เปลี่ยนจอ TFT 3.5 นิ้ว สื่อสารแบบขนานให้เป็น SPI ด้วย 74HC595 เพื่อใช้กับ ESP32

จอแสดงผลแบบสี หรือจอที่เรามักจะเรียกกันติดปากว่า "จอ LCD" นั้น หากมองในมุมมองของผู้ใช้แล้ว การเลือกใช้จอนั้นสามารถเลือกได้หลากหลาย ทั้งขนาดที่มีให้เลือกตั้งแต่ขนาดเล็ก ๆ 5 นิ้ว 7 นิ้ว 10 นิ้ว ไปจนถึงจอใหญ่ ๆ ระดับ 50 นิ้วขึ้นไป รวมทั้งยี่ห้อ พอร์ตการเชื่อมต่อ ฟีเจอร์เสริมต่าง ๆ สามารถเลือกได้อิสระ ตามกำลังทรัพย์ และความต้องการของแต่ละคนเอง

แต่หากมองในมุมมองของนักพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวแล้ว จะพบว่าการเลือกจอมาใช้งานค่อนข้างที่จะลำบากมาก ๆ เนื่องจากจอขนาดมาตรฐานทั่วไป หาได้ยาก และมีตัวเลือกไม่มากนักในงานระบบสมองกลฝังตัว ขนาดมาตรฐานที่ขายกันอยู่นั้นมักจะมีขนาดที่เล็ก เช่น 0.96 นิ้ว (OLED) 1.8 นิ้ว 2.0 นิ้ว 2.2 นิ้ว 2.8 นิ้ว เป็นต้น รวมทั้งมักมีให้เลือกเพียงรูปแบบเดียว หรือเพียงสองรูปแบบเท่านั้น ดังนั้นราคา ฟีเจอร์ ลักษณะการต่อใช้งานจึงจำกัดอยู่ที่ตัวอุปกรณ์ ซึ่งผู้พัฒนามีหน้าที่ ที่จะนำอุปกรณ์เหล่านั้นมาปรับแก้ให้เหมาะสมกับงานนั้น ๆ ด้วยตัวเอง

บทความนี้เกิดจากผู้เขียนมองเห็นถึงปัญหาการนำจอ TFT LCD ของ Arduino Uno R3 มาใช้ร่วม ESP32 แล้วทำให้ ESP32 นั้นไม่เหลือขาใช้งานสำหรับต่อเซ็นเซอร์ หรืออุปกรณ์อื่น ๆ เลย ทำให้ผู้เขียนหาข้อมูลเกี่ยวกับการลดจำนวนขาจอ LCD ให้น้อยลง เพื่อให้การเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่ยุ่งยาก และมีขา GPIO เหลือไปต่อให้อุปกรณ์อื่น ๆ ต่อไป

ผู้เขียนพบว่า การลดจำนวนขาจอแสดงผล หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ที่ใช้สายจำนวนมาก และใช้การเชื่อมต่อแบบขนาน มักเลือกที่จะแปลงให้เป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรมแทน จะทำให้ลดจำนวนสายลงไปได้ แต่อาจแลกมาด้วยความเร็วที่ต่ำลง การแปลงให้เป็นการเชื่อมต่ออนุกรมมักเลือกใช้บัสอยู่ 2 ประเภท คือ SPI และ I2C

อนุกรม -> SPI

SPI ถือเป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรมที่นิยมใช้งานมากสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความเร็วสูง หรือถ่ายโอนข้อมูลปริมาณมาก เพราะ SPI มีขา DATA-IN DATA-OUT ชัดเจน (MOSI : Master-Out Slave-In, MISO : Master-In Slave-Out) และการรับ-ส่งข้อมูลมักมีความผิดพลาดน้อยและกำหนดความเร็วได้ เพราะมีขา SCK คอยบอกปลายทางเป็นตัวบอกจังหวะระหว่างกัน (เรียกว่าการสื่อสารแบบซิงค์โคนัส) โดยความถี่ SPI จะวัดจากขา SCK เป็นหลัก และเร่งความถี่ให้สูงที่สุดเท่าที่อุปกรณ์ปลายทางจะรับได้ เพราะยิ่งเร่งความถี่ขึ้นไปให้สูงเท่าไร การอ่ายโอนข้อมูลยังยิ่งเร็วมากยิ่งขึ้นเท่านั้น

เดิมแล้วจอ TFT LCD บางรุ่น บางผู้ผลิต จะมีการเชื่อมต่อแบบ SPI มาให้อยู่แล้ว ทำให้สามารถเชื่อมต่อผ่าน SPI เข้าไปได้เลย แต่สำหรับบทความนี้ได้เลือกใช้จอที่ไม่มี SPI มาในตัว ทำให้ต้องสร้างวงจรแปลงขึ้นมาเอง

อนุกรม -> I²C

การเชื่อมต่อแบบ I2C เป็นอีกหนึ่งบัสที่มีผู้ใช้งานมาก ตัวจอ Character LCD เองก็ใช้การเชื่อมต่อแบบนี้ โดยใช้ไอซี PCF8574 ในการแปลงการเชื่อมต่อแบบอนุกรมเป็น I2C

การเชื่อมต่อแบบ I2C ไม่เชิงว่าจะช้าไปกว่า SPI เพราะมีขา SCL เป็นตัวกำหนดจังหวะ และสามารถกำหนดความถี่ได้เองแบบอิสระ แต่ด้วยการสื่อสารที่ซับซ้อนมากกว่า SPI จึงทำให้การใช้บัส SPI เหมาะสมมากกว่าในกรณีนี้

ขาต่าง ๆ ของจอ TFT LCD

ก่อนที่เราจะไปเริ่มวงจรแปลงการเชื่อมต่ออนุกรมเป็น SPI สิ่งที่ต้องคำนึงถึงตัวอุปกรณ์เลย คือมีขาใดบ้างที่สามารถลดได้ แล้วไม่ทำให้ความเร็วในการทำงานโดยรวมลดลง โดยตัวจอ TFT LCD จะแบ่งขาใช้งานต่าง ๆ ได้ 2 กลุ่ม ดังนี้

ขากลุ่ม DATA

จะเป็นขาที่นำหน้าด้วย D.. โดยจะใช้ในการรับ-ส่งข้อมูลแบบขนาน จำนวนขาของกลุ่มนี้มักจะเป็น 8 ขา หรือ 16 ขา แต่ในการส่งข้อมูลสี จะส่งที่ 16 บิตเหมือนกัน ดังนั้นหากมีขากลุ่มนี้ 8 ขา การส่งข้อมูลสีจะต้องส่ง 2 รอบ รอบละ 8 บิต เพื่อให้ครบ 16 บิต แต่หากมีขา 16 ขา จะส่งค่าสีไปทีเดียว 16 บิตเลย จำนวนขาของกลุ่มนี้จะสัมพันธ์กับความเร็วของจอโดยตรงในกรณีที่ใช้การเชื่อมต่อแบบขนาน เพราะระหว่างการส่งข้อมูล 8 บิต 2 รอบ กับส่งทีเดียว 16 บิต การส่งทีเดียว 16 บิตย่อมเร็วกว่าอยู่แล้ว แต่หากเป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรม แม้จะมีจำนวนขาเท่าใดก็แทบไม่มีผลกับความเร็วทั้งสิ้น เนื่องจากไม่ว่าจะเป็น 8 ขา หรือ 16 ขา ก็ต้องส่งที่ 16 บิตอยู่ดี (เพราะสีต้องส่ง 16 บิต)

ขากลุ่ม Control

ขากลุ่มนี้จะมีทั้งหมด 5 ขา ประกอบด้วยขาต่าง ๆ ที่มีหน้าที่ดังนี้

• RD - ใช้ควบคุมการอ่าน / เขียนข้อมูลเข้าที่จอ โดยหาขานี้มีลอจิกเป็น 1 จะใช้โหมดเขียนข้อมูลแต่ถ้าเป็น 0 จะใช้โหมดอ่านข้อมูลออกจากจอ
• WR - เทียบได้กับขา EN บน Character LCD ทำหน้าที่ควบคุมให้จอรับข้อมูลเข้าไป หรือส่งข้อมูลออกมา โดยปกติแล้วจะมีลอจิกเป็น 1 แต่เมื่อมีลอจิกเป็น 0 -> 1 เมื่อไร จอจะรับข้อมูลเข้า / ส่งข้อมูลออกทันที
• RS - ใช้บอกว่าข้อมูลนั้น ๆ ที่กำลังส่งให้จอ เป็นคำสั่ง หรือข้อมูล โดยหากเป็นลอจิก 0 จะเป็นคำสั่ง และหากเป็นลอจิก 1 จะเป็นข้อมูล
• CS - ใช้สั่งให้จออยู่ในสถานะพร้อมรับข้อมูลเข้า / ส่งข้อมูลออก โดยปกติแล้วเมื่อจะรับ-ส่งข้อมูลจะเซ็ตเป็นลอจิก 0 และจะเซ็ตเป็น 1 เมื่อต้องการปิดการทำงานของจอ (แต่จอยังคงแสดงผลตามเดิม แค่ในขณะเป็นลอจิก 1 จะไม่สามารถรับ-ส่งข้อมูลใด ๆ ได้)
• RST - ใช้รีเซ็ตการทำงานของจอ

ขากลุ่มนี้จะสามารถลดได้สูงสุด 2 ขา คือ

• RD ต่อเป็นลอจิก 1 ค้างไว้ เพื่อให้จออยู่ในสถานะรับข้อมูลเข้าเพียงอย่างเดียว
• WR ต่อร่วมกับขา SCK เมื่อแปลงเป็น SPI เนื่องจากชิปไดร์เวอร์จอ มีการทำงานที่ซับซ้อนกว่า 74HC595 ทำให้ตอบชิปไดร์เวอร์ตอบสนองได้ช้ากว่า ผลที่ได้คือ 74HC595 มีการอัพเดทข้อมูลเรียบร้อยแล้ว ตัวจอจึงรับข้อมูลเข้าหลังจาก 74HC59 อัพเดทข้อมูลเสร็จ

ส่วนขาอื่น ๆ ยังจำเป็นต้องต่อเข้าที่ตัวไมโครคอนโทรลเลอร์เช่นเดิม

เปลี่ยนขา DATA ทั้งหมดให้เป็น SPI ด้วย 74HC595

ไอซี 74HC595 เป็นไอซี Shift Register ที่ร้านนำมาจำหน่ายอยู่แล้ว ด้วยตัวถัง DIP-16 ทำให้ง่ายต่อการทดลองบนโพรโทบอร์ด หรือประกอบลงบนแผ่นปริ้นอเนกประสงค์ นอกจากนี้ยังไม่ต้องการอุปกรณ์ต่อร่วมอื่น ๆ ทำให้สามารถใช้งานได้ง่าย และไม่ยุ่งยากมากนัก

การต่อวงจร ให้ต่อได้ตามวงจรนี้

ในวงจรจะมีขาที่ไม่มีระบุไว้ คือขา 16 ของ 74HC595 เป็น VCC ให้รวมเข้ากับช่อง 5V ของจอ แล้วจ่ายแรงดัน 5V เข้าไปได้เลย ส่วนขา 8 เป็น GND ให้ต่อเข้ากับ GND ของ ESP32

การต่อเข้ากับ ESP32

ให้ต่อตามตารางต่อไปนี้

หรือดูรูปต่อไปนี้เทียบกับรูปที่ผ่านมา

ต่อลงแผ่นปริ้นอเนกประสงค์

เพื่อให้ง่ายต่อการใช้งาน และทดลองใช้กับไมโคร ฯ เบอร์อื่น ๆ ในโอกาศต่อไป ผู้เขียนจึงได้นำแผ่นปริ้นอเนกประสงค์ของ Arduino Uno มาใช้ โดยต่อวงจรลงไปบนบอร์ดให้เรียบร้อย สายที่ใช้เชื่อมต่อระหว่างจุดใช้สายวายแลป และใช้ Female Header 8Pin * 2 + Female Header 6Pin * 2 เป็นตัวกลาง เพื่อให้สามารถถอดตัวจอออกมาใช้กับอย่างอื่นได้

ติดตั้งไลบรารี่

ต้นฉบับไลบรารี่มาจากของ Adafruit ทางร้านได้นำมาดัดแปลงให้สามารถใช้งานได้กับวงจรที่ใช้ SPI

ไลบรารี่สามารถดาวน์โหลดได้ที่ลิงค์ https://github.com/ioxhop/Adafruit-ILI9481-ESP32-SPI นำมาติดตั้งให้เรียบร้อย และหากยังไม่ได้ติดตั้งไลบรารี่ Adafruit_GFX จำเป็นต้องติดตั้งเพิ่มเติมด้วย จากนั้นเปิดตัวอย่าง graphicstest ได้เลย (ไม่ต้องกำหนดขา เพราะขาต่าง ๆ กำหนดไว้ในไลบรารี่แล้ว)

อัพโหลดโปรแกรมให้เรียบร้อย หากต่อวงจรทุกอย่างทุกต้อง ผลที่ได้จะเป็นไปตามวิดีโอด้านล่างนี้

ฟังก์ชั่นวาด - สั่งงานจอ

เนื่องจากไลบรารี่ที่ร้านนำมาแก้ไขนั้น ได้สืบทอดเมธอตต่าง ๆ มาจากไลบรารี่ Adafruit_GFX มา หากท่านเคยใช้งานมาก่อนจะพบว่าไลบรารีนี้มีฟังก์ชั่นต่าง ๆ ที่เหมือนกันทุกประการ แต่หากท่านยังไม่เคยใช้งานจอ TFT LCD มาก่อน ท่านสามารถอ่านรายชื่อฟังก์ชั่นทั้งหมดได้ที่ https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library/blob/master/Adafruit_GFX.h (แนะนำให้ไล่ดูรายชื่อฟังก์ชั่นตั้งแต่บรรทัดที่ 19 เป็นต้นไป)

สรุปท้าย

ในบทความนี้เราได้นำตัว 74HC595 มาเป็นตัวแปลงจากขา D0 - D7 ให้เป็น SPI เพื่อให้ต่อใช้งานกับ ESP32 ได้ง่ายมากยิ่งขึ้น ตัวไลบรารี่ที่ใช้งานดัดแปลงมาจากของ Adafruit ดังนั้นชื่อฟังก์ชั่นใช้งานจอ จะอ้างอิงอยู่กับไฟล์ Adafruit_GFX.h ซึ่งท่านสามารถศึกษารายละเอียดฟังก์ชั่นได้ด้วยตนเอง

สำหรับบทความนี้ก็มีเพียงเท่านี้ อาจจะเป็นบทความที่เป็นเชิงเทคนิคซักเล็กน้อย แต่รับรองได้ว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์ต่อท่านแน่นอน

~ สวัสดีครับ ~