MicroPython Programming for ESP32 [9]

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

บทความนี้กล่าวถึง การสร้างคลาสในภาษา MicroPython เพื่อนำมาใช้กับโมดูลที่ใช้ชิป TM1638 ควบคุมการทำงานของ LED จำนวน 8 ดวง ตัวแสดงผลแบบ 7-Segment จำนวน 8 หลักและปุ่มกด Push Button จำนวน 8 ตำแหน่ง

TM1638

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

TM1638 เป็นไอซีที่ผลิตโดยบริษัท TITAN Micro Electronics ในประเทศจีน เหมาะสำหรับนำมาใช้ควบคุม LED Array / LED 7-Segment Display และสามารถต่อกับปุ่มกด (Push Buttons) หรือแบบแป้นกดคีย์ (Keypad) ได้

รูปแสดงตำแหน่งขาของไอซี TM1637

ตัวอย่างโมดูล 8-Digit 7-Segment Display / 8-bit Push Buttons & LEDs

การเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้เพียงสัญญาณ 3 เส้นคือ CLK, DIO และ STB

• CLK ใช้สำหรับกำหนดจังหวะการส่งข้อมูล โดยใช้วิธีเลื่อนบิตตามขอบขาขึ้น
• DIO ใช้สำหรับเลื่อนบิต ทำงานได้สองทิศทาง เป็นเอาต์พุตหรืออินพุต การเลื่อนบิตจะเริ่มด้วย LSB First ในทิศทางอินพุตเป็นการรับข้อมูล และใช้ในกรณีที่อ่านค่าดูว่า มีการกดปุ่มหรือไม่ จากขั้นตอน Key Scan
• STB เป็นขา Strobe หรือ Chip Select ทำงานแบบ Active-Low (STB=Low เริ่มต้นการสื่อสารข้อมูล, STB=High จบการทำงาน) สถานะปรกติ (Idle) จะเป็น High

การควบคุมการทำงานของ TM1638 จะต้องใช้ชุดคำสั่ง (Instruction Set) ซึ่งประกอบด้วย 3 คำสั่งพื้นฐานดังนี้ (**Datasheet**)

• CMD1: data instruction set (0x40) สำหรับเริ่มต้นการเขียนหรืออ่านข้อมูล ถ้าเป็นการเขียนข้อมูล ก็จะเป็นการกำหนดค่าบิตให้ LEDs หรือ 7-Segment Display แต่ถ้าเป็นการอ่านข้อมูล จะใช้สำหรับตรวจสอบสถานะการกดปุ่มนอกจากนั้นยังระบุได้อีกว่า เมื่อมีการเขียนหรืออ่านข้อมูลหนึ่งไบต์แล้ว จะให้แอดเดรสเพิ่มโดยอัตโนมัติด้วยหรือไม่ (Auto Address Increment) เป็นต้น
• CMD2: address instruction set (0xC0) สำหรับกำหนดแอดเดรส (Address) หรือตำแหน่ง (เริ่มต้น) ที่ข้อมูลไบต์จะถูกเขียนลงไป และมีแอดเดรสอยู่ในช่วง 00h .. 1Fh
• CMD3: display instruction set (0x80) สำหรับกำหนดค่าความสว่าง (Brightness) หรือ เปิด/ปิดการแสดงผล (Display On/Off) เป็นต้น

การใช้คำสั่ง Data Instruction Set (0x40) จะต้องมีการกำหนดค่า Flags ดังนี้

• Write data to register: 0x00 เพื่อเขียนข้อมูลไปยัง TM1638 ลงในรีจิสเตอร์
• Read key-scan data: 0x02 เพื่ออ่านข้อมูลที่ได้จากการสแกนอินพุต
• Auto-address increment: 0x00 เลือกใช้โหมดเพิ่มแอดเดรสโดยอัตโนมัติ
• Fixed-address: 0x04 ไม่ใช่โหมดเพิ่มแอดเดรส
• Normal mode: 0x00 ใช้โหมดทำงานปรกติ
• Test mode: 0x08 ใช้โหมดทดสอบ

ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเขียนค่าให้คำสั่ง CMD1 เป็น (**0x40 | 0x02) ก็หมายถึง การอ่านค่าจาก Key-Scan Data** เป็นต้น

การใช้คำสั่ง CMD1, CMD2 หรือ CMD3 แต่ละคำสั่ง เริ่มต้นจะต้องทำให้ขา STB เป็น LOW (Active) แล้วจึงส่งคำสั่งหรือข้อมูลออกไป และเมื่อส่งเสร็จแล้ว ให้ขา STB เป็น HIGH (Inactive)

ตัวอย่างลำดับการส่งคำสั่งและข้อมูลไปยัง TM1638 (Datasheet)

ตัวอย่างผังวงจร (Schematic)

ตามรูปตัวอย่างผังวงจร จะเห็นได้ว่า ตัวแสดงผล 7-Segment Display มีทั้งหมด 8 หลัก (Digits) แต่ละตัวจะใช้ขาสัญญาณ SEG1/KS1 .. SEG8/KS8 จาก TM1638 มากำหนดสถานะของ LED Segments (a,b,c,d,e,f,g และ dot หรือ DP)

ข้อสังเกต: ขา SEG1/KS1 .. SEG8/KS8 จะใช้สำหรับการอ่านสถานะของปุ่มกดด้วย (KeyScan Input) จำนวน 8 ปุ่ม

ขาสัญญาณ GRID1 .. GRID8 จะทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมการทำงานของ 7-Segment แต่ละหลัก (ควบคุมการเปิดหรือปิดการไหลของกระแส) เรียงไปตามลำดับ แบ่งช่วงเวลากัน (Timing Multiplexing)

ขา SEG9 จะใช้ควบคุมการทำงานของ LEDs (Red) อีก 8 ดวง ในขณะที่ SEG10 ไม่ได้ต่อใช้งาน

เนื่องจาก มี SEG1 .. SEG10 ซึ่งหมายถึง จะต้องใช้ 10 บิต ในการการกำหนดสถานะลอจิก ถ้านับให้เป็นไบต์ จึงต้องใช้ข้อมูล 2 ไบต์ (High Byte และ Low Byte) และเนื่องจากมี 8 หลัก จึงมีแอดเดรสสำหรับข้อมูล 16 ตำแหน่ง

• ข้อมูลที่เขียนลงในแอดเดรสที่เป็นเลขคู่ เช่น **00h, 02h, … จะใช้สำหรับ SEG9 และ SEG10**
• ข้อมูลที่เขียนลงในแอดเดรสที่เป็นเลขคี่ เช่น **01h, 03h, … จะใช้สำหรับกำหนดสถานะของ 7-Segment Display (SEG1 .. SEG8)**

ขา K1, K2, K3 เป็นขาสำหรับการสแกนปุ่มกด (ใช้สำหรับ Push Buttons จำนวน 3 แถว ๆ ละ 8 ปุ่ม) แต่สำหรับตามผังวงจรของโมดูลที่ได้เลือกมาใช้งาน จะมีเพียงขา K3 เท่านั้นที่ต่อใช้งาน เนื่องจากมีปุ่มกดแถวเดียว

การตรวจสอบสถานะปุ่มกด จะต้องอ่านข้อมูล 4 ไบต์ และเนื่องจากว่า มีแถวเดียวซึ่งตรงกับ K3 ดังนั้นให้อ่านและตรวจสอบที่บิต B0 และบิตที่ B4 ถ้าบิตมีค่าเป็น 1 แสดงว่า มีการกดปุ่มในขณะนั้น

• ไบต์ที่ 1 (BYTE1) แสดงสถานะของปุ่มกด 2 ปุ่มที่ตรงกับ KS1 (B0) และ KS2 (B4)
• ไบต์ที่ 2 (BYTE2) แสดงสถานะของปุ่มกด 2 ปุ่มที่ตรงกับ KS3 (B0) และ KS4 (B4)
• ไบต์ที่ 3 (BYTE3) แสดงสถานะของปุ่มกด 2 ปุ่มที่ตรงกับ KS5 (B0) และ KS6 (B4)
• ไบต์ที่ 4 (BYTE4) แสดงสถานะของปุ่มกด 2 ปุ่มที่ตรงกับ KS7 (B0) และ KS8 (B4)

ตารางแสดงลำดับการอ่านข้อมูลจาก TM1638 เพื่อตรวจสอบสถานะปุ่มกด

การคลาส MicroPython สำหรับ TM1638

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

มาดูตัวอย่างการเขียนโค้ด MicroPython เพื่อสร้างคลาส TM1638 สำหรับนำมาใช้งาน มีคำสั่งที่เรียกใช้ เช่น

• **on()** เปิดการทำงานของตัวแสดงผล
• **off()** ปิดการทำงานของตัวแสดงผล
• **brightness() กำหนดระดับความสว่างของ LEDs เลือกได้ 0..7** (จากต่ำสุดถึงสูงสุด)
• **write() ใช้สำหรับเขียนคำสั่งและข้อมูลเพื่อกำหนดสถานะการทำงานของ LED หรือ 7-Segment **ตามแอดเดรสที่ระบุ
• **led() กำหนดสถานะ on/off ของ LED ตามตำแหน่งที่ระบุ (pos=0..7**)
• **segments() กำหนดข้อมูลสำหรับแสดงสถานะของ 7-Segment Display ในตำแหน่งที่ระบุ (pos=0..7**)
• **read_buttons()** อ่านข้อมูลสถานะของปุ่มกดทั้ง 8 ปุ่ม ได้ค่ากลับคืนเป็นไบต์

# file: tm1638.py
from micropython import const
from machine import Pin
from time import sleep_us, sleep_ms

DIGITS = bytearray(b'\x3F\x06\x5B\x4F\x66\x6D\x7D\x07\x7F\x6F')

class TM1638():
    _CMD1 = const(0x40)       # data command
    _CMD2 = const(0xC0)       # address command
    _CMD3 = const(0x80)       # display control command
    _KEY_READ = const(0x02)   # read key scan data flag for CMD1
    _DISP_ON  = const(0x08)   # display on flag for CMD3

    def __init__(self, stb, clk, dio, brightness=7):
        self._stb = stb
        self._clk = clk
        self._dio = dio
        self._brightness = brightness # 0..7
        self._disp_on    = _DISP_ON
        self._clk.init( Pin.OUT, value=1 )
        self._dio.init( Pin.OUT, value=0 )
        self._stb.init( Pin.OUT, value=1 )
        self.clear()

    def _write_byte(self, b):
        for i in range(8):
            self._clk(0)
            self._dio((b >> i) & 1) # LSB first
            self._clk(1)

    def _cmd1(self):
        self._stb(0) # start 
        # write mode, auto-increment addressing, normal mode
        self._write_byte(_CMD1)
        self._stb(1) # stop

    def _cmd2(self, data, addr=0):
        self._stb(0) # start
        # set address start, followed by one data byte 
        self._write_byte( _CMD2 | (addr & 0xf) )
        if isinstance(data,list):
            for b in data:
                self._write_byte( b )
                sleep_us(1)
        else:
            self._write_byte( data )
        self._stb(1) # stop

    def _cmd3(self):
        self._stb(0) # start
        # display command: display on, set brightness
        self._write_byte( _CMD3 | self._disp_on | self._brightness )
        self._stb(1) # stop

    def on(self):
        self._disp_on = _DISP_ON
        self._cmd3()

    def off(self):
        self._disp_on = 0
        self._cmd3()

    def brightness(self, val=7):
        self._brightness = val & 0b111
        self._cmd3()

    def clear(self):
        self.write( 16*[0], 0 )

    def write(self, data, addr=0):
        self._cmd1()
        self._cmd2( data, addr )
        self._cmd3()

    def led(self, pos, value):
        self._cmd1()
        self._cmd2( value, (pos << 1) | 1 )

    def segment(self, pos, value):
        self._cmd1()
        self._cmd2( value, (pos << 1) )

    def read_buttons(self):
        value = 0
        self._stb(0)
        self._write_byte( _CMD1 | _KEY_READ )
        self._dio.init( Pin.IN, Pin.PULL_UP )
        for j in range(4): # read 4 bytes
            temp = 0
            for i in range(4): # read nibble
                self._clk(0)
                if self._dio.value():
                    temp = 0x08
                self._clk(1)
            for i in range(4): # read nibble
                self._clk(0)
                if self._dio.value():
                    temp = 0x80
                self._clk(1)
            value = (value >> 1) | temp
        self._dio.init( Pin.OUT, 0 )
        self._stb(1)
        return value

ตัวอย่าง: แสดงค่า Pi บน 7-Segment Display

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

ตัวอย่างแรกที่สาธิตการใช้คลาส TM1638 เป็นการแสดงตัวเลขของค่า Pi จำนวน 7 หลักหลังจุดทศนิยม (Decimal Point)

ในการต่อวงจรระหว่าง ESP32 กับ TM1638 ก็ใช้แรงดันไฟเลี้ยง 3.3V และ GND จากบอร์ด ESP32 และในตัวอย่างนี้ได้เลือกใช้ขา GPIO23=STB, GPIO22=CLK และ GPIO21=DIO ตามลำดับ

import tm1638
from machine import Pin
import utime as time
import math

tm = tm1638.TM1638(stb=Pin(23), clk=Pin(22), dio=Pin(21))
tm.clear()
tm.brightness(4)

x = int(math.pi*10e6) # calculate Pi value (truncated)
for i in range(8):
    value = tm1638.DIGITS[ x%10 ]
    if i==7:
        value |= 0x80 # show dot (DP)
    tm.segment( 7-i, value )
    x //= 10
time.sleep(3.0)
tm.off()
del tm

ตัวอย่าง: อ่านค่าปุ่มกดและแสดงค่าตัวนับในแต่ละหลักของ 7-Segment Display

‍‍‍‍‍‍ ‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍‍‍‍‍ ‍‍

ตัวอย่างที่สอง สาธิตการเปิดหรือปิด LED แต่ละดวงเรียงไปตามลำดับ ถัดไปทำให้ 7-Segment Display ทั้ง 8 ตำแหน่ง แสดงตัวเลขเริ่มต้นเป็น 0 ทุกตำแหน่ง

เมื่อมีการกดปุ่มใดปุ่มหนึ่ง จะทำให้ LED ที่ตรงกับตำแหน่งของปุ่มกดสว่างขึ้น แล้วจะเพิ่มค่าตัวเลขในตำแหน่งดังกล่าวทีละหนึ่ง ถ้ากดปุ่มค้าง จะทำให้ตัวเลขเพิ่มขึ้นต่อเนื่อง และถ้าเพิ่มให้ถึง 9 ถัดไปกลับไปเริ่มที่ 0 ใหม่

# file: tm1638_demo.py
import tm1638
from machine import Pin
import utime as time

tm = tm1638.TM1638(stb=Pin(23), clk=Pin(22), dio=Pin(21))
tm.on()
tm.brightness(7)
tm.clear()

for i in range(8): # 0,1,2...,7
    tm.led(i, 1) # turn on LED at position i
    time.sleep_ms(50)

for i in range(7,-1,-1): # 7,6,...,0
    tm.led(i, 0) # turn off LED at position i
    time.sleep_ms(50)

values = 8*[0]
try:
    while True:
        # read input buttons
        input_bits = tm.read_buttons()
        for i in range(8): # check input button
            # if the button is pressed, increment the values[i]
            if (input_bits&1) == 1:  
                values[i] = (values[i]+1) % 10
            # update the LED status (turn on if pressed)
            tm.led( i, (input_bits&1) )
            # shift bits to the right
            input_bits >>= 1
            # update 7-segment status
            tm.segment( i, tm1638.DIGITS[ values[i] ] )
        time.sleep_ms(150)
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    tm.off()
    print('Done')

ตัวอย่างอุปกรณ์ที่ได้นำมาทดสอบ

โดยสรุป เราได้เรียนรู้หลักการทำงานของโมดูล TM1638 ในเบื้องต้น และได้เห็นตัวอย่างการสร้างคลาสในภาษา MicroPython และตัวอย่างสาธิตการใช้บอร์ด ESP32 ร่วมกับโมดูล TM1638 ที่มี LEDs / 7-Segments / Push Buttons ขนาด 8 บิต … หวังว่า จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ที่สนใจเรียนรู้ภาษา Python แบบสัมผัสฮาร์ดแวร์นะครับ