ESP32 2432S028R (CYD)でLVGL - 2つのSPIバスでLCD、タッチ、SDを共存させる方法

ESP32-DevKit 系の開発ボードでは、LCD、タッチパネル、SD カードの３つの SPI デバイスを（ユーザーに解放された）２つの SPI バスで動かす場合、LCD とタッチパネルを１つのバスに、SD カードをもう１つのバスに接続する構成が一般的かと思います（図１）。

例えば TFT_eSPI では、LCD とタッチパネルの SCK、MOSI、MISO は共通が前提です。また XIAO や SuperMini など小型のボードでは SD カードも共通にせざるを得ません（図２）。

本記事では旧来の「マスター／スレーブ」ではなく「メイン／サブ」と表記しています。

一方 LCD、タッチパネル、SD カードが１つのボードに載った ESP32 2432S028R（以下 CYD）のピン配は次の通りで、SCK、MOSI、MISO がそれぞれ別々の GPIO に接続されているため共通化することができず、SPI バスが１つ不足します（図３）。

CYD_* は、ボードタイプに「ESP32-2432S028R CYD」を選択した時に読み込まれる pins_arduino.h で定義されるシンボルです。

信号名＼デバイス	ディスプレイ	タッチパネル	SDカード
SCK	`CYD_TFT_SCK` (14)	`CYD_TP_CLK` (25)	`CYD_SD_SCK` (18)
MOSI	`CYD_TFT_MOSI` (13)	`CYD_TP_MOSI` (32)	`CYD_SD_MOSI` (23)
MISO	`CYD_TFT_MISO` (12)	`CYD_TP_MISO` (39)	`CYD_SD_MISO` (19)
CS	`CYD_TFT_CS` (15)	`CYD_TP_CS` (33)	`CYD_SD_SS` (5)
DC	`CYD_TFT_DC` (2)
IRQ		`CYD_TP_IRQ` (36)

では、どうやって３つの SPI デバイスを共存させれば良いのか？ ─ その答えは LovyanGFX にありました。

LovyanGFX の解決法

図１の様に１つの SPI メインに複数の SPI サブノードが接続されている場合、各ノード仕様に合わせた設定（クロック周波数、ビット列の並び、及びクロックパルス動作モード）、いわゆるトランザクションを spiSettings() で切り替えて通信を行います。

一方タッチパネルの SCK、MOSI、MISO は他と被らず独立しているので、一度トランザクションを設定すれば切り替える必要がありません。

LovyanGFX では、設定ファイル中の「タッチスクリーン制御の設定 → 使用するSPIを選択 (HSPI_HOST or VSPI_HOST)」にある cfg.spi_host を -1 にすることで、このモードで XPT2046 と SPI 通信することが可能になります。

    { // タッチスクリーン制御の設定を行います。
      auto cfg = _touch_instance.config();

      cfg.x_min      =  240;        // タッチスクリーンから得られる最小のX値(生の値)
      cfg.x_max      = 3800;        // タッチスクリーンから得られる最大のX値(生の値)
      cfg.y_min      = 3700;        // タッチスクリーンから得られる最小のY値(生の値)
      cfg.y_max      =  200;        // タッチスクリーンから得られる最大のY値(生の値)
      cfg.pin_int    = CYD_TP_IRQ;  // INTが接続されているピン番号 (36)
      cfg.bus_shared = false;       // 画面と共通のバスを使用している場合 trueを設定
      cfg.offset_rotation = 0;      // 表示とタッチの向きのが一致しない場合の調整 0~7の値で設定

      cfg.spi_host = -1;            // 使用するSPIを選択 (HSPI_HOST or VSPI_HOST)
      cfg.freq = 1000000;           // SPIクロックを設定
      cfg.pin_sclk = CYD_TP_CLK;    // SCLKが接続されているピン番号 (25)
      cfg.pin_mosi = CYD_TP_MOSI;   // MOSIが接続されているピン番号 (32)
      cfg.pin_miso = CYD_TP_MISO;   // MISOが接続されているピン番号 (39)
      cfg.pin_cs   = CYD_TP_CS;     //   CSが接続されているピン番号 (33)

      _touch_instance.config(cfg);
      _panel_instance.setTouch(&_touch_instance);  // タッチスクリーンをパネルにセットします。
    }

このモードでは、CS、MOSI、MISO に割り当てられた GPIO を直接叩く、いわゆるビットバンによってタッチパネルの情報をソフトウェアで読み取ります（図４）。

また前回調べた通り、LGFX_AUTODETECT を設定すれば自動でこのモードにしてくれます。とっても便利ですネ 🤗

TFT_eSPI の場合は？

LVGL には、予め TFT_eSPI 用のサンプルコードが組み込まれていて、例えば Random Nerd のチュートリアルを参考すれば簡単に CYD で LVGL を走らせることができます。

TFT_eSPI もタッチ機能を持っていますが、図１が前提で図３の接続ができず、CYD では機能しません。そこで同チュートリアルでは XPT2046_Touchscreen を図３の形で繋いでいます。ただし SD カードを組み込むことが出来ません。

このため CYD のまとめリポジトリ ESP32-Cheap-Yellow-Display では、LovyanGFX 同様にビットバン方式をとる XPT2046_Bitbang_Slim を推奨しています。

このライブラリは、グラフィカルなキャリブレーション機能が無い（数値を直接いじる）上に、座標系の回転が未実装だし、何より精度の低い抵抗膜方式では外れ値を除外するフィルターが必要だったりと、何かと面倒です。

以前紹介したサーモグラフィカメラでは、これらの問題に対処するため新たにラッパークラスを作成しましたが、LVGL で SD カードを使う場合、そーまでして TFT_eSPI を使う理由が見当たりません 😑

条件付きで動作させる方法

どーしても TFT_eSPI を使いたい場合は、保証は出来ませんが条件付きで SD カードの読み書きが可能になる方法があります。

SPI 例題スケッチ SPI_Multiple_Buses の変則版で（図５）、SPI トランザクションを想定外な方法で使うのですが、スクリーンキャプチャ（＝LCD から画素値を読み込みながら SD カードに書き出す処理）がうまく動かない（＝画素値の読み込みが出来ない）だけで、なぜか SD カードへの読み書きだけなら出来ちゃいます。

実際には、User_Setup.h で TFT_MISO の定義をコメントアウト（トライステートのハイインピーダンス状態）するだけです。こーすると、LCD には MOSI を介して出力するだけ、タッチパネルからは MISOを介して読み込むだけになり、それぞれが競合しない？のか、機能します 🥳

この場合、Espressif 標準の SD ライブラリはデフォルトの SPI バスである VSPI に接続されるので、ディスプレイもタッチパネルも HSPI に接続するのが良いと思います。

TFT_eSPI の User_Setup.h

// https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/variants/jczn_2432s028r/pins_arduino.h
// #define TFT_MISO CYD_TFT_MISO   // 12
#define TFT_MOSI CYD_TFT_MOSI   // 13
#define TFT_SCLK CYD_TFT_SCK    // 14
#define TFT_CS   CYD_TFT_CS     // 15
#define TFT_DC   CYD_TFT_DC     //  2
#define TFT_RST  -1
#define TOUCH_CS -1
...
// The ESP32 has 2 free SPI ports i.e. VSPI and HSPI, the VSPI is the default.
// If the VSPI port is in use and pins are not accessible (e.g. TTGO T-Beam)
// then uncomment the following line:
#define USE_HSPI_PORT

XTP2046_Touchscreen の設定

// https://github.com/espressif/arduino-esp32/blob/master/variants/jczn_2432s028r/pins_arduino.h
#define XPT2046_IRQ   CYD_TP_IRQ  // 36
#define XPT2046_MOSI  CYD_TP_MOSI // 32
#define XPT2046_MISO  CYD_TP_MISO // 39
#define XPT2046_CLK   CYD_TP_CLK  // 25
#define XPT2046_CS    CYD_TP_CS   // 33

SPIClass touchscreenSPI = SPIClass(HSPI);
XPT2046_Touchscreen touchscreen(XPT2046_CS, XPT2046_IRQ);
...
void setup() {
  ...
  touchscreenSPI.begin(XPT2046_CLK, XPT2046_MISO, XPT2046_MOSI, XPT2046_CS);
  touchscreen.begin(touchscreenSPI);
  ...
}

SPI デバイスの適切な配置について

Espressif のドキュメント「Sharing the SPI Bus Among SD Cards and Other SPI Devices」には、比較的低い周波数で動作する SD カードを他のデバイスと SPI バスを共有する場合の注意事項と対策が解説されています。

事実僕も、TFT_eSPI を図２の接続で使うとスクリーンキャプチャが正しく保存できないという事象を経験し、未だに解決できていません。「混ぜるな、危険！」とまでは言いませんが、図１か図４の様に、ディスプレイと SD カードは別々の SPI バスに接続するのが良いと思います。

それと余談ですが、ESP32 のチップって、無印（？）以外にも C2, C3, C6, H2, P4, S2, S3 といった派生があり、SPI バスの定義が微妙に異なるので要注意です。

esp32-hal-spi.h

#ifdef CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S2
#define FSPI 1  //SPI 1 bus. ESP32S2: for external memory only (can use the same data lines but different SS)
#define HSPI 2  //SPI 2 bus. ESP32S2: external memory or device  - it can be matrixed to any pins
#define SPI2 2  // Another name for ESP32S2 SPI 2
#define SPI3 3  //SPI 3 bus. ESP32S2: device only - it can be matrixed to any pins
#elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32
#define FSPI 1  //SPI 1 bus attached to the flash (can use the same data lines but different SS)
#define HSPI 2  //SPI 2 bus normally mapped to pins 12 - 15, but can be matrixed to any pins
#define VSPI 3  //SPI 3 bus normally attached to pins 5, 18, 19 and 23, but can be matrixed to any pins
#else
#define FSPI 0
#define HSPI 1
#endif

SPI.cpp

#if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32
SPIClass SPI(VSPI);
#else
SPIClass SPI(FSPI);
#endif

今回の結論

色々と書きましたが、要は LovyanGFX 一択で OK、かつ初期化時にボードを自動認識する LGFX_AUTODETECT でタッチ検出にビットバンを機能させましょう 👍 が今回の結論です。

と言うことで、前回と今回で LVGL を動かす準備が整いました。次回は LVGL について分かったことや LovyanGFX でデモを動かす手順などを報告予定です。