SPRESENSEで制御する7セグメントディスプレイの制作

はじめに

7セグメントLEDは数字の表示に用いられていますが、複数個を組み合わせることで画像や任意のパターン表示を行うことも可能です。
本記事では、SPRESENSEを用いて多数の7セグメントLEDを制御し、画像データや自作パターンを大型ディスプレイとして表示する装置を制作したので、その構成と実装方法について紹介します。

システム構成

本システムの構成図を以下に示します．
PCで表示したいデータを作成したあとにSPRESENSEよりデータを7セグメントLED制御基板へ送信します．

ハードウェア構成

基板構成

制御はSPRESENSEのメインボードと拡張ボードを使用して制御しました。
7セグメントディスプレイは縦8個 × 横8個、合計128個の7セグメントLEDを実装することで作製しました。 各7セグメントLEDは、シリアル接続されたシフトレジスタによって制御されます。

Autodesk EAGLEで制御基板データを作成し、JLCPCB様に発注しました。

---

制御方式

表示方式はダイナミック点灯を採用しました。
今回用いた7セグメントLEDはカソードコモンです。アノードは1つのセグメントあたり8本あり、行ごとにまとめてシフトレジスタの出力端子に接続しました。また，カソードは列ごとにまとめてトランジスタに接続しました。
カソード制御には合計で8個のトランジスタをシフトレジスタでスイッチング動作させて，制御しました。一般的なドットマトリクスと同じように、網目状に光らせたい7セグメントLEDを光らせることが可能です。

下図に制御基板の一部構成を示します。

今回は左端の列から順にデジットをダイナミック点灯することで7セグメントLEDを制御しました。
以下に表示する手順を示します。

1. アノード側のシフトレジスタに一番左の列に表示したいシリアルデータを送信します。
2. カソード側のトランジスタアレイを1列だけ（今回は一番左の列）onすることで、一番左側の列を光らせることができます。

上記手順を高速に左端から右端まで行うことで、7セグメントディスプレイに好きなパターンを表示することができます。

---

ジグ基板の設計

LED制御用の基板は4つの基板を配線で接続して制御しました。
制御にはSPI通信を使用したのですが、CLK信号の劣化が確認されたため、NOT素子を2個用いたバッファ回路を挿入しました。
また制御基板用の電源回路も搭載しました。

---

部品表

最後に使用した部品を以下に示します．

基板データ

基板データはこちらで公開しています．

---

ソフトウェア構成

SWの構成図とデータ処理のフローを以下に示します。
今回はPythonを使用してデータの前処理をした後に、SPRESENSEを使用してコードを制御基板に送信しました。

---

表示パターン生成

表示パターンは以下の2通りで作成しました。

1. 画像データから生成

任意の画像を7セグメントディスプレイの画素数へとリサイズし画像を2値化することで点灯／非点灯を表現しました。

2. 自作パターン

Excel上で7セグメントのデジット配置を作成し、光らせたい部分を「1」、消灯させたい部分を「0」とすることで、任意の表示パターンを作成しました。

---

シリアルデータの加工

デジット配置を示すマスクバイナリデータを用意し，表示パターンとANDをとることで必要な部分のみを抽出し、シリアルデータとして連結します。
加工したシリアルデータをmicroSDカードにテキストファイルとして保存し、SPRESENSEより読み出すことで使用しました。

---

データ送信処理

SPRESENSEより読み出したデータは、LSBファーストで送信端から最も遠いシフトレジスタから順に送信します。
送信後、列単位でカソードをオンしてダイナミック点灯します。

---

作成したコード

完成したコードのうち主要なものを以下に示します．

SPRESENSEでの処理
#include <SDHCI.h>
#include <File.h>
#include <SPI.h>


#define DATA_SIZE 2560
#define ROW_SIZE     8  // 1列当たりの7セグメントLEDの数
#define GROUP_SIZE   64 // 1セットあたりの7セグメントLEDの数
#define GROUP_COUNT  2  // セット数
#define LOOP_COUNT   8


uint8_t rowData[DATA_SIZE];
uint8_t sendData[DATA_SIZE];

SDClass SD;

const int DATA_LATCH_PIN = 9;
const int TRAN_LATCH_PIN = 3;
const int OE_PIN = 1;

int tran_pos = 0;

uint8_t cathode_data = 0x80;

void sendToShiftRegister(int loop) {

  // 最後のレジスタ分から送る
  for (int group = GROUP_COUNT; group > 0; group--) {

    // 列方向の遷移 下から上に上がっていく
    for (int offset = 0; offset < ROW_SIZE; offset++) {

      int index = group*GROUP_SIZE - offset - (loop * ROW_SIZE) - 1;
      SPI.transfer(sendData[index]);
    }
  }
}



void packBitsToBytes() {

  for (int byteIndex = 0; byteIndex < (DATA_SIZE/8); byteIndex++) {

    uint8_t value = 0;

    // 1バイトにする
    for (int bit = 0; bit < 8; bit++) {
      value <<= 1;  // MSBから詰める
      value |= (rowData[byteIndex * 8 + bit] & 0x01);
    }
    sendData[byteIndex] = value;
  }
}



void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);

  // SD初期化
  if (!SD.begin()) {
    Serial.println("SD init failed");
    return;
  }

  File file = SD.open("hi.txt");
  if (!file) {
    Serial.println("File open failed");
    return;
  }

  int idx = 0;
  while (file.available() && idx < DATA_SIZE) {
    char c = file.read();
    if (c == '0' || c == '1') {
      rowData[idx++] = c - '0';
    }
  }
  file.close();

  Serial.print("Loaded: ");
  Serial.println(idx);

  packBitsToBytes();

  // SPI初期化
  SPI.begin();
  SPI.beginTransaction(SPISettings(8000000, LSBFIRST, SPI_MODE0));

  // ピン設定
  pinMode(DATA_LATCH_PIN, OUTPUT);
  pinMode(TRAN_LATCH_PIN, OUTPUT);
  pinMode(OE_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(DATA_LATCH_PIN, HIGH);
  digitalWrite(TRAN_LATCH_PIN, HIGH);
  digitalWrite(OE_PIN, HIGH);
}

void loop() {
  digitalWrite(OE_PIN, HIGH);

  for (int loopCount = 0; loopCount < LOOP_COUNT; loopCount++) {

    digitalWrite(DATA_LATCH_PIN, LOW);
    digitalWrite(TRAN_LATCH_PIN, HIGH);
    sendToShiftRegister(loopCount);

    digitalWrite(DATA_LATCH_PIN, HIGH);
    digitalWrite(TRAN_LATCH_PIN, LOW);
    //uint8_t data = (0x80 >> tran_pos);
    SPI.transfer(cathode_data);

    digitalWrite(DATA_LATCH_PIN, HIGH);
    digitalWrite(TRAN_LATCH_PIN, HIGH);
    digitalWrite(OE_PIN, LOW);

    tran_pos += 1;
    cathode_data = cathode_data >> 1;

    if (tran_pos >= 8){
      tran_pos = 0;
      cathode_data = 0x80;
    }

    delay(2);  // 出力更新周期
  }
}

ディスプレイ用データの作成
import csv


# =========================
# 1. CSV読み込み関数
# =========================
def load_1column_csv(path):
    data = []
    with open(path, "r") as f:
        reader = csv.reader(f)
        for row in reader:
            if len(row) == 0:
                continue
            data.append(int(row[0]))
    return data


# =========================
# 2. 64要素ブロックごとに並び替える関数
# =========================
def reorder_by_64_blocks(data):
    BLOCK = 64
    ORDER_64 = [
        40,  0, 17, 16, 56, 41, 18,  1,
        42,  2, 20, 19, 57, 43, 21,  3,
        44,  4, 23, 22, 58, 45, 24,  5,
        46,  6, 26, 25, 59, 47, 27,  7,
        48,  8, 29, 28, 60, 49, 30,  9,
        50, 10, 32, 31, 61, 51, 33, 11,
        52, 12, 35, 34, 62, 53, 36, 13,
        54, 14, 38, 37, 63, 55, 39, 15
    ]

    assert len(data) % BLOCK == 0, "配列長は64の倍数である必要があります"

    reordered = []

    for base in range(0, len(data), BLOCK):
        block = data[base:base + BLOCK]
        reordered.extend(block[i] for i in ORDER_64)

    return reordered


# =========================
# 3. ファイルパス
# =========================
MASK_CSV_PATH = "mask_data.csv"
INPUT_CSV_PATH = "serial_data.csv"
OUTPUT_CSV_PATH = "output.csv"


# =========================
# 4. データ読み込み
# =========================
MASK_DATA = load_1column_csv(MASK_CSV_PATH)
input_data = load_1column_csv(INPUT_CSV_PATH)


# =========================
# 5. サイズチェック
# =========================
assert len(MASK_DATA) == 8000, "MASK_DATAは8000要素である必要があります"
assert len(input_data) == 8000, "input_dataは8000要素である必要があります"


# =========================
# 6. AND演算
# =========================
and_result = [
    input_data[i] & MASK_DATA[i]
    for i in range(8000)
]

# =========================
# 7. MASK_DATAが1の要素のみ抽出
# =========================
extracted_data = [
    and_result[i]
    for i in range(8000)
    if MASK_DATA[i] == 1
]


# =========================
# 8. 並べ替え
# =========================
result = reorder_by_64_blocks(extracted_data)


# =========================
# 9. TXT出力
# =========================
with open("output.txt", "w") as f:
    for v in result:
        f.write(f"{v}¥n")


# =========================
# 10. CSV出力
# =========================
with open("output.csv", "w", newline="") as f:
    writer = csv.writer(f)
    for v in result:
        writer.writerow([v])


# =========================
# 11. 結果表示
# =========================
print("処理完了")
print(f"MASK_DATAの1の数      : {sum(MASK_DATA)}")
print(f"抽出されたデータ数   : {len(extracted_data)}")

Pythonコード、SPRESENSEのコードの詳細はこちらを参照してください。

---

完成品

こちらが完成した作品です。

完成した装置が動作している様子を示します。
しっかりと表示したいパターンを視認することができました！

---

今後の展望

今後は以下に対応し、より表現力の高い表示装置へ発展させたいと考えています。

• 動画表示への対応（SPRESENSEのメインコアでmicroSD通信、サブコアで表示処理）
• 桁数の増加
• 筐体作製（できればカバンや工具箱など身の回りのものに搭載し，使える作製物にしたいです）