C_Book_Examples/TM1637_pio

TM1637 PIO Driver

Raspberry Pi Pico (RP2040/RP2350) の PIO (Programmable I/O) でTM1637を使った7セグメントディスプレイを制御するライブラリです。TM1637は単体で秋月電子通商から買えるほか、AmazonやAliexpressからTM1637を使った7セグメントLEDディスプレイモジュールが安価に入手できます。

TM1637の詳細に関しては秋月にあるデータシートや、ネット上の参考資料を見てもらえばいいと思いますが、I2Cもどきの2線式シリアルで複数桁の7セグメントLEDを制御できるICです。GPIOで制御している作例が多いですが、PIOで制御することでCPUを低速なシリアル通信から解放できます。このライブラリでは、PIOのFIFOを連結して8エントリとしているので、よくある4桁モジュールならCPUがブロックされずに表示を行うことができます。

特徴

• PIO駆動: 通信プロトコルをPIOで処理するため、CPU負荷が低く、正確なタイミングで動作します。
• マルチインスタンス: 複数のディスプレイを異なるピンで同時に制御可能です。
• CMake対応: add_subdirectory するだけで簡単にプロジェクトに組み込めます。

概説

TM1637はI2C風のインタフェースを通じてホストと通信します。Start Conditionでトランザクションを開始し、Stop Conditionでトランザクションを終了する点や、1バイトごとのACKはI2Cと同じです。I2Cとのおもな違いは次の2点です。

• 下位ビットから送出（LSB First）。I2CはMSB FirstですがTM1637は逆に下位ビットから順に送受信します。これがI2Cとのもっとも大きな違いです
• アドレスを持たない。1つのバスに1つのTM1637しか接続できません

このライブラリでは、I2CライクなTM1637のホスト→TM1637のプロトコルをPIOで実装しています。次のように値bをpushするとStart Conditionに続いて1バイトをTM1637に送信します。

pio_sm_put_blocking(pio, sm, b);

値の9bit目をオンにすると、送信後にStop Conditionにバスを遷移させ、バスを解放します。

pio_sm_put_blocking(pio, sm, b | STOP_COND);

SCLKをSDA（TM1637の端子名はDIO）の隣のGPIOに固定しているのは、PIO命令setを使って2つのGPIOの入出力を切り替えていて、STOP Condition後にSDAとSCLKを入力に切り替えて高インピーダンス状態にしバスを解放する必要があるからです。

tm1637out.pioに実装しているPIOコードでは、TM1637のI2C風プロトコルの大部分をデータシートに沿って実装しています。I2C的な通信を行うPIOコード例として活用してください。

なお、PIOコードではACKをチェックしてNACKを検出したらステートマシン番号のIRQフラグをオンにしていますが、Cコード側の割り込み処理は行っていません。テストしてみた限りNACKが生じることがなさそうであることに加えて、仮にNACKが検出されても対応のしようがない（通信エラーが起きたことがわかるだけ）からです。マルチインスタンス化していることもあり、NACKのための割り込み処理を追加するとかなり複雑になりますが、複雑にするだけの価値が見いだせないので、NACKに対応する処理は削除しました。もしに気なるようならIRQフラグをチェックするコードを追加すればいいでしょう。

ディレクトリ構成

your_project/
├── tm1637_lib/          # このライブラリフォルダ
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── TM1637.c
│   ├── TM1637.h
│   ├── tm1637out.pio
│   └── README.md
├── CMakeLists.txt       # 親プロジェクトのCMakeファイル
└── main.c               # アプリケーションコード

使い方

1. ライブラリの配置: プロジェクトフォルダに tm1637_lib をコピーします。

2. CMakeLists.txt の編集:

   add_subdirectory(tm1637_lib)
   target_link_libraries(your_executable tm1637_lib)
   

3. コード例:

   #include "TM1637.h"
   
   // 初期化 (SDAピン番号, 桁数, 輝度0-7)
   // SCLピンは SDA + 1 となります
   TM1637_t *tm = TM1637_init(4, 4, 7);
   
   if (tm != NULL) {
      TM1637_putstr(tm, "12:34");
   }
   

API リファレンス

TM1637_t *TM1637_init(uint8_t sda_base_pin, uint8_t col, uint8_t cont)

TM1637を初期化し成功すればハンドルを返す

パラメータ

• uint8_t sda_base_pin: SDA（DIO）を接続しているGPIO番号。PIOコードの制約によりsda_base_pin+1のGPIOにSCLKを接続してください。
• uint8_t col: 接続しているモジュールのカラム数。TM1637は最大6カラムの7セグメントLEDを制御できます。
• uint8_t cont: コントラスト値。0（暗）～7（明）。

戻り値

• 初期化に成功するとハンドル（TM1638_tのポインタ）を返す。NULLは失敗。

int TM1637_set_contrast(TM1637_t *p, uint8_t cont)

コントラスト値を設定する

パラメータ

• TM1638_t *p: ハンドル
• uint8_t cont: コントラスト値。0（暗）～7（明）

戻り値

• 成功したら0

int TM1637_putchar(TM1637_t *p, char c, bool dot, uint8_t col)

文字を表示

パラメータ

• TM1637_t *p: ハンドル
• bool dot: ドットセグメントをオンにするならtrue
• uint8_t col: 表示するカラム

戻り値

• 成功したら0

int TM1637_putstr(TM1637_t *t, char *str)

文字列を表示する

パラメータ

• TM1637_t *p: ハンドル
• char *str: 表示する文字列。次の文字にピリオドまたはコロンを挿入すると、その文字のドットセグメントがオンになります。ドットセグメントの形状及び位置は製品によって異なります。ピリオド（.）かコロン（:）が一般的です。

戻り値

• 成功したら0