OLED を Raspberry Pi のコンソールにするのバックアップ(No.330)

概要 †

RaspBerry Pi に I2C 接続の単色 128*64 ドットの OLED(有機 EL) ディスプレイを接続して、コンソール画面(CTRL+ALT+F1 を押したときの画面)を表示するディスプレイとして使う手順です。RaspBerry Pi 本体に接続した USB キーボードから 16x8 文字表示のコンソールにログインして、シェル上で操作できます。

DHCP 環境で RaspBerry Pi にリモートでログインしたいけれども IP アドレスが分からない場合、通常は外部ディスプレイを接続する必要があって面倒ですが、このコンソール画面があれば "ifconfig | less" コマンドで調べられます。調べるだけでなく "ifconfig eth0 192.168.0.1" などとして IP アドレスを変更したり "vi /etc/dhcpcd.conf" で設定ファイルを編集することまでなんとかできます。解像度は高くありませんが、超小型(27.3mm*27.3mm)のディスプレイなので、普段から接続したままでも邪魔になりません。

動画 oled01.mpg (Twitter の動画)
mplayer でビデオ再生: https://www.youtube.com/watch?v=AYDwFxZyZmc&feature=youtu.be
機種: RaspberryPi(Model-B, Model-B+, Zero)で動作確認
動作確認した OS
- システムの起動スクリプトが systemd の OS (Jessie 以降) の必要があるようです
- Linux pi 4.1.13+ #826 PREEMPT Fri Nov 13 20:13:22 GMT 2015 armv6l GNU/Linux
  - NOOBS v1.5.0, v1.9.2 でインストール
- Linux raspberrypi 4.4.34+ #930 Wed Nov 23 15:12:30 GMT 2016 armv6l GNU/Linux
  - Raspbian Jessie Lite Release date: 2017-01-11

OLED(有機 EL) ディスプレイ: SSD1306 制御の製品(4ピン, I2C インタフェースのもの, I2C スレーブアドレス=3CH[1bit左シフトして78Hと表記される場合もあり])
- Aitendo1 Aitendo2
- Amazon

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動作 †

CTRL+ALT+F1 でコンソールに切り替えると、有機 EL ディスプレイに表示されるようになります。解像度は128*64 ドットになります。同時に HDMI にも出力されます
CTRL+ALT+F2 以降のコンソールに切り替えると通常通りの画面出力になります。X Window も通常通り使用できます。
フレームバッファ(VRAM)の内容を、バックグラウンドで動いている通常のソフトウェアで定期的に I2C で OLED に表示させることで実現しています。カーネルの修正等は必要ありません
コンソールからログインしたときにキーボードで "|" (パイプ文字) 等が入力できない場合は、下の方の「補足」の先頭部分を参照してください

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初期設定 †

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自動設定スクリプト(Install.sh)を使う場合 †

(1) 配線

RaspberryPi の I2C 出力と OLED ディスプレイを結線する(必要な配線は4本のみ)
1,3,5,6 ピンを使用。図は RaspberryPi ModelA/B の GPIO が 26 ピンの場合だが、GPIO が 40 ピンのモデルでも同様に 1,3,5,6 ピンを接続する。
電源のピン配列に注意!!: ピン配列が左から VDD-GND-SCK-SDA の順のOLEDもあり、その場合 VDDとGNDの配線がこの図と逆になります。

配線の参考にしたページ: Raspberry PiでI2C接続の128×64 OLEDに日本語を表示(美咲フォント)

(2) oled.zip をダウンロードして展開し、root 権限で自動設定スクリプト Install.sh を実行する

# sh Install.sh

下記の「手動で設定する場合」の (2)-(7) が自動で実行される

(3) I2C の有効化

# raspi-config

メニューから "Advenced Options" → "I2C" を選択して有効化
- メニューにない場合は "Interfacing Options" → "I2C" から有効化する
ここで "4 Internationalisation Options" メニューから日本語キーボードの設定もできる
再起動すると有機 EL ディスプレイの表示が開始する

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手動で設定する場合 †

(1) 配線

RaspberryPi の I2C 出力と OLED ディスプレイを結線する(上の配線図を参照)
- 参考ページ: Raspberry PiでI2C接続の128×64 OLEDに日本語を表示(美咲フォント)

(2) oled.zip をダウンロードして展開し oled コマンドを /bin/oled に置いて実行パーミションを付ける

# cp oled /bin/oled
# chmod a+x /bin/oled

(3) 8dot フォント(alt-8x8 他)をインストール

# export DEBIAN_FRONTEND=noninteractive
# apt-get install console-data

フォントファイルが /usr/share/consolefonts に追加される

(4) I2C の有効化

# raspi-config

メニューから "Advenced Options" → "I2C" を選択して有効化
- メニューにない場合は "Interfacing Options" → "I2C" から有効化する
ここで "4 Internationalisation Options" メニューから日本語キーボードの設定もできる
再起動

(5) 解像度の追加

/etc/fb.modes を編集して、末尾に下記の行を追加

mode "128x64-60"
    # D: 25.175 MHz, H: 31.469 kHz, V: 59.94 Hz
    geometry 128 64 128 64 8
    timings 39722 48 16 33 10 96 2
endmode

(6) oled サービスの追加

/etc/systemd/system/oled.service を新規作成して下記の内容を入力

[Unit]
Description = oled daemon
After = multi-user.target
# After=display-manager.service
[Service]
ExecStartPre=/bin/bash -c "/bin/sleep 10; /bin/chvt 1; /bin/fbset '128x64-60'; /bin/setfont 'alt-8x8'"
ExecStopPost=/bin/bash -c "/bin/fbset '800x600-60'; /bin/setfont 'default8x16'"
ExecStart = /bin/oled
Restart = always
Type = simple
[Install]
WantedBy = multi-user.target

(7) OS 起動時にサービスを開始するように指定

# systemctl enable oled

を実行する(不要になったら systemctl disable oled で無効化できる)。

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Raspberry Pi Zero に横向きに OLED を接続する方法 †

I2C 専用のポートでなく、一般の GPIO に OLED を接続することができる
- オーバーレイという機能で、一般の GPIO でもソフトウェア I2C を実現する
  - https://qiita.com/spicemanjp/items/50474e56ddccabf02b01
- /dev/i2c-3 等としてソフトウェア I2C が使えるようになる
手順
- まず上記の「初期設定(自動設定スクリプト(Install.sh)を使う場合)」を行う
- /boot/config.txt に下記の行を追記する
  - SDA=GPIO9, SCL=GPIO10 に設定する
```
dtoverlay=i2c-gpio,i2c_gpio_sda=9,i2c_gpio_scl=10,i2c_gpio_delay_us=2
```
- /etc/systemd/system/oled.service を修正。下記の動作をするようになる。
  - 電源用に GPIO22 を出力ピンにして 0[V] を出力する
  - 出力電流が GPIO 出力をオーバーしないように OLED の明るさを下げる
  - I2C データを /dev/i2c-3 に出力する
```
[Unit]
Description = oled daemon
#After = multi-user.target
After=display-manager.service
[Service]
ExecStartPre=/bin/bash -c "echo 22 > /sys/class/gpio/export; echo out
> /sys/class/gpio/gpio22/direction; echo 0 > /sys/class/gpio/
gpio22/value; /bin/sleep 10; /bin/chvt 1; /bin/fbset '128x64-60'; 
/bin/setfont  'alt-8x8'"
ExecStopPost=/bin/bash -c "/bin/fbset '800x600-60'; /bin/setfont 'default8x16'"
ExecStart = /bin/oled 250 0x3c /dev/i2c-3 /dev/fb0 0
Restart = always
Type = simple
[Install]
WantedBy = multi-user.target
```
- 【注意】OLED 側で I2C のプルアップが必要
  - SCK, SDA をそれぞれ 1[kΩ] でプルアップした
- OLED を接続するピン位置 (OLED のピン配列が左から GND-VDD-SCK-SDA であることを確認してください。この順でない OLED はそのままでは使えません)

表示

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補足 †

USB 日本語キーボードを使うには
- 標準ではキーバインドが日本語キーボード用になっていません。特に OLED のコンソールは画面が狭いため "|" (パイプ文字) が入力できないと、"ls | less" 等と入力できず、表示がすべてスクロールアウトしてしまい役に立ちません。下記のコマンドで日本語キーボードに変更してください。
```
# loadkeys jp106 
```
自動設定スクリプト Install.sh を書きました。oled.zip に含まれています。"sh Install.sh" を実行すると上記の (2)-(7) が自動で行われます。ただし「(4)I2Cの有効化」は別途手動で行う必要があります。
~~サービスを停止しても X-Window の解像度が 128*64 のままで、本来の解像度に戻りません。解決方法が分かる方がいましたら教えてください~~
- 原理を正確に把握していませんが、上記 (6) の /etc/systemd/system/oled.service ファイルの [Unit] セクションに "After = multi-user.target" を追加し、ExecStartPre に /bin/sleep 10 を追加してスリープを入れることで希望通りの動作になりました。すなわち、通常は本来の解像度で X Window を使うことができ、本体に接続した USB キーボードで CTRL+ALT+F1 を押したときだけ、解像度 128*64 のコンソール1が有機 EL ディスプレイに表示されます。その後 CTRL+ALT+F7 を押すと X Window に戻ります。
手動でのサービスの停止と再開
```
# service oled stop
```
でサービスが停止し、有機 EL ディスプレイが更新されなくなり、コンソール1の解像度が 128*64 ドットから 800*600 ドットになります。
```
# service oled start
```
でサービスを再開します(起動前に10秒間のウェイトが入りますので時間がかかります)。
I2C　スレーブアドレスが 3CH(78H) 以外のディスプレイを使う場合はソースファイルoled.c 中の定数 OLED_ADDR を修正して再コンパイルが必要です(gcc -o oled oled.c)
- 引数でスレーブアドレス他のパラメータを指定できるようにしました。下記「ソフトウェア」の解説を参照
CPU 負荷を軽減するために、1フレーム表示ごとに 100ms のウェイトを入れています(10fps程度?)。top コマンドで表示される oled コマンドの CPU 負荷は 1～2% になっています。

/etc/rsyslog.conf の末尾を次のように編集すると、システムログを OLED ディスプレイに表示させることができます。

編集前: xconsole に出力

daemon.*;mail.*;\
        news.err;\
        *.=debug;*.=info;\
        *.=notice;*.=warn       |/dev/xconsole

編集後: OLED(/dev/tty1) に出力

daemon.*;mail.*;\
        news.err;\
        *.=debug;*.=info;\
        *.=notice;*.=warn       |/dev/tty1 ←この行を修正

一定時間(600秒)の無操作でディスプレイ表示が OFF になります。その場合 USB キーボードのキーを押せば再度表示されます。/etc/systemd/system/oled.service の "ExecStartPre=" の行の最後に ";export TERM=linux; setterm -blank 0 > /dev/tty1" を付けると、この省電力機能が無効になります。
- ディスプレイ OFF までの時間は /sys/module/kernel/parameters/consoleblank に記録されています

下記のコマンドでカーソルが非表示になります
```
# setterm -cursor off > /dev/tty1
```

プロンプトの変更
- bash の場合 export PS1=">"
- csh の場合 set prompt=">"

文字の表示
- コンソール(/dev/tty1) にテキストをリダイレクトで出力すれば OLED に表示されます
```
(時刻を表示する例)
# date -R > /dev/tty1
```

画像の表示
- 画像の表示テスト用プログラム dispImg を作成しました。oled.zip に含まれています。直接 OLED に描画するのではなく、コンソール1 に画像を表示しますので、表示するためには oled サービスが実行中である必要があります。表示できるのは 1bit・バイナリ形式の pbm ファイル(マジックナンバー P4)のみですので、下記のように ImageMagick の convert コマンド等で pbm ファイルに変換してから表示してください。画面写真にある、いぬの絵を表示するときに使用しました。
```
# convert file.png file.pbm
# dispImg file.pbm
```

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外部リンク †

raspberrypi3 yoctoでSSD1306 OLEDディスプレイを動かす
- 後日このページの存在に気づきました。このページの方法では、システムイメージ自体を再ビルドして OLED に対応しているようです。
Raspberry PiでSPIシリアルで有機ELにフレームバッファを表示する実験してみた
- 本記事と同様の表示を SPI 接続のカラー OLED で実現されています。

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ソフトウェア †

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ソフトウェアのダウンロード †

oled.zip(ソース+RaspberryPiバイナリ)
- oled.zip

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oled コマンドについて †

# oled [-h] waitTime i2cAddress i2cDeviceFile framebufferDeviceFile Brightness

フレームバッファ(VRAM)の内容を一定周期で OLED に表示するプログラムです
-h を付けるとヘルプを表示して終了します
引数は省略可能ですが、いずれかの引数を指定する場合は、それより手前の引数は省略できません
エラーメッセージは syslog に出力されます(/var/log/messages 等)
raspi-config コマンドで RaspberryPi の I2C 通信機能を有効にしておく必要があります

引数	意味	省略時のデフォルト値
waitTime	画面転送の周期(ms)	100
i2cAddress	I2C のスレーブアドレス	0x3c
i2cDeviceFile	I2Cのデバイスファイル名	/dev/i2c-0 と /dev/i2c-1(open できたほうを使用)
framebufferDeviceFile	フレームバッファのデバイスファイル名	/dev/fb0
Brightness	明度(0-255)	128

例
```
# oled 100 0x3c /dev/i2c-0 /dev/fb0 128
```

Counter: 16393, today: 1, yesterday: 3

検索用キーワード:Raspberry pi, ラズベリーパイ, ラズパイ, OLED, 有機EL, LCD, 液晶, コンソール, ログイン、USB, キーボード, スクリーンエディタ, コマンド, サービス, login

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OLED を Raspberry Pi のコンソールにする のバックアップ(No.330)