BS21 Lab の製品 - Arduino 用カナ LCD シールド - カナ LCD ライブラリの解説

1/aug/2014 新規
1/aug/2014 更新

カナ LCD ライブラリの解説です。
基本的には LiquidCrystal ライブラリと互換になるようにしていますが、一部、違いがあります。

サポートしている画面サイズ
ユーザー定義文字
ワイド文字列とは
サポートしている機能

・サポートしている画面サイズ

対応している画面は、１行、２行、４行のタイプのみです。

制御 IC である HD44780 （以下、互換 IC も含む）は、液晶モジュールの表示画面サイズとは無関係に、内部に 80 文字分の DDRAM メモリを持っています。ただし、80 文字全部を一度に表示できるのは 20桁×４行の画面サイズのみで、それ以外では、80 文字は一気に表示できず、スクロールさせる必要があります。

＜１行のタイプ＞
本シールドの裏面の SJ2 をショート(short)させておく必要が有ります。
１行のタイプは、常に 80桁×１行になります。ただし、実際に表示されるのは、80桁中の一部分のみです。残りの桁は、左右にスクロールさせなければ見えませんので、注意して下さい。なお、80桁目と1桁目は繋がっているので、ループします。（ただし、実機を持っていないので確認していません）
例えば、液晶の表示画面サイズが８文字×１行の時は、以下の様になります。

以下の begin 関数では、rows に 1 を指定してください。cols の指定は無視され、常に 80 として扱われます。
液晶画面の表示可能文字数に関わらず、常に 80桁まで文字が DDRAM メモリに書き込まれます。80桁目を超えると、自動的に 1桁目に戻ります。\r, \n でも1桁目に戻ります。

また、１行タイプのみ、フォントサイズが 5x8ドットのタイプと、5x10ドットのタイプの２種類があります。当然ながら、液晶モジュール自体が、そのフォントサイズに対応している必要があります（5x10ドットのタイプの液晶なら 5x8ドットのフォントも対応可能だが、逆は無理）。 5x10ドットの場合、SJ1 と SJ2 の両方をショート(short)させます。5x8ドットの場合は、SJ2 のみショート(short)させてください。

フォントサイズ	対応する文字	SJ1 の扱い	コメント
5x8ドット	185 文字(5x8ドット)＋ユーザー定義の8文字	SJ1 はオープン(open)	5x10ドットのフォントは、下部が切れて表示されてしまいます。
5x10ドット	g,j,p,q,y の５文字＋185 文字(5x8ドット)＋ユーザー定義の４文字	SJ1 はショート(short)	※実際には液晶部は 5x11 ドット分あるが、一番下のラインはカーソル表示専用の模様（実機がないので未確認）

＜２行のタイプ＞
本シールドの裏面の SJ2 をオープン(open)させておく必要が有ります。SJ1 の設定は無視されます。
２行のタイプは、常に 40桁×２行になります。ただし、実際に表示されるのは、40桁中の一部分のみです。例えば、SD1602H ならば、16桁×２行のみの表示です。残りの桁は、左右にスクロールさせなければ見えませんので、注意して下さい。なお、40桁目と1桁目は繋がっているので、ループします。
例えば、液晶の表示画面サイズが８文字×２行の時は、以下の様になります。

以下の begin 関数では、rows に 2 を指定してください。cols の指定は無視され、常に 40 として扱われます。
液晶画面の表示可能文字数に関わらず、２行とも常に 40桁まで文字が DDRAM メモリに書き込まれます。１行目の 40桁目を超えると、自動的に２行目の 1桁目に移動します。２行目の 40桁目を超えると、自動的に１行目の 1桁目に戻ります。\r でその行の 1桁目に戻ります。\n で次の行の 1桁目に移動します。
また、フォントサイズは 5x8ドットのみです。HD44780 の仕様の制約で、5x10ドットは選べれません。

＜４行のタイプ＞
本シールドの裏面の SJ2 をオープン(open)させておく必要が有ります。SJ1 の設定は無視されます。
４行のタイプは、8桁×４行、10桁×４行、16桁×４行、20桁×４行、の４種類のみの対応です。（ただし、実機確認したのは 20桁×４行のみです）
以下の begin 関数では、rows に 4 を指定してください。cols には 8, 10, 16, 20 のいずれかを指定してください。
また、フォントサイズは 5x8ドットのみです。HD44780 の仕様の制約で、5x10ドットは選べれません。

４行のタイプでも内部的には 40桁×２行の扱いとなっており、液晶側のトリックにより、４行であるかの様な細工がなされています。
例えば、液晶の表示画面サイズが８文字×４行の時は、以下の様になります。

３行目は、実際は１行目の８桁目以降が表示されています。同様に４行目は、実際は２行目の８桁目以降が表示されています。（16文字×２行の液晶を真ん中で切断して、右半分を下側に移動させた感じです。）
残りの部分も DDRAM メモリ的には存在するので、表示させようと思えば出来なくもないのですが、上記の表示トリックのせいで、スクロール時の挙動が、見かけ上、直感に反する変な挙動になります。（実際は、８文字×４行の液晶としてではなく、16文字×２行の液晶として見れば、至極真っ当なスクロールの挙動をしています）

余りにも挙動が複雑すぎるので、本シールドでは、４行モードの時のスクロールの対応は断念しました。
begin 関数で指定した cols の値に従って、自動的に改行処理が行われます。各行とも常に cols 桁まで文字が DDRAM メモリに書き込まれます。 cols 桁目を超えると、自動的に次の行の 1桁目に移動します。４行目の cols 桁目を超えると、自動的に１行目の 1桁目に戻ります。\r でその行の 1桁目に戻ります。\n で次の行の 1桁目に移動します。
（この結果、cols×4 だけのDDRAM メモリしか使用しない事になりました。残りの DDRAM メモリは、存在はしてますが、一切使用されません）

なお、40桁×４行の物には対応していませんので注意して下さい。これは、ハード的に HD44780 が２個入っている為です。本シールドで操作するのは常に１個だけなので、どちらか片方のみ、つまり40桁×２行としてしか操作できません。残り２行は何も表示されません。(それ以前にキャラLCD 接続のピン数が足らない)
本シールド２台あれば出来そうな気がするかもしれませんが、DB0～DB7, RS の信号がバッティングするので、別途、selector (74157など) が 9bit 分、必要になると思います（試していません）。

・ユーザー定義文字

ユーザー定義文字は、８文字分あります。ただし、フォントサイズが 5x10ドットの時は、半分の４文字分になります。

本シールド電源 ON 直後は、日,月,火,水,木,金,土,♥(ハート記号) が設定されています。
createChar 関数を使って、ユーザーが自由に変更できます。（再度 begin 関数を呼び出すと、日,月,火,水,木,金,土,♥(ハート記号) に戻るので要注意）

ユーザー定義文字は、全角文字の'１'～'８'か'①'～'⑧'を指定すれば、表示させる事ができます。

・ワイド文字列とは

Arduino IDE では、通常の文字列（"～"と書かれている物）とは別に、ワイド文字列（L"～"と書かれている物）というのが存在します。
通常の文字列では、ASCII は１文字１バイトですが、日本語（半角カナも含む）は１文字３バイトと、メモリ効率が悪くなります。一方、ワイド文字列の場合、ASCII・ひらがな・カタカナ・カナに関係なく、１文字２バイトになります。この為、ASCII 文字が少なく、和文が多い文章では、ワイド文字列にした方がメモリ効率が良くなります。

ただし、Arduino IDE は、ワイド文字に対応した文字列操作関数を全くサポートしていませんので、単純に「カナ LCD シールド」に表示させる以上の事をさせようとすると、プログラム作成時に大きな制約を受けてしまいます。
この問題ですが、「カナ LCD ライブラリ」には、ワイド文字列⇒通常の文字列に変換するサポート関数（convertWCharToChar）が有りますので、これで回避してください。

また、「通常の文字列」と「ワイド文字列」の区別とは別次元で、「SRAM 上の文字列」と「プログラムメモリ上の文字列」の２種類が存在します。前者は SRAM 上に配置され、プログラムで自由に文字列の内容を変更できますが、後者は Arduino に書き込んだ後は変更できない（固定された）データとなります。この為、組み合わせ的には、以下の４種類の文字列が存在します。

	SRAM 上の文字列 (書き換え可能)	プログラムメモリ上の文字列 (書き換え不可能)
通常の文字列	char str[ ] = "カタカナ"; ※ SRAM を13バイト占有	PROGMEM prog_char pstr[ ] = "カタカナ"; ※プログラムメモリを13バイト占有
ワイド文字列	wchar_t wstr[ ] = L"カタカナ"; ※ SRAM を10バイト占有	PROGMEM prog_wchar pwstr[ ] = L"カタカナ"; ※プログラムメモリを10バイト占有

「カナ LCD ライブラリ」でも、これら４種類の文字列に対応するように、４種類の print 関数が存在しますので、適宜、使い分けが必要となります。

	SRAM 上の文字列	プログラムメモリ上の文字列
通常の文字列	print (str)	print_P (pstr)
ワイド文字列	wprint (wstr)	wprint_P (pwstr)

ややこしいですねぇ。まあ、そんなに大量の文章を扱う訳で無い場合は、何も考えずに、SRAM 上の通常の文字列である char 配列を使っておけば、これらの問題は気にしなくても OK です。

・サポートしている機能

「カナ LCD ライブラリ」のサポートしている機能を、以下に列挙します。

定数

定義	値	コメント
KANALCD_MAX_CHARDEFS	8	ユーザー定義文字の最大値
KANALCD_MAX_ENCODING	6	サポートしている符号化方式の数
KANALCD_UTF16_BOM	L'\uFEFF'	Byte Order Mark

符号化方式

定義	値	コメント
KANALCD_ENC_UTF8	0	UTF-8 方式 : default
KANALCD_ENC_UTF16	1	UTF-16 方式 (BOM 自動判別) ※最初に KANALCD_UTF16_BOM を送信する必要あり
KANALCD_ENC_UTF16BE	2	UTF-16 方式 (Big Endian 固定)
KANALCD_ENC_UTF16LE	3	UTF-16 方式 (Little Endian 固定)
KANALCD_ENC_SJIS	4	シフトJIS 方式
KANALCD_ENC_EUC_JP	5	EUC-JP 方式

画面モード：begin 関数の cols, rows で設定し、getScreenMode 関数で取得する

定義	値	コメント
KANALCD_SM_80x1	0x00	80桁×1行, フォント5x8 ※本シールド裏面の SJ2 がショート、SJ1 がオープンの時は、強制的にこのモードになる
KANALCD_SM_80x1L	0x10	80桁×1行, フォント5x10 ※本シールド裏面の SJ2 がショート、SJ1 もショートの時は、強制的にこのモードになる
KANALCD_SM_40x2	0x20	40桁×2行, フォント5x8
KANALCD_SM_8x4	0x30	8桁×4行, フォント5x8
KANALCD_SM_10x4	0x40	10桁×4行, フォント5x8
KANALCD_SM_16x4	0x50	16桁×4行, フォント5x8
KANALCD_SM_20x4	0x60	20桁×4行, フォント5x8

エラーコード ※1～4 は Wire ライブラリのエラーコードです

定義	値	コメント
KANALCD_ERR_NONE	0	正常
KANALCD_ERR_TWI_BUFF_FULL	1	Wire ライブラリの送信バッファが一杯
KANALCD_ERR_TWI_ADDR_NACK	2	TWI アドレス送信で NACK が返ってきた
KANALCD_ERR_TWI_DATA_NACK	3	TWI データ送信で NACK が返ってきた
KANALCD_ERR_TWI_OTHER_ERR	4	Wire ライブラリのその他のエラー
KANALCD_ERR_BUSY	0xF0	カナ LCD シールドが Busy なので、要求を処理できない
KANALCD_ERR_TIME_OUT	0xF1	カナ LCD シールドとの通信がタイムアウトした
KANALCD_ERR_INVALID_PARAM	0xFB	引数が不正
KANALCD_ERR_UNK_CMD	0xFC	カナ LCD シールドでサポートしていないコマンド
KANALCD_ERR_NOT_INIT	0xFD	初期化されていない
KANALCD_ERR_UNKNOWN	0xFF	原因不明のエラーが発生した

typedef 定義

定義	型	コメント
errCode_t	uint8_t	エラーコード。KANALCD_ERR_xxx のいずれか。 ※ただの uint8_t と記述するよりも errCode_t と記述した方が、意味が明確になるから。
prog_char	char PROGMEM	プログラムメモリ上の文字 ※実際は avr/pgmspace.h で定義されています
prog_wchar	wchar_t PROGMEM	プログラムメモリ上のワイド文字 ※avr/pgmspace.h で定義されている prog_char のワイド文字版

#define 定義

定義名	定義内容	コメント
PSTR(s)	(__extension__({static const char __c[ ] PROGMEM = (s); &__c[0];}))	プログラムメモリ上の文字列 ※実際は avr/pgmspace.h で定義されています。 C++ の標準仕様ではなく Arduino IDE の拡張機能 kanalcd.print(PSTR("文字列")); という風に使用します
PWSTR(s)	(__extension__({static const wchar_t __c[ ] PROGMEM = (s); &__c[0];}))	プログラムメモリ上のワイド文字列 ※avr/pgmspace.h の PSTR 定義のワイド文字版 C++ の標準仕様ではなく Arduino IDE の拡張機能 kanalcd.wprint(PWSTR(L"文字列")); という風に使用します

KanaLCD クラスの public メンバー関数 ※ 互換＝"変更" は LiquidCrystal ライブラリと違いがある関数。互換＝"追加" は LiquidCrystal ライブラリには無い関数。

関数名	互換	戻り値	パラメータ	コメント
KanaLCD	変更	無し	uint8_t twiAddr	コンストラクタ：カナ LCD シールドの TWI(i2c) アドレス値を指定する
~KanaLCD		無し	無し	デストラクタ：現 Vesion では、特に何もしません
begin	変更	errCode_t	uint8_t cols, uint8_t rows, uint8_t enc = KANALCD_ENC_UTF8, uint8_t waitTime = 80	カナ LCD シールドを初期化する。cols と rows は上記を参照。正常に実行された場合は、画面クリア、カーソルと画面スクロールをホーム位置、進行方向:左から右、自動スクロールOFF、LCD 表示、カーソル非点滅、カーソル非表示、バックライト・ソフトOFF になる。注意：カナ LCD シールドは電源ONした直後、80ms ほど待たないと TWI 通信が開始できない。waitTime はその待ち時間(ミリ秒)。デフォルト値は 80 だが、この関数を呼び出す前に、別の処理で例えば 20ms 待っていれば、その分を差っ引いた 60 にしても構わない。
end		errCode_t	無し	終了処理。通常呼び出す事は無いでしょう
clear		errCode_t	無し	画面をクリアし、カーソルと画面スクロールをホーム位置にする ※処理に約 1.72ms かかります
home		errCode_t	無し	画面はそのままで、カーソルと画面スクロールをホーム位置にする ※処理に約 1.72ms かかります
setCursor		errCode_t	uint8_t col, uint8_t row	カーソル位置を設定: col=0～79, row=0～3 の範囲で指定（実際は上記制約有り）
setEncoding	追加	errCode_t	uint8_t enc	カナ LCD シールドの符号化方式を変更する。何時でも変更できます。 KANALCD_ENC_xxx のいずれかを指定します。範囲外の値を指定した時は KANALCD_ERR_INVALID_PARAM エラーを返します。
noBlink		errCode_t	無し	カーソル位置の文字を点滅させない
blink		errCode_t	無し	カーソル位置の文字を点滅させる
noCursor		errCode_t	無し	カーソルを表示させない
cursor		errCode_t	無し	カーソルを表示させる
noDisplay		errCode_t	無し	LCD を表示させない
display		errCode_t	無し	LCD を表示させる
noBacklight		errCode_t	無し	LCD バックライトを OFF させる ※シールド上の DIPSW3 で、バックライト強制 ON モードにしている場合は、当コマンドに関係無く、バックライト ON されます
backlight		errCode_t	無し	LCD バックライトを ON させる ※シールド上の DIPSW3 で、バックライト強制 ON モードにしている場合は、当コマンドに関係無く、バックライト ON されます
scrollDisplayLeft		errCode_t	無し	表示内容は変更せずに、画面表示を１文字分だけ左スクロールさせる
scrollDisplayRight		errCode_t	無し	表示内容は変更せずに、画面表示を１文字分だけ右スクロールさせる
moveCursorLeft	追加	errCode_t	無し	表示内容は変更せずに、カーソルを１文字分だけ左移動させる
moveCursorRight	追加	errCode_t	無し	表示内容は変更せずに、カーソルを１文字分だけ右移動させる
leftToRight		errCode_t	無し	左から右へカーソルが進む：デフォルト
rightToLeft		errCode_t	無し	右から左へカーソルが進む
autoscroll		errCode_t	無し	自動スクロールさせる
noAutoscroll		errCode_t	無し	自動スクロールさせない：デフォルト
createChar		errCode_t	uint8_t index, const uint8_t font_data[8]	ユーザー定義文字フォント(5x8dots)を設定: index=0～7 の範囲
print		size_t	const __FlashStringHelper * ifsh	プログラムメモリ上の文字列を表示する？ ※__FlashStringHelper を調べてみたのですが、これといった説明が見つかりませんでした。詳細不明です。
print		size_t	const String & s	s を表示する
print		size_t	const char str[ ]	str を表示する
print		size_t	char c	c を表示する
print		size_t	unsigned char b, int base = DEC	b を base に従って表示する
print		size_t	int n, int base = DEC	n を base に従って表示する
print		size_t	unsigned int n, int base = DEC	n を base に従って表示する
print		size_t	long n, int base = DEC	n を base に従って表示する
print		size_t	unsigned long n, int base = DEC	n を base に従って表示する
print		size_t	double n, int digits = 2	n を digits の桁で表示する？
print		size_t	const Printable & x	Printable 派生クラスの printTo メンバー関数を呼び出す
println		size_t	無し	改行だけする
println		size_t	const __FlashStringHelper * ifsh	プログラムメモリ上の文字列を表示する？＋改行処理 ※__FlashStringHelper を調べてみたのですが、これといった説明が見つかりませんでした。詳細不明です。
println		size_t	const String & s	s を表示する＋改行処理
println		size_t	const char str[ ]	str を表示する＋改行処理
println		size_t	char c	c を表示する＋改行処理
println		size_t	unsigned char b, int base = DEC	b を base に従って表示する＋改行処理
println		size_t	int n, int base = DEC	n を base に従って表示する＋改行処理
println		size_t	unsigned int n, int base = DEC	n を base に従って表示する＋改行処理
println		size_t	long n, int base = DEC	n を base に従って表示する＋改行処理
println		size_t	unsigned long n, int base = DEC	n を base に従って表示する＋改行処理
println		size_t	double n, int digits = 2	n を digits の桁で表示する？＋改行処理
println		size_t	const Printable & x	Printable 派生クラスの printTo メンバー関数を呼び出す＋改行処理
print_P		size_t	const prog_char * pstr	プログラムメモリ上の文字列を表示する
wprint		size_t	wchar_t wch	ワイド文字(UTF-16)を１文字表示する
wprint		size_t	const wchar_t * wstr	SRAM 上のワイド文字列(UTF-16)を表示する
wprint_P		size_t	const prog_wchar * pwstr	プログラムメモリ上のワイド文字列(UTF-16)を表示する
write		size_t	...	print 関数から呼び出されます。通常、ユーザーが直接呼び出す事はありません
write_P		size_t	...	print_P 関数から呼び出されます。通常、ユーザーが直接呼び出す事はありません
getStatus	追加	errCode_t	無し	カナ LCD シールドの現在の状態を取得する ※カナ LCD シールドが Busy の場合、取得せずに KANALCD_ERR_BUSY エラーを返します
getCursorCol	追加	uint8_t	無し	現在のカーソル Col 位置 : 0～79 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getCursorRow	追加	uint8_t	無し	現在のカーソル Row 位置 : 0～3 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getScreenMode	追加	uint8_t	無し	現在の画面モードの状態 : KANALCD_SM_xxx のいずれかの値 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getEncoding	追加	uint8_t	無し	現在の符号化方式の状態 : KANALCD_ENC_xxx のいずれかの値 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getLackedCode	追加	uint8_t	無し	文字コード欠乏状態：0=充足中, 1=欠乏中 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getBlink	追加	uint8_t	無し	現在の点滅の状態 : 0=OFF, 1=ON ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getCursor	追加	uint8_t	無し	現在のカーソル表示の状態 : 0=OFF, 1=ON ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getDisplay	追加	uint8_t	無し	現在の LCD 表示の状態 : 0=OFF, 1=ON ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getCursorDir	追加	uint8_t	無し	現在のカーソル進行方向の状態 : 0=RtoL(右から左), 1=LtoR(左から右) ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getAutoScroll	追加	uint8_t	無し	現在の自動スクロールの状態 : 0=OFF, 1=ON ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getError	追加	uint8_t	無し	現在のカナ LCD シールドのエラーコード : KANALCD_ERR_xxx のいずれかの値 ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getLeftSW	追加	uint8_t	無し	現在の左スイッチの状態 : 0=OFF, 1=ON ※約10ms間隔で更新されるので、それよりも短い間隔で読み出しても、同じ値しか読み出せません ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getRightSW	追加	uint8_t	無し	現在の右スイッチの状態 : 0=OFF, 1=ON ※約10ms間隔で更新されるので、それよりも短い間隔で読み出しても、同じ値しか読み出せません ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getBacklight	追加	uint8_t	無し	現在のバックライトの状態 : 0=OFF, 1=ON ※直前に getStatus 関数を呼び出し、KANALCD_ERR_NONE が返ってきたのを確認してから、呼び出してください
getKlcdType	追加	uint8_t	無し	カナ LCD シールドのタイプ: 常に "BS21LAB-015" を意味する 0x0F が返される
getFirmVer	追加	uint8_t	無し	カナ LCD シールドのファームウェアの Version 番号 (例: v1.2 の時は 0x12 になる)

KanaLCD クラスの public メンバー変数

変数名	型	コメント
res	uint8_t	print 関数等でエラー発生時の詳細を知る為に使用できます

グローバル関数
文字コード変換サービス関数
Arduino IDE には、ワイド文字(UTF-16)に対応した文字列操作関数が存在しないので、これらのサービス関数にて、ワイド文字列から通常の文字列(UTF-8)に変換してから、文字列操作すると良いでしょう。
buffer は、変換後の UTF-8 文字列を格納するのに十分なサイズである必要があります。だいたい UTF-16 文字列の総バイト数の1.5倍＋αが目安です。
注意：バッファあふれのチェックはしていませんので、注意してください。

関数名	戻り値	パラメータ	コメント
convertWCharToChar	size_t	char * buffer, const wchar_t * wstr	SRAM 上の UTF-16 文字列 wstr を、UTF-8 文字列 buffer に変換します。変換後のバイト数を返します。
convertWCharToChar_P	size_t	char * buffer, const prog_wchar * pwstr	プログラムメモリ上の UTF-16 文字列 pwstr を、UTF-8 文字列 buffer に変換します。変換後のバイト数を返します。

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