Matrix - I2C LCD1602 Keypad

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1 Introduction

I2C LCD1602

I2C LCD1602

• 模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad让LCD1602显示更简单。
• 它由液晶显示屏模块LCD1602和IIC扩展模块MCP23017构成，同时集成5个可独立编程按键，使用这些按键可以控制接在板子上的外设模块或者控制LCD显示的字符。
• 模块上的电位器是调节屏幕显示的灰度。
• LCD1602是可以显示16x2个字符的液晶显示屏，其本身是并行接口，需要较多的IO资源才可以与之通讯。使用IIC控制模块之后，只需要两根GPIO引脚即可。
• MCP23017带有串行接口的16 位远程双向I/O 扩展器，高速IIC接口，三个硬件地址引脚，最多可允许总线上连接8个器件。它可通过I2C与主控通讯，将主控发过来的数据信息转换成并行信号再转发给LCD1602，从而在实现LCD1602的显示和背光调节功能，达到节约IO资源和简化控制的目的。

2 特性

• I2C通讯，显示和背光可控
• 2.54mm排针接口，接线方便，通用性强
• IIC模块PCB尺寸（mm）：57x80
• LCD1602 PCB尺寸（mm）：36x80

• 引脚说明:

名称	描述
IRQ	BUTTON IRQ
SDA	I2C SDA
SCL	I2C SCL
5V	电源5V
GND	地

3 工作原理

3.1 MCP23017工作原理

• MCP23017器件为IIC总线扩展，带有串行接口的16位远程双向I/O端口。系统主器件可通过写入I/O配置位将I/O使能为输入或输出，每个输入输出的数据都保存在对应的输入输出寄存器中，它为高速IIC接口，有三个硬件地址引脚，最多可允许总线上连接8个器件，具有两个可配置的中断引脚INTA和INTB。

• I2C 写操作包括控制字节和寄存器地址序列，该序列后面跟随来自系统主器件的8 位数据和来自MCP23017 的应答（ACK）。该操作以主系统生成的停止（P）或重新启动（SR）条件结束。
• I2C读操作包括控制字节序列，该序列后跟R/W位置1（R/W = 1）的另一个控制字节（包括启动条件和ACK）。MCP23017 随后会发送被寻址寄存器中包含的数据。该序列以系统主器件生成停止或重新启动条件结束。
• I2C 顺序写入/ 读取对于顺序操作（读操作或写操作），在完成数据传送后，系统主器件将发送地址指针指向的下一字节，而不是发送停止或重新启动条件。该序列以系统主器件发送停止或重新启动条件结束。MCP23017 地址指针在到达最后一个寄存器地址后，将返回到地址0。

3.2 LCD1602工作原理

• 由模块的原理图可以看出PCF8574模块的输出引脚P0-P7与LCD模块的引脚连接如下图：

• RS为指令/数据控制位，RW为读/写控制位，E为使能位（边沿触发），BL为背光灯控制位，D4-D7为数据位。
• 由于LCD用到四个数据位，因此只能使用4线来驱动。通过指令表我们可以对LCD进行写指令设置LCD的工作转态，但这里的指令/数据（DB7-DB0）是八位的，而LCD却是4线驱动，因此每次写指令/数据时是先写高四位（DB7-DB4），再写低四位（DB3-DB0）。
• 注意：LCD内置了192个常用字模，存放在CGROM，所以我们在显示字符A时可以直接写入“A”，此外LCD还有8个允许用户自定义的字符产生的RAM，称为CGRAM，这里由于没有涉及到所以不介绍，有兴趣的用户可以去了解一下。

4 下载Matrix源码

Matrix配件相关的代码是完全开源的，统一由一个仓库进行管理：git://github.com/friendlyarm/matrix.git
该仓库里不同的分支代表着Matrix配件所支持的不同开发板。

• nanopi分支包含了Matrix对NanoPi的支持；
• tiny4412分支包含了Matrix对Tiny4412的支持；
• raspberrypi分支包含了Matrix对RaspberryPi的支持；

在主机PC上安装git，以Ubuntu14.04为例

$ sudo apt-get install git

克隆Matrix配件代码仓库

$ git clone git://github.com/friendlyarm/matrix.git

克隆完成后会得到一个matrix目录，里面存放着所有Matrix配件的代码。

5 与NanoPi连接使用

5.1 准备工作

在NanoPi上运行Debian系统，然后在主机PC上安装并使用相应的编译器。参考wiki：NanoPi
注意：必须使用nanopi-v4.1.y-matrix分支编译出来的内核。
下载NanoPi内核源代码并编译

$ git clone https://github.com/friendlyarm/linux-4.x.y.git
$ cd linux-4.x.y
$ git checkout nanopi-v4.1.y-matrix
$ make nanopi_defconfig
$ touch .scmversion
$ make

5.2 硬件连接

参考下图连接模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad和NanoPi

连接说明：

Matrix-I2C_LCD1602_Keypad	NanoPi
SDA	Pin3
SCL	Pin5
5V	Pin4
GND	Pin6

5.3 编译测试程序

进入Matrix代码仓库，切换到nanopi分支

$ cd matrix
$ git checkout nanopi

编译Matrix配件代码

$ make CROSS_COMPILE=arm-linux- clean
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux- install

注意：请确保你的主机PC当前使用的交叉编译器为NanoPi-Debian配套的arm-linux-gcc.4.4.3。
编译出来的库文件位于install/lib目录下，而测试程序则位于install/usr/bin目录下，模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad对应的测试程序为matrix-i2c_lcd1602_keypad。

5.4 运行测试程序

拷贝库文件和测试程序到NanoPi的文件系统上

$ cp install/usr/bin/* nanopi_rootfs/usr/bin/
$ cp install/lib/* nanopi_rootfs/lib/ -d

然后启动NanoPi，在Debian的shell终端中执行如下命令运行模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad的测试程序
注意：此模块并不支持热插拔，启动系统前需要确保硬件正常连接。

$ matrix-i2c_lcd1602_keypad

5.5 代码展示

int main(int argc, char ** argv)
{
    int devFD;
    int keyValue = 0;
    int showDefault = 1;
    int needClear = 1;
    time_t lt;
    char curTime[TIME_STR_BUFSIZE];
    char preTime[TIME_STR_BUFSIZE];
    int hostNameLen = 0;
 
    if ((devFD = LCD1602KeyInit()) == -1) {
        printf("Fail to init LCD1602\n");
        return -1;
    }
    LCD1602KeyClear(devFD);
    printf("waiting key press...\n");
 
    while (1) {
        keyValue = LCD1602GetKey(devFD);
        switch (keyValue) {
        // F1
        case 0x1e:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F1-IP address");
            showIP(devFD, "usb0");
            break;
            // F2    
        case 0x1d:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F2-Your favor");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "Come add it");
            break;
            // F3    
        case 0x1b:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F3-Your idea");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "Come show it");
            break;
            // F4
        case 0x17:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F4-About");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "by FriendlyARM");
            break;
            // F5
        case 0xf:
            showDefault = 1;
            break;
        }
        if (showDefault == 1) {
            if (needClear) {
                LCD1602KeyClear(devFD);
                LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#Default");
                needClear = 0;
            }
            memset(curTime, 0, TIME_STR_BUFSIZE);
            lt = time(NULL);
            strncpy(curTime, ctime(&lt) + 11, 8);
            if(strcmp(curTime, preTime)) {
                printf("time:%s\n", curTime);
                LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, curTime);
            }
            memset(preTime, 0, TIME_STR_BUFSIZE);
            strcpy(preTime, curTime);
        } else {
            needClear = 1;
            usleep(1000);
        }
    }    
    printf("quit reading key press\n");
    LCD1602KeyDeInit(devFD);
    return 0;
}

6 与Tiny4412连接使用

6.1 准备工作

参考Tiny4412光盘里的《友善之臂Ubuntu使用手册》，在Tiny4412上运行UbuntuCore系统，然后在主机PC上安装并使用相应的编译器。
注意：只能使用Tiny4412SDK-1506的底板。

6.2 硬件连接

参考下图连接模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad和Tiny4412

连接说明：

Matrix-I2C_LCD1602_Keypad

Tiny4412

6.3 编译测试程序

进入Matrix代码仓库，切换到tiny4412分支

$ cd matrix
$ git checkout tiny4412

编译Matrix配件代码

$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- clean
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- install

注意：请确保你的主机PC当前使用的交叉编译器为Tiny4412-UbuntuCore配套的arm-linux-gnueabihf-gcc-4.7.3。
编译出来的库文件位于install/lib目录下，而测试程序则位于install/usr/bin目录下，模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad对应的测试程序为matrix-i2c_lcd1602_keypad。

6.4 运行测试程序

拷贝库文件和测试程序到Tiny4412的UbuntuCore的文件系统上

$ cp install/usr/bin/* tiny4412_rootfs/usr/bin/
$ cp install/lib/* tiny4412_rootfs/lib/ -d

然后启动Tiny4412，在UbuntuCore的shell终端中执行如下命令运行模块Matrix-I2C_LCD1602_Keypad的测试程序
注意：此模块并不支持热插拔，启动系统前需要确保硬件正常连接。

$ matrix-i2c_lcd1602_keypad

6.5 代码展示

int main(int argc, char ** argv)
{
    int devFD;
    int keyValue = 0;
    int showDefault = 1;
    int needClear = 1;
    time_t lt;
    char curTime[TIME_STR_BUFSIZE];
    char preTime[TIME_STR_BUFSIZE];
    int hostNameLen = 0;
 
    if ((devFD = LCD1602KeyInit()) == -1) {
        printf("Fail to init LCD1602\n");
        return -1;
    }
    LCD1602KeyClear(devFD);
    printf("waiting key press...\n");
 
    while (1) {
        keyValue = LCD1602GetKey(devFD);
        switch (keyValue) {
        // F1
        case 0x1e:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F1-IP address");
            showIP(devFD, "usb0");
            break;
            // F2    
        case 0x1d:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F2-Your favor");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "Come add it");
            break;
            // F3    
        case 0x1b:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F3-Your idea");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "Come show it");
            break;
            // F4
        case 0x17:
            showDefault = 0;
            LCD1602KeyClear(devFD);
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#F4-About");
            LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, "by FriendlyARM");
            break;
            // F5
        case 0xf:
            showDefault = 1;
            break;
        }
        if (showDefault == 1) {
            if (needClear) {
                LCD1602KeyClear(devFD);
                LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 0, "#Default");
                needClear = 0;
            }
            memset(curTime, 0, TIME_STR_BUFSIZE);
            lt = time(NULL);
            strncpy(curTime, ctime(&lt) + 11, 8);
            if(strcmp(curTime, preTime)) {
                printf("time:%s\n", curTime);
                LCD1602KeyDispStr(devFD, 0, 1, curTime);
            }
            memset(preTime, 0, TIME_STR_BUFSIZE);
            strcpy(preTime, curTime);
        } else {
            needClear = 1;
            usleep(1000);
        }
    }    
    printf("quit reading key press\n");
    LCD1602KeyDeInit(devFD);
    return 0;
}