn on timer_1 
 TH1 = 253;
 TI = 1;  //if it is not set to 1, then putchar will wait till 1, then works
 PCON |=0x80; //SMOD=1
}

void main()
{ 
 unsigned char k;
 unsigned char MSG[31];  //MSG contains 31 chars
 unsigned char MSG_count = 0;
 
 init_uart();
 initial();
 
 while(1)
 { 
  if (MSG_count <=30)
  {
   scanf("%c", &MSG[MSG_count]);
   MSG_count++;
  }
  else
  {
   for (k=0; k<30; k++)
    MSG[k] = MSG[k+1];
   
   scanf("%c", &MSG[30]);
  }
  WriteString(MSG_count, MSG);
 }
}

筆記

過程中碰到一些困難點：用scanf(%s,...)來實現此功能時預想以enter送字，但一直無法克服enter帶來的空白字元，改用getchar後沒有太大差別；最後發現用scanf(%c,...)可以更直觀地連續送字且不需要特別清除enter的字元。整理重點如下：

  1. 以getchar實現功能
      i. 在main的while無限迴圈中讀取RI=1後進入串列中斷，再以指令getchar()取得緩衝區內資料
      ii. Putty必須開啟Terminal – Local echo force on，否則無法看到自己輸入的字元
      iii. 必須自己寫清除結束字元(enter鍵、\n、0x0A)的判斷
  2. 以scanf(%c…)實現功能
      i. %c預設只讀入一個字元，故在Putty中不需以enter送出，可連續鍵入字元，鍵入字元後自動會被8051讀取
      ii. 注意，enter本身即為一個字元(0x0A)
 3. 以scanf(%s…)實現功能
      i. %s本身可一次讀取多字元的字串，且會以空白鍵當做字串間隔，意即空白鍵會結束該次scanf
      ii. enter是scanf(%s…)的結束字元，故若使用enter鍵送出字元，必須清除結束字元(\n、0x0A)