TP2 : Pilotage d'un écran LCD en mode utilisateur

Objectifs:

• Configuration des GPIOs pour le pilotage d'un périphérique
• Fonctionnement d'un écran LCD et fonctions de base
• Affichage du monitoring système

Pré-requis (Raspberry Pi):

• Outils de compilation croisée
• Configuration et utilisation des GPIO

Ressources:

• ​ LCD Display HD44780
• ​ Datasheet du HD44780
• ​ Adressage de la mémoire interne de l'afficheur

Prenez le temps de lire le document sur les afficheurs LCD HD44780 avant de commencer le TP.

Modalités d'évaluation:

• Vous devez rendre un compte rendu au format PDF exclusivement de maximum 2 pages et structuré de la manière suivante:
  • Introduction: quel problème vous devez résoudre; en d'autres mots quelles sont les fonctionnalités à implémenter.
  • Le fonctionnement de principe: quelle solution avez vous choisi, quels sont vos choix techniques.
  • Implémentation et résultats: vos observations, quels problèmes avez-vous rencontrez et comment les avez-vous résolus.
  • Conclusion
• Vous devez également rendre votre code sous la forme d'une archive tar.gz; le nom de fichier est formatté comme suit: nom1_nom2.tar.gz (binôme) nom1_nom2_nom3.tar.gz (trinôme). Faites attention, la qualité de code (indentation, structure, nom des fonctions et variables...) sont également notés.

1. Configuration des GPIO pour le pilotage de l'écran

Pour commencer le TP, copier le contenu du répertoire /users/enseig/jpeeters/m1.peri/lab2 dans votre répertoire de travail.

$ cp -r /users/enseig/jpeeters/m1.peri/lab2 ~/peri/lab2 

Comme vous pouvez le voir dans le document ci-joint, un écran LCD de type HD44780 dispose de plusieurs signaux de contrôle et de données. Les signaux de contrôle sont au nombre de 3: RS, RW et EN. Les signaux de données sont au nombre de 4 ou 8 suivant le mode.

Dans ce TP, nous utiliserons l'écran en mode 4-bit car la carte Raspberry Pi dispose d'un nombre limité de GPIO. De plus, le signal RW sera connecté directement à la masse car nous allons gérer que les opérations d'écriture (Note: les GPIO ne supporte pas les niveaux de tension 0-5V émis par l'afficheur).

Les signaux de contrôle RS et EN sont utilisés de la manière suivante:

• RS vaut 0 pour l'envoi d'une donnée (e.g. un caractère) et vaut 1 pour l'envoi d'une commande.
• EN correspond à l'horloge; la valeur sur le bus de données (4 bits) est pris en compte à chaque front descendant de ce signal.

Voici le mapping des GPIO pour les différents signaux:

-----------------+---------------+
|   Signal LCD   |     GPIO      |
-----------------+---------------+
| RS             | 18            |
| EN             | 23            |
| D0, D1, D2, D3 | 4, 17, 27, 22 |
+----------------+---------------+

Pour le contrôle des GPIO on utilisera la librairie libgpio fournie lors du précédent TP.

Questions:

• Comment faut-il configurer les GPIOs pour les différents signaux de l'afficheur LCD ?
• Quelle valeur faut-il configurer comme valeur d'initialisation pour les différents signaux ?
• Pouvez-vous donner, en résumé, les étapes clés pour l'initialisation des GPIO en mode utilisateur ?

2. Fonctionnement de l'écran et fonctions de base

La prise en compte de la valeur présente sur le bus de 4 bits n'est effective que lors d'un front descendant du signal EN. Pour créer un front descendant, il vous faut garder le signal EN à 1 pendant une demi période et le remettre à 0 pendant une demi période supplémentaire. Une période de 100 us parait être une bonne valeur pour la période.

Question:

• Ecrire une fonction lcd_strobe qui permet de générer un front descendant

Nous utilisons l'afficheur LCD en mode 4 bits. Or, les commandes et les données sont transmises sur 8 bits ou 1 octet. Ainsi, toutes les commandes et toutes les données sont transmises en deux étapes: les 4 bits de poids fort et ensuite les 4 bits de poids faible.

Question:

• Ecrire une fonction lcd_write_4bit_value qui envoie une valeur de 4 bits sur le bus de l'afficheur LCD.
• Ecrire une fonction lcd_write_value qui envoie une valeur de 8 bits sur le bus de l'afficheur LCD en utilisant la fonction lcd_write_4bit_value.

Note: n'oubliez pas qu'une valeur sur le bus n'est pris en compte que lors d'un front descendant du signal EN.

Nous avons maintenant les fonctions de base pour commander l'afficheur LCD. Il ne manque plus qu'a distinguer l'envoi de commandes et l'envoi de données. C'est le signal RS qui gère cela. Référez-vous à la documentation.

Questions:

• Ecrire une fonction lcd_send_4bit_cmd qui envoie une commande sur 4 bits à l'afficheur LCD.
• Ecrire une fonction lcd_send_cmd qui envoie une commande sur 8 bits à l'afficheur LCD.
• Ecrire une fonction lcd_send_data qui envoie une donnée sur 8 bits à l'afficheur LCD.

Nous avons toutes les fonctions dont nous avons besoin. Maintenant regardons d'un peu plus près la phase d'initialisation de l'afficheur LCD. Au démarrage, l'afficheur est dans un mode non défini (8 bits ou 4 bits). Il faut donc le forcer en mode 4 bits.

Question:

• Ecrire une fonction lcd_init qui réalise la séquence d'initialisation suivante. Vérifiez sont fonctionnement sur une carte Raspberry Pi.

/* 8-bit mode */
1. Fonction 8-bit (4 MSB bits), wait 50 us
1. Fonction 8-bit (4 MSB bits), wait 50 us
1. Fonction 8-bit (4 MSB bits), wait 50 us
/* 4-bit mode */
1. Fonction 4-bit (4 MSB bits), wait 50 us
/* 2 rows */
1. Fonction with 2 lines, wait
/* Activate display */
1. Display control with display on, wait
/* Increment cursor on read/write operation */
1. Entry mode with forward cursor, wait
/* Cursor move on the display */
1. Cursor/display shift right, wait
/* Clear */
1. Clear display

• Rajouter à la fonction lcd_init les étapes supplémentaires qui initialise les GPIOs.
• Ecrire la fonction lcd_deinit qui vide la mémoire de l'afficheur (i.e. clear) et déinitialise les GPIOs.

Vous êtes prêt à tester votre code et vérifier qu'il affiche correctement une chaine de caractère.

Question:

• Ecrivez un programme qui affiche la chaine de caractère "Hello World!" sur l'afficheur. Vérifiez son fonctionnement sur une carte Raspberry Pi.

Il peut être utile de manipuler la position du curseur pour choisir où placer les caractères sur l'afficheur.

Pour cela, l'afficheur dispose de trois instructions: Cursor home, Display clear et Set DDRAM address. La dernière instruction est relative à la mémoire interne de l'afficheur (Display Data RAM).

La mémoire DDRAM est construite de la manière suivante:

0x00 ..... Ligne 1 ..... 0x13 0x14 ..... Ligne 3 ..... 0x27
0x40 ..... Ligne 2 ..... 0x53 0x54 ..... Ligne 4 ..... 0x67

Questions:

• Ecrire une fonction lcd_clear_display qui vide la mémoire de l'afficheur et place le pointeur d'adresse à 0.
• Ecrire une fonction lcd_home qui replace le pointeur d'adresse à 0.
• Ecrire une fonction lcd_set_cursor qui positionne le curseur aux coordonnées (x,y) avec x la colonne, y la ligne.
• Ecrivez un programme qui affiche "Hello World!" sur chacun des lignes de l'afficheur.

3. Affichage du monitoring système

Maintenant que vous disposer de tous les éléments pour contrôler l'afficheur LCD. Nous allons monitorer le système grâce au fichier /proc/loadavg dont le contenu est décrit comme:

The first three fields in this file are load average figures giving the number of jobs in the run queue (state R) or
waiting for disk I/O (state D) averaged over  1,  5, and 15 minutes.  They are the same as the load average numbers
given by uptime(1) and other programs.  The fourth field consists of two numbers separated by a slash (/). The first
of these is the number of currently runnable kernel scheduling entities (processes, threads).  The value after the
slash is the  number  of  kernel  scheduling entities that currently exist on the system.  The fifth field is the PID
of the process that was most recently created on the system.

Question:

• Ecrivez un programme qui lit le contenu du fichier /proc/loadavg et qui affiche son contenu sur l'afficheur avec une fréquence d'actualisation de 1 seconde.

Bonus:

• Parser le contenu du fichier /proc/loadavg pour afficher des valeurs plus facilement compréhensibles.