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 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 AdafruitDescription Pimoroni
3.3V 1 display backlight 1
5V 2 display power 2
GND 6 6
SPI_MOSI19(BCM10) display control 19(BCM10)
SPI_SCLK23(BCM11) display control 23(BCM11)
TFT_DC 22(BCM25) display control 21(BCM9)
TFT_CS 24(CE0/BCM8)display control 26(CE1/BCM7)
TFT_LITE37(BCM26) backlight on and off35(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

【深層学習関連】
20.11.21 深層学習 第1回環境整備
20.12.19 深層学習 第2回マルコフ連鎖・自動歌詞生成
21.01.02 深層学習 第3回コード進行解析

【画像処理関連】

20.05.28 画像処理 第1回トイカメラ
20.06.09 画像処理 第2回カメラモジュール制御
20.06.28 画像処理 第3回リアルタイムクロック
20.07.08 画像処理 第4回電源回路
20.10.27 画像処理 第5回自作デジカメ初号機完成
20.11.10 画像処理 第6回ドーナツデジカメ
【音楽関連】

20.01.05 第1回 abcjs 楽譜作成・演奏スクリプト
20.01.09 I2S通信によるハイレゾ音源再生
20.01.18 MIDI再生:FM音源YMF825+Arduino編
20.01.24 FM音源YMF825+micro:bit編
20.02.13 Piano Hat & Rosegarden
20.06.22 波形処理 第1回 音の波と三角関数
20.07.22 波形処理 第2回 平均律と純正律
20.08.26 波形処理 第3回 黒鍵と白鍵
21.01.02 深層学習 第3回 コード進行解析
21.01.16 波形処理 第4回 コード演奏
【WEBサイト構築関連】

19.10.15 第1回 前準備
19.10.20 第2回 Ubuntu Server インストール
19.10.27 第3回 Ubuntu Server 詳細設定
19.10.28 番外編 無線LAN接続設定
19.11.02 第4回 Apache WEBサーバ設定
19.11.05 第5回 PHP 設定
19.11.10 第6回 MySQL 設定
19.11.11 第7回 DNS (bind) 設定
19.11.16 第8回 メールサーバ(Postfix)設定・前編
19.11.21 第9回 メールサーバ(Postfix)設定・後編
19.11.24 第10回 ファイアウォール(iptables) 設定
19.11.25 第11回 crontab 設定
19.12.01 第12回 運用準備
19.12.03 第13回 Windowsパソコンに開発環境を作る
19.12.05 第14回 WEBサーバー公開
19.12.10 第15回 動的サイト制作
19.12.11 第16回 簡単なアクセスカウンターを作る
20.03.04 TTGO-Camera による定点観測・WEB公開
21.03.15 第17回 サーバ・リプレイス
21.03.27 第18回 システム移行
【開発環境関連】

19.12.19 Raspbian Stretch LITE インストール
19.12.19 ファイル共有 dokany + Win-sshfs
19.12.26 Arduino開発環境構築 PlatformIO
20.02.04 電子組版 upLaTeX
21.04.13 GPIO拡張
21.04.14 無線LAN動的切替え
【SNS関連】

20.03.18 テキスト読み上げ gTTS
20.04.24 Twitter-LINE連携によるビジネス活用
20.05.19 テキスト読み上げ AquesTalk pico LSI
21.02.27 TweLite Neural Network 第1回環境設定
【周辺機器関連】

20.01.01 1280x800 HDMI MONITOR
20.01.12 micro:bitをコマンドラインで使う
20.02.04 サーマルプリンタを使う
20.03.27 M5Stackキーボードを利用する
20.06.29 液晶キャラクターディスプレイLCD1602A
20.08.03 Seeeduino XIAO
20.08.09 LGT8F328P - Arduino clone
20.09.18 電流計測モジュール INA219
21.02.09 Raspberry Pi Pico 開発環境構築
21.03.06 疑似コンソール
21.03.20 Raspberry Pi Pico 突入電流制御
21.04.04 Raspberry Pi Pico Explorer Base
【その他】

19.12.13 モバイルバッテリーによる瞬間停電対策
20.04.10 電卓を制御して数字を表示する
20.05.06 箱庭回路 蓄電&昇圧回路
20.09.04 箱庭回路 センサーライト
20.09.29 シガーライターIC s090c
20.10.13 自動給水装置 LM393+NE555
20.12.05 FM放送受信 TEA5767
21.01.30 DVD Player LED
21.02.16 癒しの電子回路

 ニーア オートマタ PLAY ARTS改 <ヨルハ 二号 B型 DX版> PVC製 塗装済み可動フィギュア
「NieR:Automata」より、ヨルハ二号B型こと2BがPLAY ARTS改に新たに登場! 高級感の感じられるコスチュームや髪の質感、洗練されたボディバランス、細かなデティールに至るまでこだわり抜かれた逸品。 DX版には通常版のラインナップに加え2Bの随行支援ユニット ポッド042などをはじめ“純白の美しい太刀"白の約定やエフェクトパーツ、自爆モードを再現できる換装用ボディパーツ、シーンに合わせて変えられる顔パーツ2種も付属する豪華な仕様に。 作中のあらゆるシーンを再現することが可能なファン必見の一品となっている。
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ラズパイマガジン2021年春号
モーターやLED、小型ディスプレイ、スイッチなど、多様な電子パーツ450種を一挙に紹介します。 特性や価格の一覧表を用意したので、用途に合った適切な製品を選べます。
トランジスタ技術 2021年4月号
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「AVRでサクッとマイコン開発」
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【特集 2】あなたのワガママかなえます! WindowsのアプリをLinuxで使いたい
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【特集 4】キーボード一体型の新モデル Raspberry Pi 400を検証
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Arduino Nano
ATmega328搭載/ 動作電圧: 5V/ 入力電源電圧(推奨):7~12V/ デジタル入出力ピン: 14本/ PWMチャンネル: 6本/ アナログ入力チャンネル: 8本/ 直流電流(1ピン当り最大): 40 mA/ 直流電流(3.3Vピン、1ピン当り最大): 50 mA/ Flashメモリ: 32 KB (ATmega328) 内2KBはブートローダーで使用/ SRAM: 2 KB (ATmega328)/ EEPROM: 1 KB (ATmega328)/ Clock Speed: 16 MHz
逆引き PIC電子工作 やりたいこと事典
機能が豊富で、速度・アナログ制御・省電力性・コストの面でもアドバンテージをもつPICマイコン。そんなPICマイコンの使い方を、目的別にやりたいことから引ける、逆引きタイプのガイドブックです。
C言語による PICプログラミング大全
2002年に初版、2009年に第2版を発売した名著『C言語によるPICプログラミング入門』 が大幅リニューアルし「大全」として生まれ変わりました。 本書では、機能豊富なPIC16F1シリーズを使いこなすために、統合開発環境を MPLAB X IDEに、CコンパイラはMicrochip Technology社純正のXC8に、それぞれ変更しました。 C言語でPICマイコンのプログラミングを始めたい方から、最新のPICマイコンの機能をとことん使い倒したい方まで、必ず役に立つ1冊です。
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