2013年06月13日

Arduino Due+DueVGAライブラリでFONTX2形式日本語を画面表示するモジュールを作成

Arduino Dueボードを使用して、VGAモニターやコンポジットビデオ出力に対して出力を行うDueVGAライブラリを実験します。また、DueVGAとの組み合わせで日本語表示を自在に行うライブラリをを作成してみました。本記事はその実験をしてみた記録になります。

IMG_20130613_234551resized.jpg
Arduino Dueは、その他のArduinoとは異なり、ATMEL社のARM Cortex-M3コアのマイコンボードで、高速な処理速度と、大容量ROM/RAMを搭載しています。
このArduino Dueには、映像出力は搭載していないのですが、DueVGAというライブラリを使用することで、VGAモノクロ、VGAカラー、コンポジットビデオ出力NTSC/PALを 出力する事ができます。

https://github.com/stimmer/DueVGA/

モノクロVGAは、白黒2値出力ですが、800×600の解像度まで対応します。カラーVGAは、320×240です。
また、コンポジットビデオ出力の場合、NTSCは320×200、PALは320×240となります。
出力信号はDMACやシリアルI/Oその他ATSAM3Xの持つハード機能を巧みに組み合わせて作成されてるようです。

今回は、VGA出力のモノクロとカラーを試してみたいと思います。モノクロの場合、VGAコネクタ1個、100Ω抵抗一本、各種線材を以下の図のように接続するだけで、簡単に
モニター出力を得ることができます。
DueVGA_Connection.png
カラーVGAの場合は、以下のように接続します(README.txtより引用)
全て繋ぐのが面倒であれば、R、G、Bのそれぞれ1本だけ、一番抵抗値の小さいものを繋げば8色カラーになります。
For VGA colour:
---------------
Upload File->Examples->VGA->HelloWorldColour
Connect Due to monitor as follows:

Due pin 34 -> 820R resistor -> VGA pin 3 (blue)
Due pin 35 -> 390R resistor -> VGA pin 3 (blue)

Due pin 36 -> 2k2 resistor -> VGA pin 2 (green)
Due pin 37 -> 1k resistor -> VGA pin 2 (green)
Due pin 38 -> 470R resistor -> VGA pin 2 (green)

Due pin 39 -> 2k2 resistor -> VGA pin 1 (red)
Due pin 40 -> 1k resistor -> VGA pin 1 (red)
Due pin 41 -> 470R resistor -> VGA pin 1(red)

Due pin 42 -> VGA pin 14 (VSync)
Due pin 43 -> VGA pin 13 (HSync)

Due pin GND -> VGA pins 5,6,7,8,10

コンポジットビデオ出力の場合、以下のように接続します。実は、僕もNTSC出力を試したのですが、手持ちのモニターではNTSCの色情報をきちんと認識
しなかったのでテストはあまりしていません。

For NTSC/PAL:
-------------
Upload File->Examples->VGA->DrawingTestNTSC (or DrawingTestPAL)
Connect Due to TV as follows:

Due pin 36 -> 3k3  resistor -> Video In
Due pin 37 -> 1k6  resistor -> Video In
Due pin 38 -> 820R resistor -> Video In
Due pin 39 -> 390R resistor -> Video In
Due pin 40 -> 200R resistor -> Video In
Due pin 41 -> 100R resistor -> Video In

Due pin GND -> Video GND


このDue VGAライブラリではプリミティブな描画機能(線描画や塗りつぶし矩形、アスキーコードのキャラ描画など)を持つAPIを提供してくれていて、以下のようなスケッチを
実行するだけで簡単に画面描画出来ます。
ここに、日本語文字列表示のライブラリを追加してみることにしました!

日本語文字の表示は、僕が昔書いていた、本サイトの前身?であるProject C3というところで取り上げた、「H8とノリタケ伊勢電子(株)のドットマトリクスVFDで、ビットマップ描画と漢字を取り扱う」
という記事のコードを掘り起こしました。
http://hp.vector.co.jp/authors/VA007110/technicalworkshop/vfd_bitmap_japanese/index.html

ここでは、FONTX2形式を使用します。FONTX2形式についても、昔僕が書いていたサイトのリンクを置くことで省略します^^;
http://hp.vector.co.jp/authors/VA007110/technicalworkshop/fontxstudy/index.html
# しかしもう8年前なのか〜。。。

このライブラリを使用して文字列描画を行うライブラリが、Arduinoライブラリ「DrawFont」という、今回作成したライブラリです。
FONTX2形式は、上記のURLにも記した通り、シフトJISエンコーディングのデータ形式です。Arduino IDEのソースコードは、UTF-8です。
従ってUTF-8からShift-JISへの変換をしなければいけません。

調べると、日本語の表現範囲であれば、UTF-8をUTF-16にすることで2バイトにおさまります。このUTF16とJISとの変換表の改良版というのを、以下のURLで公開されていましたので、頂きました。
http://hp.vector.co.jp/authors/VA010341/unicode/
この変換表の約7000文字分のデータを効率よく省資源マイコンで活用するには、圧縮したり、ハッシュテーブル化するなど、工夫はいろいろ出来そうですが、今回は、Arduino DueがROM 512KBもあり、16×16のフォント(210Kバイト程度)を入れてもまだまだ空きは一杯あるので、完全にベタの変換配列を用意しました!
(と、かっこ良く言ってみましたが、工夫を何もしてないだけです。。。笑)
変換表から、配列への出力は、以下に貼りつけたRubyスクリプト「convert_utftable.rb」で行なってます(後述のgithubリポジトリ内にも入れてあります)。


convert_utftable.rb
# table converter
# coded by Yasuhiro ISHII,6/13/2013

file = "JIS_X_0208.txt"

table = Hash::new

f = File::open(file,"r")
while (l = f.gets)
  if l =~ /^0x([0-9A-F]{4}).0x([0-9A-F]{4})\r\n$/ then
    code_jis = $1.hex
    code_utf16 = $2.hex
    table[code_utf16] = code_jis
  end
end

f.close

(0..65535).each { |utf16|
  if table.has_key?(utf16) == true then
    printf("\t0x%04X,\t\t// 0x%04X\n",table[utf16],utf16)
  else
    printf("\t0x0000,\t\t// 0x%04X (dummy)\n",utf16)
  end
}

と、いうわけで、以下のようなスケッチで直接日本語表示をVGAモニターに行えるようになりました。
ライブラリは以下のgithubで公開しています。Arduino 1.5.2+Due VGAライブラリの組み合わせで動作確認済みです。

Arduinoライブラリ DrawLibのソースコード全体は、以下に置いています。
https://github.com/yishii/Arduino_FONTX2Lib_DrawFont

ライブラリ内に、8*16のASCIIフォントと、16*16の漢字フォントを盛り込んでいます。
ASCIIフォントは、以下のサイトにある、IPAフォントをベースとしたものを利用させて頂きました。
また、漢字については、16x16の東雲フォントを盛り込んでいます。

以下、Arduinoスケッチ例です。Arduinoライブラリディレクトリに、Due VGAライブラリと、先ほど説明したDrawFontライブラリを入れておけば、ビルド出来ます。

ちなみに、Arduino Dueは2つのUSBポートを搭載しています。(Programming PortとNative USB Port)
本スケッチのサイズは大きいので、Native USB Portを使用したほうが遥かに高速に書き換えできます!

#include <stdio.h>
#include <VGA.h>
#include <DrawFont.h>

#define LINE_CONV(x) (x*16)
void setup() {
  VGA.begin(800,600);
  Serial.begin(9600);
  drawFontInit();

  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"Arduino VGAライブラリと、自作日本語フォントライブラリのテスト",0,LINE_CONV(2),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"=============================================================",0,LINE_CONV(3),1,0,false);

  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"本日は晴天なり!!!  E-mail : ishii.yasuhiro@gmail.com",0,LINE_CONV(6),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"日本語の漢字データは、FONTX2形式でROM内に保持しています。",0,LINE_CONV(7),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"Arduino IDEのUTF-8を変換して表示しています。",0,LINE_CONV(8),1,0,false);
}

void loop() {
  char string[64];
  static int i;
  
  sprintf(string,"カウント値 = %04d    ",i++);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)string,0,LINE_CONV(15),1,0,true);
  
}
ではではー!
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2013年04月17日

Raspberry PiでSPIシリアルで有機ELにフレームバッファを表示する実験してみた

Raspberry Piでちょこちょこ遊んでおります石井です。

先日、本ブログにRaspberry PiのI2Cを使用する実験で簡易電圧電流計を作ってみたというのを書かせて頂きました。
http://projectc3.seesaa.net/article/350916175.html

こんどはSPIシリアルを試そうと思いまして、何か制御対象物ないかなーとマイ積み基板BOXを漁っていたところ、出てきたのがaitendoで1年前に買ってた数百円程度で買える有機ELモジュールです。このモジュールはバスインターフェース(6800タイプ or 8080タイプ)と、SPIに対応してるということなんですね。で、取り出しました。

今回使用したモジュールの、aitendoのサイトでの商品情報へのリンクはこちら。
http://www.aitendo.com/product/2099 ai_oled1.gif
http://www.aitendo.com/product/2484 ai_oled2.gif

上記リンクの内、上のはSPIシリアル専用の回路になっていて、下のはバスのピンも全部出されてます。とはいえ今回はSPIで使用するのでどちらでも適用可能です。僕は、下のタイプを手持ちしていたのでそれを使ってます。

接続はこんなイメージ。
oled_overview.png

試したところ、とりあえずSPIからの制御自体はできたので、表示データを用意すべく昔の資産を掘り起こして簡易的な描画ライブラリを考えましたが、LinuxのコンソールやXの描画に使用されているフレームバッファ(/dev/fb0)をそのまま展開してしまえば、と思い、今回はそうしてみました。


動作させた状態の動画を作りました。良かったらどーーぞー!

従って、以下の様にフレームバッファをSPI経由で有機LEDモジュールに周期的に領域コピーするような構成にします。

oled_block.png

結線は、以下のようにしてみました。有機ELモジュールのRS端子(D/C#端子)は、SPIで有機ELモジュールに対して通信している内容がコマンドなのか、データなのかを通知する為の信号です。
コマンドをやりとりする場合はLowにし、それ以外の時はHighに制御する為、Raspberry PiのGPIO_GEN0ピン(汎用入出力端子)を使用しています。

oled_connection.png

ディストリビューションはRaspbian "wheezy"を使用します。デフォルトではSPIシリアルはローダブルモジュールになっており、自動でロードされません。
以下のサイトに書いてあるような方法を参考にSPIのデバドラが叩けるようにしました。
http://www.pwv.co.jp/~take/TakeWiki/index.php?raspberrypi%2FSPI%E3%82%92%E8%A9%A6%E3%81%99

本記事のソースコードはgithubにて公開させていただいております。
https://github.com/yishii/RaspberryPi_SPI_OLED

Raspberry Pi環境でセルフビルドもできますし、PC上で、Ubuntu+Sourcery g++によるクロス環境でもビルド出来ました。src/Makefileに記載してますので、ご覧になってください。

有機ELモジュールはSPIモードで使用するため、変換基板ピンヘッダコネクタ部の3番、4番(BS1、BS2)は共にGNDに落としておきます。以下のように変換基板にすすメッキ線で配線しました。

oled_jumper.jpg

実際に結線したイメージはこちら。
P1130476resized.jpg

フレームバッファを展開するプログラムを作成し、実行すると、テキストもグラフィックも結構クッキリで、いい感じ。

oled_text.jpg
oled_bitmap.jpg
ss.jpg
それでは、コードを見ていきましょう。SPIの初期化です。有機ELコントローラの仕様書を参照すると、SPIのクロックは最高4[MHz]の規定ですが、高速に画面更新してみようということで、おためしで8[MHz]に設定しています。
一見問題なく使えているように見えますが、メーカーの仕様を超えた使い方であるので、商品等に組み込むソフトの制御などでは当然NGでしょうし、想定外の不具合の発生やデバイス寿命短縮などになるかもしれません。
void oled_main(void)
{
    int fd;
    int result;
    uint8_t mode = SPI_MODE_0;
    uint8_t bits = 8;
    //uint32_t speed = 4000000;
    uint32_t speed = 8000000; // on the spec,SCLK max freq=4[MHz]
    uint16_t delay;

    fd = open("/dev/spidev0.0",O_RDWR);
    if(fd == -1){
	printf("Device open error\n");
	return;
    }

    /*
      set SPI read/write mode
    */
    result = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE,&mode);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }
    result = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MODE,&mode);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }

    result = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD,&bits);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }
    result = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD,&bits);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }

    result = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ,&speed);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }
    result = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ,&speed);
    if(result < 0){
	printf("error(L%d)\n",__LINE__);
	return;
    }

フレームバッファは、以下のように/dev/fb0のデバイスをマップしてアクセスしています。

bool fb_init(void)
{
    int fb_fd;
    struct fb_var_screeninfo vinfo;

    fb_fd = open("/dev/fb0",O_RDWR);
    if(fb_fd < 0){
	printf("framebuffer open error\n");
	return(false);
    }

    if(ioctl(fb_fd,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)){
	printf("screen information retrieve error\n");
	return(false);
    }
    printf("%dx%d,%dbpp\n",vinfo.xres,vinfo.yres,vinfo.bits_per_pixel);

    screen_size_x = vinfo.xres;
    screen_size_y = vinfo.yres;
    screen_bpp = vinfo.bits_per_pixel;
  
    if(vinfo.bits_per_pixel != 16){
	printf("This color mode is not supported.\nOnly 16bpp is supported currently\n");
	return(false);
    }

    fb_mem = (volatile unsigned char*)mmap(
	NULL,
	(vinfo.xres*vinfo.yres*vinfo.bits_per_pixel) >> 3,
	PROT_READ|PROT_WRITE,
	MAP_SHARED,
	fb_fd,
	0);

    if(fb_mem == NULL){
	printf("framebuffer mapping error\n");
	return(false);
    }

    return(true);
}

シリアル通信でイメージデータと制御コマンドとを切り分けるのにRSという信号を使用しますが、これはGPIO17番を使用します。実装のgpiolib.cご覧ください。

このように結構いい感じにカラーのイメージ展開が出来ました!

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2013年04月07日

FPGAボードDE0とKYANITEを使ってHDMIモニターに画像を表示して遊んでみた

4月になり、ここ関西エリアの気候もどんどん暖かく、過ごしやすくなって来ました。今はまさに、桜満開といった感じですが、今週末は雨風きつくて、多少散ってしまうかもしれませんね。

さて、先日、NT京都という、ニコニコ技術部展示会イベントが京都市は西院にあります、春日幼稚園・春日神社境内で開催されてまして、今回僕は初めて見学させていただきました。
(去年もほぼ同じ時期にあったんですよね。都合が付かなくて参加できなかったのですが)

きっと、普通の神社なので会場としてはそれほど広くないんでしょーと勝手に予想してたのですがそれは間違いで、かなり広い面積に幅広い展示物が並んでまして、Make: meeting(Makers faire)っぽい感じ
もしました。すごく楽しかったです。



さて、このイベントではクリエイターの方々の作品も買うことが出来るようで、僕は長船氏(@s_osafune)作のDE0及びDE0-nanoボード用の拡張基板 KYANITE(カイヤナイト、でいいんですよね)を買ってみました。イベントでは、完成品もありましたが、自分で作ってみたいと思ってキット品を購入しました。

DE0及びDE0-nanoは、ALTERAのCycloneIII(-nanoはCycloneIV) FPGAと周辺回路を搭載したリーズナブルな(1万円前後?)ボードです。台湾Terasic社の製品です。(写真はDE0の端子側)
IMG_20130407_125837.jpg

僕はDE0は購入したのが1年4ヶ月くらい前で、作ったのはDE0ラジコンだけです。
http://projectc3.seesaa.net/article/248752693.html
この記事が2012年1月27日で、それくらいの時期からずーーーーっと戸棚に入ったままになってました。(反省。。。)
(今年は積み基板削減を目指しています!。笑)
※僕はFPGAでは上記ラジコンを作ったことがある程度ですので、記事中に間違ったことがあれば是非ご指摘下さいマセ。



さてさて、KYANITEは、DE0ボードに、HDMI出力、アナログ音声出力、USBホストポート、マイクロSDカードスロット、LANを提供してくれるボードです。
KYANITEボード自体は受動部品で構成され、制御は全てFPGA側に作りこむということのようで、HDMIやDVI出力の無い、本DE0(-nano)ハードに長船氏の手によりHDMI出力回路をFPGA上に作りこまれ、デモプロジェクトとして公開されています。
凄いですね〜!!

鈴木氏(@kskue)のブログで、DE0-nanoとKYANITEとの組み合わせで動作させる記事を書かれています。
[FPGA][DE0] DE0/DE0-nano拡張基板で.bmpファイルをHDMI出力 http://d.hatena.ne.jp/ksksue/20130403/1364984675

さて、KYANITE基板に部品を実装してみました。

IMG_20130406_205822resized.jpg
部品のほとんどは1608(ミリ表記)のチップ部品なので、チップ部品慣れしてない方は予めいらない基板で練習してからやると良いでしょう。

こんな感じで完成しました。LANポートはWIZnetのもの(別売)を搭載させるのですが、手持ちが無いので今は実装していません。
IMG_20130407_122704resized.jpgIMG_20130407_122757resized.jpg

デモプロジェクト関連は長船氏が公開されています。URLは鈴木氏のブログ記事にも記載ありますが、引用すると、以下です。
DE0用デモプロジェクト https://t.co/uz4mRicSzm
DE0-nano用デモプロジェクト https://t.co/JcZD4q8mBc

まずはQuartusIIにプロジェクトを読み込みます。僕は、QuartusII 32bit Version 12.1 Build 243 01/31/2013 SJ Web Editionを使用しました。そしたら、Fitter (Place & Route)で「Internal Error: Sub-system: VPR20KMAIN」なんてのを吐くので、Google先生に お伺いして、以下のALTERAのサポートページにあるような、quartus.iniをプロジェクトのトップディレクトリに置いたら回避出来ました。
http://www.altera.co.jp/support/kdb/solutions/rd12222009_898.html

NiosII側ではSDカードにbmpファイルを置いて展開させたいと思います。サンプルのbmp_testは、RGB555のベタのイメージをSDカードの/de0/test_vga.binに用意し、それを展開するようになってるようです。
一方、DE0-nanoのデモプロジェクトにはBMP形式をオープンしてビットマップに貼り付けるloadbmp関数というのがあったので、そのまま貰ってきて利用し、DE0側のbmp_test側で使用するようにしました。
以下はbmp_testのmain関数内のファイルをメモリーに読み出す箇所で、★部のようにしました。
#if 0
		if((fp = fopen("mmcfs:/de0/test_vga.bin","rb"))!= NULL) {
			fread(pFrameBuffer, 1, 1024*480*2, fp);
			fclose(fp);

			alt_dcache_flush(pFrameBuffer, 1024*480*2);
		} else {
			printf("[!] File not found.\n");
		}
#else // ★★以下が追加部分
		loadbmp("mmcfs:/de0/sample.bmp",pFrameBuffer);
#endif
SDカードは、本デモプロジェクトではKYANITE側ではなく、DE0側のフルサイズのSDカードスロットを使用します。

春なのに非常に秋らしい写真を表示してみました。笑 IMG_20130407_104549resized.jpg

ビットマップを表示する以外にも、本デモプロジェクトには、長船氏によるプリミティブな描画ライブラリ関数がたっぷり入っていて(nd_egl.h参照)、綺麗なGUIをFPGAからいろいろ描画することも出来そうです。
また是非試してみたいです。


というわけでこのKYANITEボードを使えば楽しくDE0と共に遊べそうです。Androidとも繋いでみたりしたいな。。と思いますが、また次回・・・


一年前に鈴木氏に教えてもらった本の紹介です。
QuartusIIでNiosIIを使用したプロジェクトをいじるのには、以下の本「FPGA ボードで学ぶ組込みシステム開発入門」が役立つと思います。
もしQuartusII初めて使うなら是非見てみてはいかがでしょうか!
FPGA ボードで学ぶ組込みシステム開発入門 〜Altera編〜
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