疑似コンソール 
 2021.03.06 
		 
 
YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。 
 
今回は、Adafruit 1.3" Color TFT Bonnet for Raspberry Pi を Raspberry Pi Zero WH の疑似コンソールとして使用します。 
このLCDを、システムコンソールとして設定することも可能ですが、カーネルドライバーを書き換えてしまうため、元に戻すのが面倒です。
そこで、Pythonアプリケーションからシステムコンソールのように使えるライブラリーを作成します。 
 
  
Pimoroni のサイトを散策していたときのことです。普段、アクセスすることのない「Gaming & Arcade」のカテゴリーを間違ってぽちっとしてしまい、運よく発見しちゃいました! 
ちなみに、画面右側に写っている「Pico Explorer Base」もお買い上げです! 
 
  
「ボタンとジョイスティックを備えたコンパクトなカラーディスプレイが必要なあなたにぴったりの商品です」と書かれているではありませんか。
システムコンソールを探していたのですが、このデザインの美しさ!買わないわけにはいきません!ぽちっ! 
 
■とても美しい外観 
  
フロントデザインです。 
  
当然の事なのですが、背面には2x20ピンの Raspberry Pi connector が配置されています。 
 
 
システムコンソールとして使用した場合です。 
 
■Pinouts 
  
・5.0V - Connected to the display backlight 
・3.3V - Connected to the display power and also the STEMMA QT / Qwiic connector 
・GND - Ground for everything 
・SDA & SCL - I2C data for the STEMMA QT / Qwiic connector. Not used by buttons or display 
・GPIO26 - Used to turn the backlight on and off. 
・GPIO5 & GPIO6 - Connected to the two front buttons. These pins have 10K pullups to 3.3V so when the button is pressed, you will read a LOW voltage on these pins 
・GPIO17, GPIO22, GPIO27, GPIO23 - The four directions on the joystick. 
・GPIO4 - Joystick center button. 
・SCK, MOSI, CE0 & GPIO25 - These are the display control pins. Note that MISO is not connected even though it is a SPI pin because you cannot read back from the display. 
・Not used: GPIO12, GPIO13, GPIO16, GPIO19, GPIO20, GPIO21, GPIO18, GPIO24, TXD, RXD, EEDATA, EECLK, MISO, SPI_CE1 
 
■SPIの有効化 
$ sudo vi /boot/config.txt 
dtparam=spi=on 
 
■動作環境の整備 
 
Adafruit TFT Bonnet のセットアップは下記のようになっています。 
Ref.Python Setup 
$ sudo pip3 install adafruit-circuitpython-rgb-display 
$ sudo apt-get install python3-pip 
$ sudo apt-get install ttf-dejavu 
$ sudo apt-get install python3-pil 
$ sudo apt-get install python3-numpy 
※今回はインストールしていません。 
 
  
→ What is CircuitPython? 
 
Adafruit では実行環境に microPython系の CircuitPython を利用してします。
しかし、これを使うと、汎用性が低下してしまうので、標準の ST7789ライブラリーを用いることにします。 
 
Pimoroni 1.3" SPI LCDのサンプルコードを参考にしました。 
PIMORONI 1.3" SPI Colour LCD (240x240) Breakout 
  
 
AdafruitとPimoroniのLCDで使用するピン番号をみてみました。 
| No       | Adafruit | Description          | Pimoroni |  
| 3.3V     | 1            | display backlight    | 1            |  
| 5V       | 2            | display power        | 2            |  
| GND      | 6            |                      | 6            |  
| SPI_MOSI | 19(BCM10)    | display control      | 19(BCM10)    |  
| SPI_SCLK | 23(BCM11)    | display control      | 23(BCM11)    |  
| TFT_DC   | 22(BCM25)    | display control      | 21(BCM9)     |  
| TFT_CS   | 24(CE0/BCM8) | display control      | 26(CE1/BCM7) |  
| TFT_LITE | 37(BCM26)    | backlight on and off | 35(BCM19)    |  
 
DCとCSおよびbacklightのピン番号が異なっていることがわかります。 
※ジョイスティックやボタンの機能は省いています。 
 
まずは、ST7789ディスプレイドライバ用のモジュールをインストールします。 
 
$ sudo pip3 install st7789 
 
Raspberry Pi OS であれば、st7789 が依存するモジュールはすでにインストール済と思われますが、
必要なら、追加インストールしてください。 
$ sudo pip3 install pillow 
$ sudo pip3 install numpy 
$ sudo pip3 install RPI.GPIO 
$ sudo pip3 install spidev 
 
  
scrolling-text.py 
先に示した対応表を参考に、Pimoroniで使用しているピン番号から、Adafruit用にピン番号を書き換えます。 
disp = ST7789.ST7789(
    port=0,
    cs=ST7789.BG_SPI_CS_FRONT,
    dc=9,
    backlight=19,
    spi_speed_hz=80 * 1000 * 1000
)
 ↓変更
disp = ST7789.ST7789(
    port=0,
    cs=ST7789.BG_SPI_CS_BACK,
    dc=25,
    backlight=26,
    spi_speed_hz=80 * 1000 * 1000
)
ST7789.BG_SPI_CS_FRONT は CE1 の指定なので、ST7789.BG_SPI_CS_BACK に変更して CE0 に変更します。 
 
Source code 
from PIL import Image
from PIL import ImageDraw
from PIL import ImageFont
import time
import ST7789
MESSAGE = "Hello World! How are you today?"
# Create ST7789 LCD display class.
disp = ST7789.ST7789(
    port=0,
    cs=ST7789.BG_SPI_CS_BACK,  # BG_SPI_CS_BACK or BG_SPI_CS_FRONT
    dc=25, 
    backlight=26,               # 18 for back BG slot, 19 for front BG slot.
    spi_speed_hz=80 * 1000 * 1000
)
# Initialize display.
disp.begin()
WIDTH = disp.width
HEIGHT = disp.height
img = Image.new('RGB', (WIDTH, HEIGHT), color=(0, 0, 0))
draw = ImageDraw.Draw(img)
font = ImageFont.truetype("/usr/share/fonts/truetype/dejavu/DejaVuSans-Bold.ttf", 30)
size_x, size_y = draw.textsize(MESSAGE, font)
text_x = disp.width
text_y = (80 - size_y) // 2
t_start = time.time()
while True:
    x = (time.time() - t_start) * 100
    x %= (size_x + disp.width)
    draw.rectangle((0, 0, disp.width, 80), (0, 0, 0))
    draw.text((int(text_x - x), text_y), MESSAGE, font=font, fill=(255, 255, 255))
    disp.display(img)
 
 
実行してみましょう。 
$ python3 scrolling-text.py 
  
 
動作確認ができたので、次に疑似コンソール用ライブラリーを作成していきます。 
 
■等幅フォントの確認 
 
システムで利用可能な等幅フォントを確認します。 
$ fc-match monospace 
LiberationMono-Regular.ttf: "Liberation Mono" "Regular" 
 
フォントの場所は下記の通りです。 
/usr/share/fonts/truetype/liberation2/LiberationMono-Regular.ttf 
 
他の等幅フォントを利用したい場合は、適時インストールしてください。 
 
■リングバッファ 
 
  
File:Ring.buffer.svg - Wikimedia Commons 
リングバッファは、予め記憶領域を確保して、読み出し位置と書き込み位置をずらしながら処理を行い、領域の終端に到達したら、領域の先頭に繋げ無限ループ的に利用する仕組みです。
C言語などで開発する場合は、ポインターを使って、テキスト文字列を上書きしていけば済むのですが、Pythonではそういう使い方はできません。 
コーディング的に美しくないのですが、リストを使ってリングバッファーっぽいものを実装します。 
 
1.LCDの描画サイズを取得します 
disp.begin() 
pixel_x = disp.width 
pixel_y = disp.height 
 
2.等幅フォントのサイズを取得します 
font = ImageFont.truetype("/usr/share/fonts/truetype/liberation2/LiberationMono-Regular.ttf",14) 
size_x, size_y = self.draw.textsize("F", font=font) 
 
3.LCDサイズとフォントサイズから1行に表示できる桁数と行数を算出します 
col  = pixel_x // size_x 
row  = pixel_y // size_y 
 
4.表示したい文字列を桁数で分割して、複数の配列要素として保存します 
line_len  = len(msg) 
line_num  = line_len//col 
line_rest = line_len % col 
line_from = 0 
line_to   = col 
while line_num > 0: 
 buffer[pos] = msg[line_from:line_to] 
 line_from += col 
 line_to   += col 
 pos += 1 
 line_num -= 1 
if line_rest > 0: 
 buffer[pos] = msg[line_from:line_len] 
 pos += 1 
 
5.表示行数未満の場合は、リストの先頭要素から、LCDに描画します 
pos_y = 0 
draw.rectangle((0, 0, disp.width, disp.height), (0, 0, 0)) 
for i in range(row): 
 draw.text((0,pos_y), buffer[start], font=font, fill=(255, 255, 255)) 
 start += 1 
 pos_y += size_y 
 if start == row: 
  start = 0 
disp.display(img) 
 
6.再度、表示文字列を追加する場合は、直前に保存した次の配列要素に追加します 
 この際、配列が末尾に到達した場合には配列の先頭要素から書き換えます 
7.更新した配列要素数に応じてリストの途中から循環する形で、LCDを再描画します 
 
6, 7 に関しては短いコードなので、下記のソースを解析してみてください。 
 
疑似コンソール Source code 
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont
import ST7789
class Console:
	def __init__(self):
		# Create ST7789 LCD display class.
		self.disp = ST7789.ST7789(
			port=0,
			cs=ST7789.BG_SPI_CS_BACK,
			dc=25, 
			backlight=26,
			spi_speed_hz=80 * 1000 * 1000
		)
		# Initialize display.
		self.disp.begin()
		self.pixel_x = self.disp.width
		self.pixel_y = self.disp.height
		self.img = Image.new('RGB', (self.pixel_x, self.pixel_y), color=(0, 0, 0))
		self.draw = ImageDraw.Draw(self.img)
		self.size_x, self.size_y = self.getFontSize()
		self.col  = self.pixel_x // self.size_x
		self.row  = self.pixel_y // self.size_y
		self.buffer = ["" for _ in range(self.row)]
		self.pos   = 0
		self.start = 0
		self.scroll = False
	def getFontSize(self,fontName=None, fontSize=None):
		if fontName is None:
			self.font = ImageFont.truetype("/usr/share/fonts/truetype/liberation2/LiberationMono-Regular.ttf",14)
		else:
			self.font = ImageFont.truetype(fontName, fontSize)
		self.size_x, self.size_y = self.draw.textsize("F", font=self.font)
		return self.size_x, self.size_y
	def print(self, msg):
		line_len  = len(msg)
		line_num  = line_len//self.col
		line_rest = line_len % self.col
		line_from = 0
		line_to   = self.col
		while line_num > 0:
			if self.scroll:
				self.start += 1
				if self.start == self.row:
					self.start = 0
			self.buffer[self.pos] = msg[line_from:line_to]
			line_from += self.col
			line_to   += self.col
			self.pos += 1
			if self.pos == self.row:
				self.pos = 0
				self.scroll = True
			line_num -= 1
		if line_rest > 0:
			if self.scroll:
				self.start += 1
				if self.start == self.row:
					self.start = 0
			self.buffer[self.pos] = msg[line_from:line_len]
			self.pos += 1
			if self.pos == self.row:
				self.pos    = 0
				self.scroll = True
		pos_y = 0
		self.draw.rectangle((0, 0, self.disp.width, self.disp.height), (0, 0, 0))
		for i in range(self.row):
			self.draw.text((0,pos_y), self.buffer[self.start], font=self.font, fill=(255, 255, 255))
			self.start += 1
			pos_y += self.size_y
			if self.start == self.row:
				self.start = 0
		self.disp.display(self.img)
 
 
使用する場合は、RingBuffer.py をカレントディレクトリーに置いて下記のように呼び出します。 
文字列の描画位置を意識することなしに利用できます。 
 
from RingBuffer import Console 
 
cs = Console() 
cs.print(message1) 
cs.print(message2) 
・・・・・ 
 
ソースコードにちょっと手を加えるとこんな感じになります。 
  
メッセージ単位で交互に色分けして表示しています。 
 
このコンソール機能は、Twelite Neural Network 第2回で使用する予定です。 
 
■参考文献 
・等幅フォント 
・Raspberry Pi(stretch)フォント設定 noto font 
・ラズパイでフレームバッファ(/dev/fb0)を使用して、直接ディスプレイ画像を入出力する 
・【 fc-match 】コマンド――フォントのマッチングと優先順位を確認する 
・原色大辞典 
			 | 
			
				 
				Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
				 
				
				 
 
 
Arduinoで学ぶ組込みシステム入門(第2版) 
●Arduinoを使って組込みシステム開発を理解する 
・ハードウェアやソフトウェアなどの基礎知識/
・設計から実装までを系統的に説明するモデルベース開発/
・Arduinoを用いた実際の開発例
 
 
 
 
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