reComputer J4012 Classic で SPI ディスプレイを使用する

はじめに

この Wiki では、Seeed reComputer J4012 Classic 上で SPI ディスプレイを接続して駆動する方法を紹介します。40 ピンヘッダを介して SPI ディスプレイを使用するための基本的なワークフローを扱い、ハードウェア配線、SPI インターフェース設定、デバイスノードの確認、依存関係のインストール、C++ デモのコンパイル、および簡単な表示テストの実行を含みます。

本ガイドでは、ST7789 SPI LCD ディスプレイを例として使用します。ST7735 や ILI9341 など、他の SPI ディスプレイモジュールでも全体的なワークフローは類似していますが、配線の詳細、表示解像度、初期化シーケンス、ドライバパラメータなどが異なる場合があります。

本ガイドの方法は、他の SPI ディスプレイアプリケーションの参考としても利用できます。

ハードウェアの準備

必要なハードウェア

項目	説明
reComputer J4012 Classic	Jetson ベースのエッジ AI コンピュータ
SPI ディスプレイモジュール	本ガイドでは ST7789 SPI LCD ディスプレイを例として使用
ジャンパワイヤ（デュポン線）	ディスプレイを 40 ピンヘッダに接続するために使用
HDMI ディスプレイまたは SSH 端末	デバイスの設定およびテストに使用

必要なソフトウェア

ソフトウェア	説明
JetPack / Ubuntu	reComputer J4012 Classic 上で動作するオペレーティングシステム
g++	C++ デモをコンパイルするために使用
spidev	Linux の SPI ユーザ空間インターフェース
sysfs GPIO	DC や RES などの GPIO ピンを制御するために使用

ハードウェア接続

40 ピンヘッダ

reComputer J4012 Classic には 40 ピン拡張ヘッダが用意されています。このヘッダを通して SPI 信号や GPIO ピンを使用し、小型ディスプレイモジュールを接続できます。

図 1. reComputer J4012 Classic の 40 ピンヘッダのピン配置

SPI ディスプレイ配線例: ST7789

本ガイドでは、ST7789 SPI ディスプレイをサンプルのディスプレイモジュールとして使用します。以下の表に従って、ディスプレイを 40 ピンヘッダに接続します。

ST7789 ピン	J4012 Classic 40 ピン	機能	説明
GND	Pin 6	GND	グラウンド
VCC	Pin 1	3.3V	ディスプレイの電源入力
SCL	Pin 23	SPI SCLK	SPI クロック信号
SDA	Pin 19	SPI MOSI	J4012 Classic からディスプレイへの SPI データ
RES	Pin 31	GPIO / PQ.06	ハードウェアリセット信号
DC	Pin 29	GPIO / PQ.05	データ / コマンド選択
CS	Pin 24	SPI CS	SPI チップセレクト
BLK	Pin 17	3.3V	バックライト電源、常時オン

図 2. reComputer J4012 Classic と ST7789 SPI ディスプレイ間の配線

SPI インターフェースを有効化する

ディスプレイデモを実行する前に、40 ピンヘッダ上の SPI インターフェースを有効にする必要があります。

Jetson-IO 設定ツールを開きます:

sudo /opt/nvidia/jetson-io/jetson-io.py

40 ピンヘッダ設定メニューを選択します。

図 3. Jetson-IO メインメニュー

図 4. "Configure header pins manually" を選択

図 5. 40 ピンヘッダ上で spi1 機能を有効化

設定を保存し、デバイスを再起動します:

sudo reboot

デバイスが再起動したら、spidev カーネルモジュールをロードします:

sudo modprobe spidev

この手順により、/dev/spidev* を確認またはアクセスする前に、Linux ユーザ空間 SPI ドライバが利用可能であることを確実にします。

SPI デバイスを確認する

デバイスが再起動したら、SPI デバイスノードが生成されているか確認します:

ls /dev/spidev*

SPI が正しく有効化されていれば、次のような出力が表示される場合があります:

/dev/spidev0.0
/dev/spidev0.1

図 6. SPI デバイスノードが正常に生成された状態

本ガイドでは、ST7789 ディスプレイは Pin 19、Pin 23、および Pin 24 に接続された SPI 信号を使用します。サンプルコードではデフォルトで /dev/spidev0.0 を使用します。システムで生成される SPI デバイスノードが異なる場合は、コード内の SPI デバイスパスを変更してください。

依存関係をインストールする

パッケージリストを更新します:

sudo apt update

C++ コンパイラをインストールします:

sudo apt install -y g++

SPI デバイスノードが存在するか確認します:

ls /dev/spidev*

GPIO ピンをエクスポートする

ディスプレイデモを実行する前に、DC と RES で使用する GPIO ピンをエクスポートします。デモはこれら 2 本のピンを sysfs GPIO インターフェース経由で制御します。

本ガイドでは:

信号	40 ピン	GPIO 名	GPIO 番号
DC	Pin 29	PQ.05	453
RES	Pin 31	PQ.06	454

/sys/class/gpio/export を通して GPIO をエクスポートする際は、GPIO 名ではなく GPIO 番号を使用します。本ガイドでは、GPIO 453 が PQ.05 に、GPIO 454 が PQ.06 に対応します:

sudo sh -c 'echo 453 > /sys/class/gpio/export'
sudo sh -c 'echo 454 > /sys/class/gpio/export'

エクスポート後、対応する GPIO ノードは PQ.05 と PQ.06 として表示されるはずです。GPIO ノードが存在するか確認します:

ls /sys/class/gpio/PQ.05
ls /sys/class/gpio/PQ.06

ST7789 ディスプレイデモを実行する

このセクションでは、C++ デモを使用して、ST7789 SPI ディスプレイが reComputer J4012 Classic 上で正しく動作することを確認します。

このデモは次の処理を行います:

1. SPI デバイス /dev/spidev0.0 をオープンします。

2. SPI モード、1 ワードあたりのビット数、および SPI 速度を設定します。

3. sysfs GPIO を通して DC と RES ピンを制御します。

4. ST7789 ディスプレイコントローラを初期化します。

5. 画面全体をさまざまな RGB565 カラーで連続的に塗りつぶします。

このデモで使用する配線は次のとおりです。

信号	40 ピン	GPIO / デバイス
SPI SCLK	Pin 23	SPI クロック
SPI MOSI	Pin 19	SPI MOSI
SPI CS	Pin 24	SPI CS
RES	Pin 31	/sys/class/gpio/PQ.06
DC	Pin 29	/sys/class/gpio/PQ.05
BLK	Pin 17	3.3V

st7789_spi.cpp という名前のファイルを作成します:

nano st7789_spi.cpp

次の C++ デモコードを追加します:

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <cstdint>
#include <cstring>

int spi_fd = -1;
int dc_fd = -1;
int res_fd = -1;

// GPIO paths for reComputer J4012 Classic
// DC  -> Pin 29 -> PQ.05
// RES -> Pin 31 -> PQ.06
const char* DC_DIR_PATH  = "/sys/class/gpio/PQ.05/direction";
const char* DC_VAL_PATH  = "/sys/class/gpio/PQ.05/value";
const char* RES_DIR_PATH = "/sys/class/gpio/PQ.06/direction";
const char* RES_VAL_PATH = "/sys/class/gpio/PQ.06/value";

bool write_file(const char* path, const char* value)
{
    int fd = open(path, O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        std::cerr << "open failed: " << path << std::endl;
        return false;
    }

    write(fd, value, strlen(value));
    close(fd);
    return true;
}

bool init_gpios()
{
    if (!write_file(DC_DIR_PATH, "out")) return false;
    if (!write_file(RES_DIR_PATH, "out")) return false;

    dc_fd = open(DC_VAL_PATH, O_WRONLY);
    res_fd = open(RES_VAL_PATH, O_WRONLY);

    if (dc_fd < 0 || res_fd < 0) {
        std::cerr << "open gpio value failed" << std::endl;
        return false;
    }

    return true;
}

void gpio_write(int fd, int value)
{
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    write(fd, value ? "1" : "0", 1);
}

void WriteCommand(uint8_t cmd)
{
    gpio_write(dc_fd, 0);
    write(spi_fd, &cmd, 1);
}

void WriteData(uint8_t data)
{
    gpio_write(dc_fd, 1);
    write(spi_fd, &data, 1);
}

void WriteDataBuf(const uint8_t* data, size_t len)
{
    gpio_write(dc_fd, 1);

    const size_t CHUNK_SIZE = 4096;
    size_t bytes_sent = 0;

    while (bytes_sent < len) {
        size_t current_chunk = (len - bytes_sent > CHUNK_SIZE) ? CHUNK_SIZE : (len - bytes_sent);

        struct spi_ioc_transfer tr;
        std::memset(&tr, 0, sizeof(tr));

        tr.tx_buf = (unsigned long)(data + bytes_sent);
        tr.rx_buf = 0;
        tr.len = current_chunk;
        tr.speed_hz = 24000000;
        tr.bits_per_word = 8;

        if (ioctl(spi_fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr) < 0) {
            std::cerr << "SPI chunk transfer failed at " << bytes_sent << std::endl;
            return;
        }

        bytes_sent += current_chunk;
    }
}

void ST7789_Reset()
{
    gpio_write(res_fd, 0);
    usleep(200000);

    gpio_write(res_fd, 1);
    usleep(200000);
}

void ST7789_Init()
{
    ST7789_Reset();

    WriteCommand(0x11);       // Sleep Out
    usleep(120000);

    WriteCommand(0x3A);       // Pixel Format Set
    WriteData(0x05);          // RGB565

    WriteCommand(0x36);       // Memory Access Control
    WriteData(0x08);          // Default direction

    WriteCommand(0x21);       // Display Inversion ON

    WriteCommand(0x29);       // Display ON
    usleep(20000);
}

void ST7789_SetWindow(uint16_t x0, uint16_t y0, uint16_t x1, uint16_t y1)
{
    WriteCommand(0x2A);       // Column Address Set
    WriteData(x0 >> 8);
    WriteData(x0 & 0xFF);
    WriteData(x1 >> 8);
    WriteData(x1 & 0xFF);

    WriteCommand(0x2B);       // Row Address Set
    WriteData(y0 >> 8);
    WriteData(y0 & 0xFF);
    WriteData(y1 >> 8);
    WriteData(y1 & 0xFF);

    WriteCommand(0x2C);       // Memory Write
}

void ST7789_FillColor(uint16_t color)
{
    const int width = 240;
    const int height = 320;

    ST7789_SetWindow(0, 0, width - 1, height - 1);

    uint8_t screen_buf[height * width * 2];

    uint8_t high = color >> 8;
    uint8_t low = color & 0xFF;

    for (int i = 0; i < height * width * 2; i += 2) {
        screen_buf[i] = high;
        screen_buf[i + 1] = low;
    }

    WriteDataBuf(screen_buf, sizeof(screen_buf));
}

bool init_spi()
{
    spi_fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
    if (spi_fd < 0) {
        std::cerr << "open /dev/spidev0.0 failed" << std::endl;
        return false;
    }

    uint8_t mode = SPI_MODE_0;
    uint8_t bits = 8;
    uint32_t speed = 24000000;

    ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);
    ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);
    ioctl(spi_fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);

    return true;
}

uint16_t Rainbow_HSV_To_RGB565(int h)
{
    float r = 0, g = 0, b = 0;

    int sector = h / 60;
    float fractional = (h % 60) / 60.0f;

    float x = 1.0f - fractional;
    float y = fractional;

    switch (sector) {
        case 0: r = 1.0f; g = y;    b = 0.0f; break;
        case 1: r = x;    g = 1.0f; b = 0.0f; break;
        case 2: r = 0.0f; g = 1.0f; b = y;    break;
        case 3: r = 0.0f; g = x;    b = 1.0f; break;
        case 4: r = y;    g = 0.0f; b = 1.0f; break;
        case 5: r = 1.0f; g = 0.0f; b = x;    break;
        default: r = 0.0f; g = 0.0f; b = 0.0f; break;
    }

    uint8_t R8 = static_cast<uint8_t>(r * 255);
    uint8_t G8 = static_cast<uint8_t>(g * 255);
    uint8_t B8 = static_cast<uint8_t>(b * 255);

    return ((R8 >> 3) << 11) | ((G8 >> 2) << 5) | (B8 >> 3);
}

int main()
{
    uint16_t color = 0x001F;
    int i = 0;

    std::cout << "Init SPI..." << std::endl;
    if (!init_spi()) return -1;

    std::cout << "Init GPIO..." << std::endl;
    if (!init_gpios()) return -1;

    std::cout << "Init ST7789..." << std::endl;
    ST7789_Init();

    std::cout << "Fill 240x320 Color..." << std::endl;

    while (1) {
        color = Rainbow_HSV_To_RGB565(i++ % 360);
        ST7789_FillColor(color);
        usleep(10000);
    }

    close(spi_fd);
    close(dc_fd);
    close(res_fd);

    return 0;
}

デモをコンパイルします：

g++ st7789_spi.cpp -o st7789_spi

デモを実行します：

sudo ./st7789_spi

配線と SPI 設定が正しければ、ST7789 ディスプレイはさまざまな色で連続的にリフレッシュされます。

図 7. ST7789 ディスプレイ デモ結果

コードの説明

SPI 初期化

このデモは /dev/spidev0.0 を開き、SPI インターフェースを次のように設定します。

パラメータ	値
SPI デバイス	/dev/spidev0.0
SPI モード	SPI_MODE_0
1 ワード当たりのビット数	8
SPI 速度	24000000 Hz

システムで生成される SPI デバイスノードが異なる場合は、デモコード内の次の行を変更してください：

spi_fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);

例えば、デバイスノードが /dev/spidev1.0 の場合は、次のように変更します：

spi_fd = open("/dev/spidev1.0", O_RDWR);

GPIO 制御

このデモは sysfs GPIO を使用して DC と RES ピンを制御します。

信号	40 ピン ピン番号	sysfs GPIO パス
DC	Pin 29	/sys/class/gpio/PQ.05
RES	Pin 31	/sys/class/gpio/PQ.06

DC ピンはコマンドモードとデータモードを切り替えるために使用されます。RES ピンは ST7789 ディスプレイをリセットするために使用されます。

ST7789 初期化

このデモは次のコマンドで ST7789 ディスプレイを初期化します。

コマンド	説明
0x11	スリープ解除
0x3A	ピクセルフォーマット設定
0x05	RGB565 フォーマット
0x36	メモリアクセス制御
0x21	ディスプレイ反転 On
0x29	ディスプレイ On

画面塗りつぶしテスト

このデモは RGB565 フォーマットを使用してフルスクリーンを塗りつぶします。デモで使用しているディスプレイ解像度は次のとおりです：

const int width = 240;
const int height = 320;

使用している ST7789 ディスプレイの解像度が異なる場合は、実際の画面サイズに合わせてこれらの値を変更してください。

SPI データ転送

フルスクリーンバッファは、1 回の小さな SPI 転送よりも大きくなります。そのため、このデモでは表示データをチャンクに分けて送信します：

const size_t CHUNK_SIZE = 4096;

これにより転送サイズの制限を回避し、フルスクリーンリフレッシュをより安定させることができます。

トラブルシューティング

/dev/spidev* デバイスが見つからない

考えられる原因：

1. SPI インターフェースが有効になっていない。

2. Jetson-IO の設定が保存されていない。

3. SPI を有効にした後にデバイスを再起動していない。

4. デバイスツリーが SPI デバイスノードを公開していない。

5. システムイメージに想定される SPI 設定が含まれていない。

推奨される確認事項：

ls /dev/spidev*

SPI デバイスが見つからない場合は、Jetson-IO を再度実行し、SPI が有効になっているか確認してください。

SPI または GPIO へアクセスすると Permission Denied になる

C++ デモを実行したときにパーミッションエラーが表示される場合は、sudo を付けて実行してみてください：

sudo ./st7789_spi

SPI デバイスおよび GPIO ノードのパーミッションを確認することもできます：

ls -l /dev/spidev*
ls -l /sys/class/gpio/PQ.05/value
ls -l /sys/class/gpio/PQ.06/value

GPIO パスが存在しない

/sys/class/gpio/PQ.05 または /sys/class/gpio/PQ.06 が存在しない場合、使用しているシステムイメージでは GPIO の命名またはエクスポート方法が異なる可能性があります。

利用可能な GPIO ノードを確認してください：

ls /sys/class/gpio/

その後、実際のシステムに合わせてデモコード内の GPIO パスを変更してください。

SPI はオープンできるがディスプレイに何も表示されない

考えられる原因：

1. ディスプレイの配線が正しくない。

2. SPI デバイスパスが正しくない。

3. CS、DC、または RES ピンが正しく接続されていない。

4. ディスプレイコントローラが ST7789 ではない。

5. ディスプレイに異なる初期化シーケンスが必要。

6. バックライトピンに電源が供給されていない。

推奨される確認事項：

1. VCC が Pin 1 に接続されていることを確認します。

2. GND が Pin 6 に接続されていることを確認します。

3. BLK が Pin 17 に接続され、バックライトが点灯していることを確認します。

4. SCL、SDA、CS が Pin 23、Pin 19、Pin 24 に接続されていることを確認します。

5. RES と DC が Pin 31 と Pin 29 に接続されていることを確認します。

6. SPI 速度を下げて再度テストします。

7. ディスプレイモジュールのデータシートからディスプレイコントローラの型番を確認します。

バックライトは点灯するが画像が表示されない

バックライトは点灯しているが画像が表示されない場合、電源配線は正しいものの、SPI 通信またはディスプレイ初期化が正しくない可能性があります。

次の点を確認してください：

1. 正しい SPI デバイスを使用しているかどうか。

2. DC と RES ピンが正しく設定されているかどうか。

3. ディスプレイドライバが ST7789 コントローラに対応しているかどうか。

4. 画面解像度が正しいかどうか。

5. ディスプレイモジュールに行または列のオフセット設定が必要かどうか。

画像の色がおかしい

考えられる原因：

1. RGB と BGR のカラー順序が一致していない。

2. ディスプレイ反転設定が異なる。

3. MADCTL パラメータが使用しているパネルに適していない。

4. ディスプレイモジュールが、わずかに異なる ST7789 初期化シーケンスを使用している。

推奨される対処方法：

1. MADCTL の値を変更してみてください。

2. ディスプレイ反転を有効または無効にしてみてください。

3. ST7789 ディスプレイモジュールのデータシートを確認してください。

4. 使用しているモジュールが RGB または BGR のどちらのカラー順序を使用しているか確認してください。

画像の向きが正しくない

画像が回転している、または反転している場合は、初期化関数内の MADCTL コマンドパラメータを変更してください：

WriteCommand(0x36);
WriteData(0x08);

正しい値はディスプレイモジュールの向きによって異なります。

ディスプレイのリフレッシュが遅い

考えられる原因：

1. SPI クロック速度が低すぎる。

2. プログラムが毎回フルスクリーンをリフレッシュしている。

3. ディスプレイモジュールのリフレッシュ性能に制限がある。

4. C++ デモは検証用に単純なフルスクリーン塗りつぶし方式を使用している。

推奨される対処方法：

1. SPI クロック速度を徐々に上げてください。

2. 不要なフルスクリーンリフレッシュを避けてください。

3. アプリケーションが対応している場合は、変更された領域のみをリフレッシュしてください。

4. 現在のカラーフィルテストは、基本的なハードウェア検証デモとしてのみ使用してください。

まとめ

この wiki では、Seeed reComputer J4012 Classic に 40 ピンヘッダを介して SPI ディスプレイを接続する方法を紹介しました。一般的な SPI ディスプレイのワークフローには、ディスプレイの配線、SPI インターフェースの有効化、SPI デバイスノードの確認、依存関係のインストール、C++ デモのコンパイル、およびディスプレイテストの実行が含まれます。

このガイドでは、例として ST7789 SPI LCD をディスプレイモジュールに使用しました。他の SPI ディスプレイでも全体的な手順は同様ですが、ディスプレイドライバ、解像度、初期化シーケンス、および配線の詳細は、実際のディスプレイモジュールに合わせて調整する必要があります。

リソース

• NVIDIA® Jetson Orin™ NX 16GB AI Device - reComputer J4012

• reComputer J401x datasheet

• NVIDIA Jetson.GPIO mapping

• Linux spidev userspace API

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