Raspberry Pi と SKR Pico を UART で接続しながら KlipperScreen を使う方法

前置き

現在オープンベータ中の Fraxinus3e を組み立てて印刷を重ねていますが、操作のために毎回タブレットを使うのが若干面倒なので、KlipperScreen を導入することにしました。

note の KlipperScreen を Raspberry Pi Zero 2W で使う方法 という記事を基にすればそんなに苦労しないかなと思って挑戦したのですが、実際には試行錯誤を重ねてやっと使えるようになりましたので、設定内容と試行錯誤の経緯を備忘録としてメモします。

環境

Raspberry Pi

モデル

Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.2

OS

Debian GNU/Linux 11 (bullseye) 1.3.2

Klipper

v0.12.0-192-gb7f7b8a3

KlipperScreen

v0.4.3-49-g8e915764

Moonraker

v0.8.0-359-g73df63db

Raspberry Pi と SKR Pico の接続

UART（Raspberry Pi の電源供給含む）

ディスプレイ

OSOYOO RPi用3.5インチSPIタッチディスプレイ

ディスプレイが前述の note の記事のものと違いますが、Discord の Fraxinus3e のサーバーでこのディスプレイを使って KlipperScreen を導入できたという投稿がありましたので、大丈夫だろうと思って購入しました。

設定内容の先取り

試行錯誤の過程はそこそこ長い話になっていますので、Raspberry Pi と SKR Pico を UART で接続しつつ、OSOYOO の 3.5inch ディスプレイに KlipperScreen の画面を表示させるために必要な作業をまず示します。

• UART2 を使用可能にする
• Raspberry Pi と SKR Pico の接続で使う TX のピンを GPIO14 から GPIO0 に、RX のピンを GPIO15 から GPIO1 にそれぞれ変更。
• printer.cfg の [mcu] の serial: を ttyAMA0 から ttyAMA1 に変更
• raspi-config で Linuxコンソール が UART にアクセスできるように設定
• Bluetooth を UART に接続させないために Bluetooth を無効化する（省略可）

試行錯誤

何とか成功させるまでに取り組んだことをこれから説明していきます。

ディスプレイ導入

Raspberry Pi との接続

このディスプレイは、1枚目の写真のように Raspberry Pi にかぶせる形で取り付ける想定になっていますが、私の場合、もう1枚の写真のように Raspberry Pi の GPIO ピンの一部を SKR Pico との UART 接続で使っていますので、同じ接続方法は不可能でした。

そのため、ディスプレイの説明書で信号の送受信に使われているピンを確認し、それが Raspberry Pi のどのピンに対応しているか突合した上で、Qi コネクタを自作してディスプレイと Raspberry Pi を接続しました。なお、5V と GND については、SKR Pico の E0-STOP コネクタの 5V ピンと GND ピンを利用しています。

ドライバ導入

メーカーの説明書に従って以下の作業を実施しました。

• SSH で Raspberry Pi に接続
• git clone https://github.com/osoyoo/LCD-show.git コマンドで必要なファイルをクローン
• cd LCD-show/ でクローンしたディレクトリに移動します。
• chmod +x lcd35b-show コマンドでドライバインストールのファイルに実行権限を付与
• ./lcd35b-show コマンドを実行

これでドライバがインストールされ、設定も変更されて自動的に Raspberry Pi が再起動します。

KlipperScreen 導入

公式サイトでは KIAUH を使ってインストールすることが推奨されていますので、それに従います。

./kiauh/kiauh.sh コマンドで KIAUH を起動したら、「1) [Install] -> 5) [KlipperScreen]」の順に選択して、KlipperScreen をインストールしました。

Klipper に接続できなくなる

上記の作業だけでディスプレイに KlipperScreen の画面が表示されたのですが、ディスプレイに以下のエラーメッセージが表示されていました。

1mcu 'mcu': Unable to connect
2Once the underlying issue is corrected, use the
3"FIRMWARE_RESTART" command to reset the firmware, reload the
4config, and restart the host software.
5Error configuring printer

仕方がないのでファームウェアを再起動したのですが、以下のメッセージがしばらく表示された後、同じエラーメッセージが表示されました。

1Printer is not ready
2The klippy host software is attempting to connect. Please
3retry in a few moments.

これでは印刷できませんので同様の事例がないか検索したものの、私の事例に当てはまりそうなものはありませんでした。

ディスプレイの設定変更

検索で解決に繋がりそうな情報を見つけられなかったため、Discord の Fraxinus サーバーで状況を報告して相談を求めました。

すると KlipperScreen を Raspberry Pi Zero 2W で使う方法 の執筆者の緋村さんから設定方法をアドバイスしていただきました。それを踏まえて、以下のとおり設定しました。

config.txt の編集

以下の設定を [all] セクションに追加して再起動しました。

1dtoverlay=spi1-1cs,cs0_pin=16
2dtoverlay=fbtft35,spi0-0,generic35,bgr,reset_pin=25,dc_pin=24,ledn_pin=18,rotate=270
3dtoverlay=ads7846,cs=1,penirq=17,speed=10000,penirq_pull=2,xohms=155

Raspberry Pi 再起動後に以下のコマンドを実行

1cd ~
2mkdir dts
3cd ~/dts
4wget "https://drive.google.com/uc?export=download&id=1Eqbaq-SzO_6EFwNgEmxIW_iwfv7_77XB" -O fbtft35-overlay.dts
5dtc -@ -I dts -O dtb -o fbtft35.dtbo fbtft35-overlay.dts
6sudo cp fbtft35.dtbo  /boot/overlays/
7sudo reboot

この設定を行ったところ、ディスプレイに KlipperScreen の画面は表示されましたが、上記と同じ mcu 'mcu': Unable to connect ... というエラーは続いていました。

Linux コンソールの設定変更

エラーの解消方法を探るために klippy.log を確認したところ、以下のログが複数出力されていましたので、エラーの原因はシリアル接続ではないかと当たりをつけました。

 1serialhdl.error: mcu 'mcu': Serial connection closed
 2mcu 'mcu': Timeout on connect
 3MCU error during connect
 4Traceback (most recent call last):
 5  File "/home/pi/klipper/klippy/mcu.py", line 791, in _mcu_identify
 6    self._serial.connect_uart(self._serialport, self._baud, rts)
 7  File "/home/pi/klipper/klippy/serialhdl.py", line 183, in connect_uart
 8    self._error("Unable to connect")
 9  File "/home/pi/klipper/klippy/serialhdl.py", line 61, in _error
10    raise error(self.warn_prefix + (msg % params))

試しに、printer.cfg の [mcu] の serial: セクションに設定する接続先を ttyAMA0 から ttyS0 に変更してみました。すると、mcu 'mcu': Unable to connect ... エラーは引き続き発生していましたが、klippy.log に permission denied というエラーログが出ていました。permission denied は接続拒否なので、Klipper が接続しようとする前に別のプロセスがシリアル接続を押さえてしまっているのではないかと予想しました。

そこで Raspberry Pi のシリアル接続に関する情報を調べたところ、Raspberry Pi ではデフォルトで Linux コンソールがプライマリ UART に存在していることが分かりました¹。これがエラーの原因ではないかと考えて、Linux コンソールが UART にアクセスできないように設定を変更しました。設定変更は、sudo raspi-config を実行して「3 Interface Options -> I6 Serial Port」の順番でメニューを開き、「Would you like a login shell to be accessible over serial?」という質問に「No」を選択すれば OK です。

Klipper の接続が復活

上記の設定変更後に Raspberry Pi を再起動したところ、Klipper の接続が復活して、Fluidd の画面が正常に戻りました。

しかし、ディスプレイには KlipperScreen の画面ではなく Linux 起動時のコンソールの内容が出力されていたため、次はこの問題の解消に取り組みました。

ディスプレイに KlipperScreen の画面を表示させる

ディスプレイを初めて接続した時は KlipperScreen の画面が表示されており、そのときは Linux コンソールが UART に存在していたので、KlipperScreen の画面を表示させるには Linux コンソールが UART に存在している必要があると予想しました。しかし、Linux コンソールが UART に存在していると Klipper が接続できなくなってしまいます。

ただ、シリアル接続について調べていたときに、Raspberry Pi 4 では最大で UART を6つまで使えることが判明していました²。そのため、Linux コンソールが UART に存在できるよう設定を戻した上で、使える UART を1つ増やしてそこに SKR Pico を接続すればよいのではと考えました。

UART2 を使用可能にする

Raspberry Pi 4 では、デフォルトで UART0 と UART1 の2つの UART が使用可能になっており、このうち、UART1 がプライマリ UART になっています。一方、UART0 はセカンダリ UART になっていますが、通常は GPIO コネクタではなく Bluetooth コントローラーに接続されています。なお、UART1 と UART0 のどちらがプライマリになるかはモデルによって異なります。各モデルの設定は、Raspberry Pi の公式ガイドからコピーした下表のとおりです。

プライマリ UART とセカンダリ UART で UART1 と UART0 が使われていますので、/boot/config.txt に次の設定を追加して UART2 を使えるようにしました。³

1enable_uart=1
2dtoverlay=uart2
3dtoverlay=disable-bt

設定の内容を説明しますと、enable_uart=1 は UART を有効化するための設定で、dtoverlay=uart2 は UART2 を使えるようにするための設定です。dtoverlay=disable-bt は Bluetooth デバイスを無効化するための設定で必須ではありませんが、Bluetooth を使う予定はないのでついでに設定しました。ファイルの編集が終わったら、Raspberry Pi を再起動します。

再起動後に raspi-gpio get 0-15 コマンドで GPIO ピンに割り当てられた機能を確認しますと、GPIO0 と GPIO1 のピンの機能が TXD2 と RXD2 となっており、この2つのピンが UART2 のためのピンとなっていることが確認できます。

 1GPIO 0: level=1 fsel=3 alt=4 func=TXD2 pull=NONE
 2GPIO 1: level=1 fsel=3 alt=4 func=RXD2 pull=UP
 3GPIO 2: level=1 fsel=4 alt=0 func=SDA1 pull=UP
 4GPIO 3: level=1 fsel=4 alt=0 func=SCL1 pull=UP
 5GPIO 4: level=1 fsel=0 func=INPUT pull=UP
 6GPIO 5: level=1 fsel=0 func=INPUT pull=UP
 7GPIO 6: level=1 fsel=0 func=INPUT pull=UP
 8GPIO 7: level=1 fsel=1 func=OUTPUT pull=UP
 9GPIO 8: level=0 fsel=1 func=OUTPUT pull=UP
10GPIO 9: level=0 fsel=4 alt=0 func=SPI0_MISO pull=DOWN
11GPIO 10: level=0 fsel=4 alt=0 func=SPI0_MOSI pull=DOWN
12GPIO 11: level=1 fsel=4 alt=0 func=SPI0_SCLK pull=DOWN
13GPIO 12: level=0 fsel=0 func=INPUT pull=DOWN
14GPIO 13: level=0 fsel=0 func=INPUT pull=DOWN
15GPIO 14: level=1 fsel=2 alt=5 func=TXD1 pull=NONE
16GPIO 15: level=1 fsel=2 alt=5 func=RXD1 pull=UP

また、ls -la /dev/tty* コマンドで UART のデバイスを確認したところ、以下のとおり /dev/ttyAMA1 が追加されていました。

1..
2crw--w---- 1 root tty     204, 64 Aug 18 14:02 /dev/ttyAMA0
3crw-rw---- 1 root dialout 204, 65 Aug 18 17:38 /dev/ttyAMA1
4...
5crw-rw---- 1 root dialout   4, 64 Aug 18 13:17 /dev/ttyS0

なお、dtoverlay=disable-bt で Bluetooth デバイスを無効化した場合、Raspberry Pi 再起動後に sudo systemctl disable hciuart を実行して Bluetooth のシステムサービスを停止する必要があるようです。⁴

Raspberry Pi と SKR Pico の接続を変更する

UART2 が使えるようになりましたので、プリンタの電源をオフにしてから Raspberry Pi と SKR Pico の接続を変更します。具体的には、GPIO14 に接続されているケーブルを GPIO0 に、GPIO15 に接続されているケーブルを GPIO1 に繋ぎ変えました。

printer.cfg を修正する

printer.cfg の [mcu] の serial: を次のとおり変更しました。

1- /dev/ttyAMA0
2+ /dev/ttyAMA1

Linux コンソールを変更

sudo raspi-config を実行してLinux コンソールが UART にアクセスできるように設定を戻して、Raspberry Pi を再起動しました。

KlipperScreen の画面が表示される

以上の作業を経て、ディスプレイに KlipperScreen の画面を表示させつながら印刷もできるようになりました。

参考にした情報

この一連の作業で参考にしたサイトは次のとおりです。サイトの執筆者の方々には感謝申し上げます。

• KlipperScreen を Raspberry Pi Zero 2W で使う方法
• Raspberry Piのシリアルポート設定（UART）を理解する - Toki Blog（トキブログ）
• Raspberry Pi GPIOを使用したシリアル通信 | Ingenious
• Configuration - Raspberry Pi Documentation