キャラクタLCDモジュール I2C化アダプタ

寄り道開発

「I2C-EEPROM使用 湿度温度ロガーお試し版」の最後に書いたロガー第2弾の構成を検討したところ、3.3Vと5VのI2Cデバイスを利用することになりました。電圧変換の仕組みが必要です。とりあえずOLED（3.3VのI2Cデバイス）の代わりにLCD(5V)を使って開発を進めまし……進めようとしたところで気付きました。「I2C接続のLCDを持ってない」。というわけで、まずそれを作ることにしました。ちょうどそのタイミングでI2Cレベル変換モジュールを入手することができたので、練習を兼ねて使ってみることにしました。結局、 ・任意のキャラクターLCDモジュール(5V)をI2C化するアダプタ。 ・I2Cバスが3.3Vでも5Vでも気にせず接続できる。 というものを作ることにしました。

I2Cレベル変換の必要性

I2Cに限らず一般に、異なる電圧で動作するデバイスを接続するには注意が必要です。そのまま接続すると、低電圧側のデバイスでは受信するHiの信号レベルが許容値以上の電圧かもしれず、デバイスが壊れる可能性があります。高電圧側のデバイスでは受信するHiの信号レベルが足りないかもしれず、Loと判定する可能性があります。 (1) 本アダプタは、I2Cのスレーブデバイスです。図のように、内部的にはマイコン(AVR)がLCDモジュール（以下LCD）を操作したりI2Cバスと接続して通信を行ったりします。LCDは5Vで動作します。マイコンは2.7〜5Vで動作します。 今、3.3Vで動作するマスターデバイスに本アダプタを接続することを考えます。 (2a) マスターデバイスの電圧に合わせ、マイコンを3.3Vで動作させるとします。このときI2Cバスの信号レベルも3.3Vになります。一方、LCDとも3.3Vで通信することになりますが、LCDは5Vで動作しているため信号レベルも5Vが基準となります。ここで電圧の不整合が起こります。 (2b) ではLCDの電圧に合わせ、マイコンを5Vで動作させるとします。それならLCDとの間に信号レベルの問題はありません。しかしマスターデバイスとも5Vで通信することになり、ここで電圧の不整合が起こります。 (3) LCDはいつでも5V動作なのでマイコンをそれに合わせるとすれば、I2Cバスの方で3.3V〜5V間のつじつまを合わせることになります。そのための専用ICがあります。I2Cの信号電圧を双方向に変換するICです。これをI2Cデバイス間に挟めば、電圧の不整合を起こさず通信することができるようになります。 条件付きで… 条件付きですが、I2Cレベル変換なしでデバイスを接続する方法もあります。 上図(2a)において、LCD(5V)からマイコン(3.3V)への出力信号がなければ、マイコンはダメージを受けません。ここで、LCDがHiを受信するときにHiであると認める信号レベル（閾値）は、通常のキャラクターLCDモジュールだと2.2〜2.5Vです（TTLレベル。データシートを確認すること）。マイコンからLCDへ送信するHi(3.3V)がLoと誤認されることはないと考えられます。 この仕組みを利用する場合、マイコン(3.3V)とLCD(5V)の電圧が安定していることが必要です。少なくとも、ノイズや負荷によって電圧が変動することがあったときに、マイコンのHiがLCDのHiの閾値を下回ってはいけません。

回路図とプログラム

回路図 動作テスト時にVCCとGNDのワイヤーを逆に挿してI2Cレベル変換モジュールを壊してしまいました。その失敗から電源ラインにSBDを入れています。0.4Vの電圧降下がありました。I2Cレベル変換モジュールは1.7Vから動作することになっていますが、SBDの電圧降下とHT7750の変換効率を考慮し、現実的には2.7Vの回路から利用可といったところです。 動作電圧と通信速度から、I2Cのプルアップ抵抗は2kΩが妥当なようです。実験中、4.7kΩでも問題ありませんでした。 ※工作物にはうっかり1kΩを付けてしまったが問題なく動いている。でも少し後悔。 本アダプタのI2Cスレーブアドレスは 0111100 または 0111101 です。JMPを切り替えてどちらか選べます。これにより、I2Cバスに本アダプタを2個まで接続することができます。また、回路内に同じスレーブアドレスのデバイスがあるときに、こちら側で回避するという使い方もあります。※アドレスの値はI2CのOLED（グラフィックディスプレイ）を参考にした。 本アダプタの中心となるマイコンはAVR ATtiny20です。I2Cのスレーブ機能を内蔵しています（マスター機能はない）。ピン数もLCDを動かすのに十分で、まさにこういった目的のためにあるようなマイコンです。 ATtiny20の性能上、通信速度は100kHzが限度のようです。マスターから400kHzの通信を試みてもエラーにはなりませんが、期待した速さは出ません。※[Application Note] Atmel AVR290: Avoid Clock Stretch with Atmel tinyAVR - (pdf) ATtiny20を基板に取り付けた状態でファームの書き込みができます。 本アダプタはLCDのコントラスト（文字の濃さ）調整の抵抗と、バックライトの明るさ調整の抵抗を含みません。コントラスト調整の抵抗は、LCDモジュールにより取り付け方（配線）が異なることがあるためです。 参考までに…　もし本アダプタを5V専用として作るなら、HT7750の昇圧部とI2Cレベル変換部を省略できます。主要な部品がATtiny20とプルアップ抵抗2本だけというシンプルな構成になります。 配線図 完成／動作中の様子 計画変更により、昇圧回路をモジュール化したことに意味が無くなりましたが、せっかくなので使うことにしました。それでこんな形の完成品です。使用しているLCDは「LCDモジュール SC162シリーズ」で紹介したものです。 動作デモは、I2CマスターデバイスとしてATmega88Pが3.3Vで動作しています。LCDは16x2サイズのものに対し、10x2の表示範囲で、2行つながり上書きモード、カーソル表示、を指定しました。右上から左下にかけて「65535」が自動改行されています。また、右下「P4」の次は左上「P5」に続いています。最初に左上に書いてあった文字は上書きされています。「abc」の右側の「P」がぼやけているのは、その位置でカーソルがブリンクしているためです。おかげで、この「P」が画面内で最も古い文字で、手前の「c」が最も新しい（最後に書かれた）文字だということが分かります。カーソルを表示しないモードだと画面上のどこまで上書きされたのか分かりません。 【参考】 秋月のI2Cレベル変換モジュール[M-05825]は穴が半分の形でピンが付けにくいです（写真・右）。スルーホール基板に表面実装する分には良さそうですが。 16穴基板[P-02515]と重ねて（間にポリイミドテープを挟んで絶縁する）、基板用リードフレーム[C-07011]を使ってみました（写真・左）。手間はかかりますが、ICソケットに挿せる足が付いて少し便利になりました。 元々付属している細ピンヘッダはブレッドボードに挿すには適しています。しかし基板にハンダ付けするには長いし、ICソケットに挿すには太いし、ピンソケットに挿すには細くて緩いしで、基板の工作には向いていません。

その後、手直ししました

上記の完成品がどうしても使いづらかったので、自分が本当に望む形に作り替えました。LCDモジュールのピンが手前に出ていたのを基板の裏側へ出すようにしました。LCDと重ねて取り付けられるようになり、使いやすくなりました。 写真のLCD(DigiTron SC162C)の端子の位置と並び順はメジャーではないかもしれません。多くのLCDは左側2列か、上辺1列（左から1:GND, 2:VCC, 3:Vo, …, 14:DB7, 15:LED-A, 16:LED-K）のようです。