拡張型情報表示デバイスの開発
３年Ｂ組 青木 雅典
指導教員 米田 隆恒

１．要約
私は、現在全く新しい情報表示デバイスの開発を行っている。当研究では、デバイスの表示領域をハードウェア面でユーザーが自由に伸縮できる拡張型情報表示デバイスの開発を目指す。そこで、その基本部分として、小型ディスプレイを搭載したデバイスを複数台組み合わせてユーザーが自由に操作できるデバイスのプロトタイプを製作した。
キーワード

OLED、小型ディスプレイ、PIC マイコン、SPI 通信

２．研究の背景と目的
近年、タブレット端末やスマートフォン

バイス本体の画面サイズによってユーザーができることが限られてしまう。

等が普及したことで、液晶ディスプレイをこの現状を打破するため、現在主流とな利用した小型の電子デバイスがより身近なっている「一つのデバイスあるいはシステものになってきた。

ムに一つの画面」という方法ではなく、「小型ディスプレイを搭載したデバイスを複数台組み合わせる」ことを考えた。これにより、ユーザーはデバイスの並びや構成を変化させることでさらに多様な情報入力の手段を得ることができ、同様に多様な情報出力も得られると考えられる。

３．研究内容（１）研究事項＜研究１＞
図１ 液晶ディスプレイを搭載したスマートフォン
老若男女問わず、たくさんの人々が利用しているこれらのデバイスには、使用目的マイクロコンピュータから小型ディスプレイを制御し、画面に図形を描画する＜研究２＞
センサの情報を読み取り、グラフとしてに応じた様々なサイズのディスプレイが取画面に描画するり付けられている。しかしながら、ユーザ＜研究３＞ーが行える操作はすべて、たった一つの画面の中でしか行うことができないので、デデバイス間で通信を行い、一つの図形を複数のディスプレイにわたって表示する

＜研究４＞
デバイスの自由度を向上させるために、小型化を行う＜研究５＞
無線通信デバイスを使用してパソコンとデバイスの間で通信を行う（２）研究内容＜研究１＞
私 は 昨 年 度 の 研 究 で 「 NOKIA 3300

図３ 今回使用する OLEDLCD」と呼ばれている CSTN カラー液晶ディスプレイの制御を行った。

これまで、モジュールを制御するために、マイクロコンピューターチップを用いてきた。今回のプロトタイプの開発では、「NOKIA 3300 LCD」を制御していたものと 同 じ PIC24F マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ「PIC24FJ64GA002」を使用した。

図２ NOKIA 3300 LCD
しかし、この液晶ディスプレイは制御信号に対する反応速度が遅く、斜めから見ると色が変わってしまうといった問題があり、あまり実用的なものではなかった。今回製
作する機器は、小型ディスプレイを組み合

図４ PIC24FJ64GA002

わせて使用する。ディスプレイを平面的にだけではなく立体的に組み合わせて使用す

今回使用した OLED には 3 線 SPI、4 線ることも考えているため、画面に表示されSPI、8bit パラレル通信の 3 種類の通信方ているものがどの向きから見てもはっきり式がある。初めに製作した回路では、3 線と見える方が良い。そこで、今回は液晶デSPI 通信方式を利用して OLED を制御した。

ィスプレイではなく、視野角の広い OLED

3 線 SPI 通信は、コマンド識別フラグと 8bit（有機 EL）ディスプレイ（以下、OLED）のデータを合わせて 9bit のデータを SPI 通を用いることにした。

信で送信している。しかし、PIC24F マイコンの SPI モジュールは 9bit のデータを送信する SPI 通信方式に対応していない。そのため、ソフトウェアで疑似的に SPI 通信＜研究２＞を行う必要があり、通信速度が低下してしデバイスへの入力やディスプレイの向きまった。そこで、データかコマンドかを識の検出などに、センサを利用する必要があ

別する信号線１線と PIC24F でも高速で制るため、ここではセンサからの値を読み取御できる 8bit の SPI 通信方式を利用できる

り、OLED にグラフとして表示する。

4 線 SPI 通信方式を使用するように改良を加えた。

センサは、「KXM52-1050」という 3 軸加速度センサモジュールを利用する。

また、OLED の電源に 13V を用意する必要があったため、「TB62731FUG」というDCDC コンバータを使用し、昇圧回路を自作した。この際、私たちの研究室にあるCNC フライスで独自に基板のパターンを削り出し、部品をすべて表面実装部品にすることで、昇圧回路全体の小型化も行った。
図６ KXM52-1050
加速度センサは、重力加速度も出力するので、それをマイクロコンピュータで取得5mmすることで画面の向きを指定することも可能である。このセンサは、X,Y,Z の各軸の加図４ 製作した昇圧回路

速度をアナログデータで出力するため、データの読み取りには、マイクロコンピュータの AD コンバータを利用するのが良いと考えた。
また、グラフを描画するには、取得したデータを保存する機能と画面を自動的に再描画する機能が必要である。OLED は、横幅が 128px あるので、データ格納用変数は128 個用意する必要がある。ここでは横幅を 4px として説明する。グラフは右から左に流れていくので、最新のデータは右端に表示する。まず、Index1 に最新データを入れる。次に変数を左に一つ分ずつずらし（左端の変数は右端に移動）Index2 に最新デー

図５ 製作した OLED デバイスタを入れる。さらに、変数を左に一つ分ずつずらす。 この手順を繰り返していくこと路の小型化を行い、デバイスを OLED 側かで、データを更新しながら画面の再描画をら見たときディスプレイのみが見えるよう行うことができる。にすることで、連結時の画面同志の隙間を少なくすることにした。

＜研究３＞

始めに、＜研究１＞で製作した OLED デ

複数の OLED デバイスを一つのシステム

バイスは、使用しているほとんどの部品がとして利用するには、それぞれのデバイスサイズの大きいものであったため、回路の間で通信を行い、センサの状態や描画して小型化を行うには、使用しているすべてのいるものの情報を共有する必要がある。そ電子部品をサイズの小さい表面実装部品にこで、今回は PIC マイコン同士を UART（汎変更した。特に、PIC マイクロコンピュー用非同期送受信回路）で接続し、描画するタは、今まで使用していた DIP パッケージ画像のデータを送受信できるようにする。の「PIC24FJ64GA002」から、TQFP パッ

ここでは、２つのデバイスを接続してシスケージの「PIC24FJ64GA004」に変更したテムを構成する｡

ことで、回路をより薄く、小さくすること例えば、OLED の間を通って移動する長が可能となった。

方形を表示したいとする｡長方形の描画領域が一枚目の OLED をはみ出したとき、もう一方の OLED に表示するべき長方形の座下が今回使用するもの
上が研究 1 で使用したもの

標や色などの情報を UART で送信する｡すると、受信側のマイクロコンピュータは受図７ 研究１で使用した電子部品と信したデータを元に、はみ出した部分の長今回使用する表面実装部品の比較

方形を OLED に描画する｡このような処理を複数の OLED デバイス間で行うことによまた、＜研究１＞ではユニバーサル基板り、ほぼリアルタイムで OLED を連携させという基板を使用していたが、これは小型ることが可能となる｡また、独自の識別コマ化を行うには不向きであったため、OLEDンドを使用することで、送信している情報のサイズに合わせた専用制御基板を自ら製が画像データか、センサ入力値のデータか、作した。などを区別できる。そのため、デバイス全体の情報を共有できるシステムも製作することが可能になる｡＜研究４＞
OLED デバイス同士を組み合わせるときの自由度を向上させるには、デバイスをで図８ 小型化した OLED 制御基板きるだけ薄く小さくすることが必要である。

（両面基盤の裏と表）

そこで、ここでは＜研究１＞で製作した回使用する PIC マイクロコンピュータを変ットワークを構築することも可能だが、今更したことで、利用できる入出力ピンが増回は試験的に１つの OLED デバイスと一台えた。そこで、制御基板の裏面には昇圧回のパソコンとで通信を行い、１対１での通路と共にタクトスイッチを配置し、OLED信とした｡

デバイスを上から押すことで、ユーザーからの入力を受け取れるようにした。

初めに、パソコンとマイクロコンピュータ間で無線通信を行う実験として、簡単な対話型マイコン制御プログラムを制作した。

＜研究５＞
このデバイスで表示する情報として、メールや天候の情報などが考えられる。それらの最新情報はインターネットを通して取得する必要があるが、デバイスに無線 LAN通信パーツを組み込んでインターネット上から直接情報を取得することは、パーツの大きさや値段などの問題があり、難しい。
そこで、パソコンとデバイスとを無線で接続し、パソコンから必要なデータだけを取

図 10 制作した対話型マイコン制御プログラム得する方法をとった｡
パソコンと OLED デバイスの接続にはこれは、あらかじめマイクロコンピュー「XBee」という無線通信モジュールを使用

タ側にコマンドやメッセージを記憶しておした｡

くことで、ユーザーはまるで対話をしているような感覚で利用することができる。これにより、XBee 無線通信モジュールを使用してパソコンとマイクロコンピュータの間で無線通信を行うことに成功した。
また、その応用として、OLED に Twitterのつぶやきを表示するシステムを制作しようと考えた｡Twitter からデータを取得する
パソコン側のソフトウェアは、Visual C#で自作し、取得したデータをあらかじめ決めておいた形式でマイクロコンピュータに送

図９ XBee 無線通信モジュール
これは、研究３でも利用した UART 通信を手軽に無線化できるものである｡このモジュールを利用するとモジュール同士でネ信する仕組みとした。

４.結果つの画面として利用すること、および個々＜研究１＞の OLED デバイスが持つ情報をデバイス同マイクロコンピュータと OLED の間の通信士で共有するシステムを構築することは、方 式に ４線 SPI 通 信を利 用す るこ とで現段階ではできていない｡

OLED を高速制御することに成功し、図形＜研究４＞や写真を表示することが可能となった。

使用する電子部品を小さいものに変更し、OLED の大きさに合わせて設計した自作制御基板を使用することにより、＜研究１＞で製作した電子回路をすべて OLED のディスプレイサイズよりも小さく収めることに成功した。

図 12 小型化に成功した OLED デバイス
（表面と裏面）＜研究５＞
パソコンと OLED デバイス無線通信モジュールを用いて接続することが可能となった。
しかし、目標であったデバイス本体をインターネットに接続することなく天候やTwitter などの情報を OLED に表示するこ
図 11 文字と図形を OLED にとは、現段階ではできていない｡

表示している様子

５.考察
＜研究２＞

今回の試作において、研究３の目標を達３軸加速度センサからのアナログデータを成することはできなかった。これには、ママイクロコンピュータで読み取り、それぞイクロコンピュータ同士のデータ通信を行れの方向の加速度をグラフとしてリアルタったとき、液晶ディスプレイに表示するデイムで描画することができた。

ータが正しく送受信されていないというこ＜研究３>とが考えられる。このプロトタイプでは、２つの OLED デバイス間で UART 通信をUART 通信を利用して他の OLED デバイ行い、データの送受信を行うことは可能とスとの同期を行うようにした。この場合、なった。しかし、実際に複数の OLED を１複数の OLED を一つディスプレイとして使用するには、それぞれの OLED デバイス間の利用方法を考える必要がある。スクリーのタイムラグを抑えるために、通信に必要ンサイズやシステム全体の大きさ、可搬性、とする時間をできる限り短くする必要があ

汎用性などを踏まえ、これからの研究をよる。しかし、通信の高速化を図ったことで、り向上させ、より良いシステムを開発できマイクロコンピュータ自体の通信精度のズると考えている。

レが生じ、結果的にデータの送受信ができなくなったと考えている。

６.今後の課題

さらに、研究４においても現段階で目標

上記の考察で述べたとおり、私が今回取を達成することはできなかった。これは、り組んだデバイス開発ではいくつかの問題パソコン側のソフトウェアでツイートを取点が浮上した。まずは、それらの問題点を得する際に正しくデータを読み込めていなクリアし、実用性のあるプロトタイプを製いことが原因だと考えられる。Visual C#か作することが第一ステップであることは言ら Twitter のデータを取得する時、OAuthうまでもない。

認証という複雑な認証方式を利用する必要

また、OLED デバイス同士を組み合わせがあり、プログラムはこの処理を正しく行るとき、毎回信号線をつなぎ直す必要があうことができていないと思われる。この問ると、非常に使いづらいデバイスとなって題を解決することは、現段階で容易ではなしまう。これを解消するために、私はデバいため、今後は Twitter ではなく、もう少イスの４辺に電極と小型のネオジム磁石をし簡単にデータを取得することが可能な天配置し、それぞれの OLED デバイスを磁力候やメールなどの情報サービスを利用するでつなぎ合わせる方法を考えた。

ことも考えている。

今後の研究において重要となるのはユー

従来、私たちが日常生活の中で利用してザー体験の模索である。従来の「直感的な」きた多くの情報表示端末では、ユーザーがデバイスにおいては、その設計の斬新さや利用できる情報入力および出力の手段は、ユーザーインターフェイスの視覚的な新し初めから端末に備え付けられているたったさが求められてきた。しかしながら、これ一つの画面だけであった。しかし、私が今から検討していくべきことはユーザーがど回開発したシステムのプロトタイプでは、のような体験をこのデバイスから得られるユーザー自身がデバイスの組み合わせや並か、である。よって、今後の研究では、どび方などの形態の変更を自由に行うことをれだけ有用性のあるデバイスを設計するか目標にしている。それにより、ユーザーや、だけではなく、ユーザーの立場から、このシステムを使用する目的、状況に応じて確デバイスからどのような体験が得られるか

実に適合するよう、自由にユーザーがハーを考えながら開発していくことが重要になドウェアの面から変更を加え、システムをる。

使うことができると考えられる。
また、実用性に含んだデバイスを開発するためには、様々な使用環境や、ユーザー

７．参考文献[1]PIC24F リ フ ァ レ ン ス マ ニ ュ ア ル
http://www.microchip.co.jp/download.html[2]SSD1351 データシート
http://aitendo2.sakura.ne.jp/aitendo_data/product_img2/product_img/oled/UG-282
8GDEDF11/SSD1351.pdf[3]UG-2828GDEDF11 データシート
http://aitendo2.sakura.ne.jp/aitendo_data/product_img2/product_img/oled/UG-282
8GDEDF11/UG-2828GDEDF11.pdf[4]KXM52-1050 モジュール説明書
http://akizukidenshi.com/download/ds/akizuki/KXM52-1050_module.pdf[5] PIC24E リファレンスマニュアル
http://www.microchip.com/wwwproducts/
Devices.aspx?dDocName=en557370

８.謝辞
今回の研究にあたり、サイエンス研究会物理班顧問の米田隆恒先生や藤野ともみ先生には、日頃からご指導、ご助言をしていただきました。さらに、本校サイエンス研究会の先輩方にも多大なご協力をいただきました。この場をお借りして、御礼申し上げます。