■液晶表示モジュールを４ビットモードで使ったときの空きピン処理

2017-09-20

※トランジスタ技術2005年9月号に掲載されました。

●NIFTYのFDEVICEで

　ずいぶん以前の話ですが、簡単なインターフェースで使える液晶表示器「ＳＣ１６０２」
に関し、NIFTYのフォーラム「FDEVICE」で疑問を投げかけたことがあります。
　　（液晶SC1602に関しては「秋月電子通商」のカタログホームページhttp://akizukidenshi.com/
　　　と、液晶モジュールの製造メーカーである「サンライク」社のホームページhttp://www.lcd-modules.com.tw/
　　　を参照してください。サフィックスによりバックライト付きなどのバージョンがあります。）
さて、その書き込みの内容です。

　その後、気にはなりながら、自分の設計物は上の書き込みのような方針で回路を描いています。
とくに問題にも出会わず、今に至っています。
また、たぶんこれが「DB0〜3をGNDに」という「原典」じゃないものかという資料の発掘にも成功して
おりましたが、忘れておりました。
　ひょんなことから、後閑哲也さんのホームページ「電子工作の実験室」「PIC初心者用掲示板」
http://www.picfun.com/treebbs/1/index.html
にこのことを書き込みましたところ、反響がありました。

※初心者掲示板の過去ログはこちら
http://www.picfun.com/bbslog.html

●手元にあった液晶モジュールでは

表示中の液晶です。　１６文字×２行のキャラクタータイプの液晶表示器です。 「SC1602BS*B-SA-GS-K」という形式名で、この写真はバックライトなしのものです。 バックライト付きのはバッテリチェッカで使っています。

これが、その液晶表示器の裏。 右端のコネクタ部に近いところに抵抗がいくつか並んでいますが、これは液晶のバイアス電圧を決めるためのもので、話題にしていますプルアップ抵抗ではありません。 プルアップ抵抗はチップ内部の半導体で作られています。 左側の「Ａ・Ｋ」というスルーホールにバックライトLEDがつながります。

液晶を表示制御している途中、液晶モジュールを接続しているコネクタを抜くなどして異常事態を起こすと、このようになります。 初期状態は８ビットモードで、４ビットモードとは制御方法が異なります。 運転中に初期状態になっても、４ビットモードでのbusy/readyチェックは正常に進みますので、制御側で知るすべがありません。

オープンにしたDB0〜DB3をGNDに短絡すると、およそ「0.1mA」の電流が流れます。 ４ビット分で0.4mAという値になります。 この液晶モジュールの消費電流をスタティックな状態（表示文字はあるがマイコンからの アクセスがない状態）で計ってみると「0.33mA」でした。 未使用端子をGNDにつなぐ使い方をすれば、消費電流がざっと倍になる勘定です。 これが多いか、少ないか・・・、いかがでしょうか。 　（異常事態が生じたときの電流は、下の方、オシロ波形を紹介しているところで 　　計っていますのでご覧ください。）

●これがDB0〜DB３をGNDに、という原典か？

PICマイコンで有名なマイクロチップ社から頂戴したデータブックＣＤ−ＲＯＭ。１９９６年版です。 この中のアプリケーションノート「AN587」に、４ビットモードで液晶表示モジュールを使ったときの回路例が紹介されていれています。 これのDB0〜DB3がGNDにつながっているのです。 これを丸写しして使った・・・というのが真相じゃないかと推理しています。

下の回路が上のCD-ROMで紹介されていたインターフェース回路です。 ドキュメントは「AN587A」、「１９９４年」となっています。 FIGURE 1B、1CともDB0〜DB3はGNDにつながっています。

現在、マイクロチップのホームページで参照できるアプリケーションノート http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00587b.pdf は、 下の図のように「587B」、「１９９７」となっています。 FIGURE 1Cの回路のGND接続が消されています。

●DB0〜DB3をGNDに落としてるとどうなるの？

　すでに記していますが、DB0〜DB7は双方向の信号です。
AN587のようにR/Wを使う使用方法では液晶側がデータを出力するタイミングが存在します。
（busy/readyチェックなどで）
４ビットモードでイニシャルされた後は、DB0〜3はプルアップされたフローティングとなり
液晶が出力することはありません。
正常に動作しているときは良いのですが、何かの拍子、ノイズとか電源ドロップなどの異常が発生して
液晶モジュールに載ったコントローラICがリセットされてしまうと、コントローラの初期状態である８ビット
モードになってしまいます。
すると、液晶がデータを出力するタイミングで、DB0〜DB3に乗る出力がGNDに短絡されてしまいます。
やはりこれはまずいでしょう。

　液晶モジュール内部でプルアップされているのですから、積極的にこれを利用して悪いはずはありません。
内蔵抵抗の値が大きいと感じるなら、もっと小さな値の抵抗を外部につないでプルアップすべきで、
GND接続はよくありません。

　R/W=GNDにしてあれば、液晶がデータを出力することはないのでDB0〜DB3をGNDに落としていても
かまわないような気がしますが、やはり元は双方向の信号です。電源が不安定になったときの挙動など
考えると、わざわざGNDにつなぐことはないでしょう。
内蔵プルアップを利用してオープンで使えば解決できることです。

SC1602は日立製のコントローラICと同じものが使われています。 入出力端子がどんな構造になっているか、日立のデータブックに載っていましたので紹介しておきます。 １９９７年のデーターブックから引用します。

下表のDB0〜DB3のところに、「４ビット動作のとき、この４本は使われませんので、オープンにしてください」と明確に記されています。

入出力信号端子の等価回路です。 Ｅ：プルアップなし ＲＳ、Ｒ／Ｗ：プルアップあり DB0〜DB7：プルアップあり　　となっています。

　DB0〜DB７、それにRS、R/Wには内蔵プルアップ抵抗が入っているのを頭に入れて回路を設計すべきでしょう。
外付け抵抗を付けるとしたら、プルアップでなくてはなりません。
抵抗でプルダウンすると、抵抗の値によっては、フローティング状態の信号レベルが中間値になってしまい、
内部回路に不要な電流が流れるかもしれません。

　それともうひとつ。忘れていけないのは「E」入力は裸のままだということです。
マイコンのI/Oポートを使って制御する場合、マイコンのポートが不安定になる電源投入時やリセット時など
のことを考えておかなくてはなりません。
EはＨアクティブなので「抵抗でプルダウン」が定石でしょう。

●信号波形

　４ビットモードで制御している様子をオシロスコープで観測してみました。
R/W制御あり、DB0〜DB3=オープンで使っています。電源電圧は5Vです。
未使用端子のDB0を「47kΩ」の抵抗でGNDにプルダウンしています。
DB0がフローティングになると、5V〜０Vの中間レベルになるので、どこからも駆動されて
いないことが目で見えます。
　液晶にデータを書き込んでからbusy/readyをチェックするという方法でタイミングをとって
います。
書き込み直後、busyが帰っている様子が見えています。

　上の図、下側の波形が４ビットモードから８ビットモードになったときの信号波形です。
液晶モジュール接続コネクタを一回抜いた後、また挿して初期化しました。
　DB7を見る限りハンドシェークはきちんと行われていますが、初期化が行われて
いませんので、液晶には何も表示されません。
　DB0の様子に注目してください。
４ビットモードではフローティングだったのが、８ビットモードになってデータの読み出しが
行われているのが見えています。
つまり、DB0〜DB3をGNDに落としていたら、液晶モジュールがHレベルを出したとき、
その出力電流がGNDに流れてしまいうわけです。
それほど強力なドライブ能力を持つわけではありませんので、チップを壊すことはないでしょうが、
やはり気持ちの悪いものです。

※双方向バスのフローティング状態を見るのに、この方法（プルアップ＋プルダウン）が便利です。
　PICマイコン書き込みツールのトラブル対策でも役に立っています。
　覚えておいて悪くないテクニックかと思います。

　４ビットモードでは未使用のDB0〜DB3を８ビットモードでGNDに短絡したとき、どのくらいの電流が
流れるか計ってみました。
４ビットモードで制御しているつもりなのに何かの拍子に８ビットモードになってしまった、ということが
条件です。また、R/Wを制御して液晶からのデータを読み出すという制御も行います。
この点お間違いなく。
　電流プローブなんて持っていませんので、抵抗をDB0・GND間に入れて、Ｈレベルの落ち込み
具合から推定します。

　このように、100Ωの抵抗でおよそ0.4Vという値が読みとれますので、約4mAと推定できます。
空きピン４本分で16mAです。

※だから・・・・・

　液晶モジュールにを４ビットモードで使用する場合の私の考えは、
「R/Wを使いながらDB0〜3をGNDにつないでいるのは、まずいぞ」
「R/WだけでなくDB0〜DB3をいっしょにGNDに落としているのは気持ち悪いなぁ」
です。

　実際のところ、DB0〜DB3をGNDに落としておいても実害はないでしょう。
ただ・・・出力に切り替わるかもしれない信号を、なんの防備もなしに直接
GNDに落とす回路例を初心者に見せるのは・・・いかがなものでしょうか。

●トラ技で見かけた回路

　CQ出版の「トランジスタ技術」に掲載されていた、この液晶（類似品を含む）を４ビットモードで使った回路を
ピックアップしてみました。
やはりPICマイコンでの使用例が多く見つかります。
しかし最近では新機種マイコンでの紹介例も目に付きます。

　これを見ますと、なぜか「R/W=GND 制御なし」で「DB0〜DB3オープン」という使用例がありません。
なぜでしょうね？

●液晶モジュールを４ビットモードで使った回路例

Webで見かけた液晶モジュールの使用例を紹介します。
　　　　　　※リンク切れ多数

●ちょっとばかり意見を発表