LiquidCrystal без I2C: классика по 4 проводам

У друга из радиокружка я однажды выпросил второй LCD 16x2 — без модуля I2C, просто стеклянный бутерброд с шестнадцатью ножками снизу. Пришлось вспоминать классическую схему: шесть сигнальных проводов, питание, земля и отдельный потенциометр на контраст. Тогда я был уверен, что это шаг назад, — и ошибся. Параллельное подключение до сих пор живёт не по инерции: у него есть сценарии, где оно объективно лучше шины I2C, и умение развести дисплей «по-старому» не раз выручало меня в проектах, где каждый пин на счету, а шина уже занята другими устройствами.

В этом уроке разберём 4-битный режим контроллера HD44780: что делают линии RS и E, почему линию RW прижимают к земле и как шесть проводов заменяют десять. Соберём стандартную схему из примеров Arduino IDE — LiquidCrystal(12, 11, 5, 4, 3, 2) — и убедимся, что в симуляторе экран ведёт себя в точности как I2C-вариант из прошлого урока: меняются провода, а не язык рисования.

Контроллер HD44780 умеет общаться двумя способами. В 8-битном режиме байт команды передаётся целиком по восьми линиям данных — плюс управляющие, итого десять проводов. В 4-битном режиме байт режется на две половинки по четыре бита — старшую и младшую, — и линий данных нужно всего четыре. Плата лишнего такта на передачу почти не замечает: экран и так успевает обновляться десятки раз в секунду, а человеческий глаз больших скоростей от символьного дисплея и не ждёт. Поэтому библиотеки исторически используют именно 4-битный режим — экономия проводов дороже потерянных наносекунд.

Теперь управляющие линии, их всего две с половиной. RS (register select) выбирает регистр: низкий уровень значит «сейчас пойдёт команда», высокий — «сейчас пойдёт символ для отрисовки». E (enable) — строб: по фронту импульса на этой линии контроллер читает данные. RW (read/write) задаёт направление обмена, но дисплею почти никогда не нужно ничего читать, поэтому RW сажают на землю навсегда — шина становится линией только записи. Линии D4–D7 несут сами данные, а D0–D3 остаются неподключёнными. Итого RS, E, D4, D5, D6, D7 — те самые шесть сигнальных проводов из заголовка.

И принципиальное отличие от I2C-варианта: контраст. На модуле с переходником подстроечник уже распаян, а «голому» дисплею нужен внешний потенциометр на 10 кОм между 5 В и землёй, движок — на вывод V0. Без него вы увидите либо пустоту, либо залитые квадраты, потому что контраст — это физическое напряжение, а не программная настройка, и никакой код его не заменит.

Конструктор принимает номера пинов в строгом порядке: RS, E, D4, D5, D6, D7. Перепутаете пару линий — экран молчит или рисует мусор, и это нормальная часть пути: ни одну свою первую параллельную схему я не собрал без одной перепутанной ножки. lcd.begin(16, 2) инициализирует контроллер и сообщает библиотеке размер экрана — аналог пары из lcd.init() и размеров в конструкторе у I2C-версии. Дальше начинается приятное: setCursor(), print() и работа с курсором совпадают до буквы. Библиотеки разные, а язык рисования общий, потому что обе в итоге переводят одни и те же команды HD44780.

Из этого следует практический вывод, который экономит кучу сил: логику скетча можно писать, вообще не думая об интерфейсе. Термометр из прошлого урока переезжает с I2C на параллельную схему заменой трёх строк — подключение, конструктор, инициализация. Всё, что касается позиций, затирания пробелами и обновления значений, остаётся как было.

Любопытно заглянуть под капот передачи. Библиотека на каждый байт сначала выставляет старшую четвёрку бит на D4–D7 и дёргает линию E, потом младшую — и дёргает E ещё раз. RS при этом держится в нужном состоянии: низко для команды, высоко для символа. На этой механике построены обе библиотеки раздела, и если когда-нибудь придётся работать с дисплеем без библиотеки вовсе — например, на экзотическом процессоре, — вы будете знать, что именно мигать линиями и в каком порядке.

Если пинов хватает и шина свободна, я, как и большинство, ставлю модуль I2C: два провода вместо шести, меньше пайки, макетку пересобрал за минуту. Но три сценария заставляют меня брать параллельную схему. Первый: шина I2C уже занята часами, датчиками, памятью — каждый новый адрес это риск конфликта, а дисплей на своих шести пинах никого не трогает. Второй: скорость. Параллельный интерфейс обновляет экран заметно быстрее, и если вы рисуете бегущую строку или анимацию, разница видна глазом. Третий — житейский: в ящике у меня лежит горсть дешёвых дисплеев без переходников; подключить их напрямую проще и дешевле, чем паять модуль.

Отдельно про 20x4, потому что запрос «дисплей 20x4 подключение» звучит постоянно. Это та же семья HD44780: четыре строки по двадцать символов, подключение идентичное, меняются только begin(20, 4) и размеры в конструкторе I2C-версии. Потенциометр контраста всё так же обязателен, адреса переходников — те же 0x27 и 0x3F, строки нумеруются с нуля до трёх. Купите такой экран — этот абзац будет единственной разницей.

Теперь оба интерфейса у вас в руках: I2C для быстрых сборок и параллельная классика для плотных проектов. Заметьте, как мало изменилось между уроками: провода и две строки инициализации — вот и вся разница, потому что оба пути упираются в один и тот же контроллер сорокалетней давности. Дальше по плану самое интересное: берём дисплей под полный контроль — меню из трёх пунктов, курсор-стрелка и обновление значений без единого мерцания.