Журнал LinuxFormat - перейти на главную

LXF162:Arduino

Материал из Linuxformat
Перейти к: навигация, поиск
Подписка на печатную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подписка на электронную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подшивки старых номеров журнала (печатные версии)
Весь 2014 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)


Элек­тро­ни­ка. Ап­па­рат­ные про­ек­ты с от­кры­тым ко­дом, рас­ши­ряющие ваш кру­го­зор.

Содержание

Arduino: Плюс кла­виа­ту­ра

Нуж­ны уст­рой­ст­ва вво­да? Ник Вейч зна­ко­мит нас со ска­ни­руе­мой мат­ри­цей и рас­ска­зы­ва­ет о ва­ри­ан­тах под­клю­че­ния кно­пок к Arduino.

(thumbnail)
Наш эксперт. Ко­гда LXF толь­ко поя­вил­ся, его дер­жа­ли на пла­ву исключительно скрип­ты Bash от Ни­ка Вей­ча. По­том их за­ме­ни­ли «лю­ди», и это, по мне­нию Ни­ка, ста­ло ша­гом на­зад...

На этом уро­ке мы по­го­во­рим о мат­ри­це. Нет, не той, что c крас­ны­ми и синими пи­люль­ка­ми, а о кла­виа­ту­ре. Рань­ше мы уже крат­ко о ней упо­ми­на­ли, а се­го­дня де­таль­но по­зна­ко­мим­ся с ва­ри­ан­та­ми и стра­те­ги­ей ра­бо­ты с ними. Начнем с бо­лее про­сто­го.

Как всегда, спо­со­бов под­клю­чения кно­пок к Arduino несколь­ко. В са­мом про­стом слу­чае од­на кноп­ка на­зна­ча­ет­ся на один кон­такт. Ес­ли кно­пок не боль­ше че­ты­рех, это и во­об­ще луч­ший ва­ри­ант: тут вы все рав­но ма­ло что сэ­ко­но­ми­те. Ес­ли кно­пок боль­ше, при­дет­ся по­ду­мать о мат­ри­це, или о неко­то­ром уп­лотнении дан­ных.

Ме­то­ды уп­лотнения

Про­стое уп­лотнение мож­но реа­ли­зо­вать с по­мо­щью раз­лич­ных уст­ройств – на­при­мер, есть спе­ци­аль­ные мик­ро­схе­мы, сво­ра­чи­ваю­щие во­семь линий дан­ных в од­ну, ис­поль­зуя 3 би­та как ад­рес. Са­мый по­пу­ляр­ный муль­ти­п­лек­сор/де­муль­ти­п­лек­сор – мик­ро­схе­ма 4051 и ее ва­ри­ан­ты; все они ра­бо­та­ют по опи­сан­но­му вы­ше прин­ци­пу. По­сколь­ку это все­го лишь пе­ре­клю­ча­тель, он мо­жет ра­бо­тать в обо­их на­прав­лениях для циф­ро­вых и ана­ло­го­вых вхо­дов и вы­хо­дов, но под­хо­дит и для соз­дания кла­виа­ту­ры.

Схе­ма бу­дет до­воль­но про­стой (см. Схе­му 1). При вось­ми пе­ре­клю­ча­те­лях до­воль­но лег­ко пе­ре­брать зна­чения на вы­во­дах ад­ре­са и счи­тать вы­ход­ное зна­чение. Един­ст­вен­ная слож­ность по час­ти ко­да – это за­дание зна­чений на ад­рес­ных вы­во­дах. К сча­стью, есть удоб­ная функ­ция bitread(x,y), ко­то­рая воз­вра­ща­ет зна­чение би­та для за­дан­но­го це­ло­го чис­ла x. Для пе­ре­бо­ра зна­чений нам по­на­до­бит­ся нечто вро­де

int data;

for (int count=0; count<=7; count++) {

digitalWrite(4, bitRead(count,0));

digitalWrite(5, bitRead(count,1));

digitalWrite(6, bitRead(count,2));

bitWrite(data, count, digitalRead(7));

}

Функ­ция bitWrite() со­би­ра­ет от­дель­ные би­ты в од­но це­лое зна­чение, а ка­ж­дый вход со­от­вет­ст­ву­ет од­но­му би­ту ре­зуль­ти­рую­ще­го зна­чения. Здесь пред­по­ла­га­ет­ся, что 4, 5 и 6 – ад­рес­ные би­ты, а 7 – вход­ной кон­такт.

Это­го спо­со­ба вполне доста­точ­но, чтобы читать дан­ные с про­стой кла­виш­ной панели, не при­бе­гая к реа­ли­за­ции пол­ной мат­ри­цы. Ог­раничения это­го под­хо­да про­яв­ля­ют­ся при боль­шем ко­ли­че­­ст­ве кла­виш. Мож­но, конеч­но, восполь­зо­вать­ся муль­ти­­плек­со­ра­ми с боль­шим ко­ли­че­­ст­вом вхо­дов, но ес­ли их дей­ст­ви­тель­но мно­го, схе­ма мо­жет стать довольно неук­лю­жей и мед­лен­ной. В этих слу­ча­ях нам по­на­до­бит­ся мат­ри­ца...

Стро­ки и столб­цы

В мат­ри­це кла­ви­ши ор­ганизо­ва­ны по стро­кам и столб­цам. Как и в схе­ме с муль­ти­п­лек­со­ром, кноп­ки нуж­но пе­рио­ди­че­­ски сканиро­вать, что­бы про­ве­рить, на­жа­ты они или нет, но в слу­чае с мат­ри­цей это обыч­но де­ла­ет­ся груп­па­ми. По сиг­наль­но­му про­воднику на ка­ж­дый стол­бец по­сту­па­ет ток, за­тем лю­бые на­жа­тые кла­ви­ши пе­ре­да­ют этот ток в про­водники со­от­вет­ст­вую­щих строк, зна­чения ко­то­рых мож­но счи­тать по от­дель­но­сти или все сра­зу.

Как по­лу­чить этот сиг­нал? Ва­ри­ан­тов опять-та­ки несколь­ко, в том чис­ле – про­сто за­пи­тать линии на­пря­мую с вы­хо­дов (см. врез­ку о ма­лень­ких мат­ри­цах). Мы восполь­зу­ем­ся сдви­го­вым ре­ги­ст­ром, ко­то­рый лег­ко на­стро­ить для этой це­ли (см. Схе­му 2).

Функ­ция­ми сдви­го­во­го ре­ги­ст­ра, ко­то­рый фор­ми­ру­ет ток для столб­цов, нуж­но управ­лять на бо­лее низ­ком уровне – сдви­го­вые ре­ги­ст­ры в Arduino пе­ре­ме­ща­ют по бай­ту дан­ных за цикл, но мы восполь­зу­ем­ся ре­ги­ст­ром на уровне би­тов – за­гру­зим бит в ре­гистр и за­тем с по­мо­щью им­пуль­сов бу­дем сдви­гать его на од­ну позицию за раз. Гло­баль­ная пе­ре­мен­ная glob_COLUMN со­дер­жит но­мер те­ку­ще­го столб­ца.

glob_COLUMN++;

digitalWrite(SR_LATCH, LOW);

if (glob_COLUMN>NUMBER_OF_COLUMNS) {

glob_COLUMN=0;

digitalWrite(SR_DATA, HIGH); //за­но­во за­гру­жа­ем 1 на вы­вод

digitalWrite(SR_CLOCK, HIGH); //сдвигаем

digitalWrite(SR_CLOCK, LOW);

digitalWrite(SR_DATA, LOW); // за­гру­жа­ем 0 на вы­вод

}else{

digitalWrite(SR_CLOCK, HIGH);

digitalWrite(SR_CLOCK, LOW);

}

digitalWrite(SR_LATCH, HIGH);

(thumbnail)
> Схе­ма 1. Муль­ти­п­лек­сор по­мо­жет оп­ре­де­лить со­стоя­ние не­сколь­ких пе­ре­клю­ча­те­лей, не ис­поль­зуя слиш­ком мно­го вхо­дов. Это несложно и с точ­ки зре­ния про­грам­ми­ро­ва­ния.

Пе­ре­мен­ные SR_ со­от­вет­ст­ву­ют кон­так­там Arduino, ис­поль­зуе­мым для под­клю­чения к этим сиг­на­лам на сдви­го­вом ре­ги­ст­ре. Ни­ка­ких со­гла­шений на этот счет нет – мож­но ис­поль­зо­вать лю­бые кон­так­ты, но луч­ше объ­я­вить их в на­ча­ле ко­да, что­бы при необ­хо­ди­мо­сти лег­ко ме­нять в за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кие кон­так­ты ис­поль­зу­ют­ся/сво­бод­ны.

По­ка счет­чик столб­цов не достиг ко­ли­че­­ст­ва столб­цов в на­шей мат­ри­це, код лишь уста­нав­ли­ва­ет им­пульс в «единицу», а за­тем сно­ва в «ноль». Час­тот­ная ха­рак­те­ри­сти­ка стан­дарт­но­го сдви­го­во­го ре­ги­ст­ра 59581 с за­па­сом по­кры­ва­ет по­сле­до­ва­тель­ные вы­зо­вы digitalWrite(), но ес­ли вы бу­де­те поль­зо­вать­ся дру­ги­ми ком­понен­та­ми или ес­ли в це­пи боль­шой шум, мо­жет по­тре­бо­вать­ся неболь­шая за­держ­ка ме­ж­ду вы­зо­ва­ми. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев бу­дет доста­точ­но та­кой:

delayMicroseconds(5);

Когда мы дости­га­ем ко­ли­че­­ст­ва столб­цов, сра­ба­ты­ва­ет усло­вие if. Оно сбра­сы­ва­ет счет­чик столб­цов и вы­да­ет еще од­ну «единицу» на вы­ход­ной кон­такт, за­тем сдви­га­ет его, и цикл на­чи­на­ет­ся сно­ва. Так, для трех столб­цов по­сле­до­ва­тель­ность бу­дет та­кой: 100100100... а для че­ты­рех – та­кой: 100010001... Ра­зу­ме­ет­ся, мож­но объ­е­динить несколь­ко ре­ги­ст­ров сдви­га в це­поч­ку и ис­поль­зо­вать боль­шие зна­чения счет­чи­ков для мат­ри­цы.

При по­да­че сиг­на­ла на ка­ж­дый из столб­цов нуж­но про­сканиро­вать стро­ки. Сде­лать это мож­но по-раз­но­му – с по­мо­щью муль­ти­п­лек­со­ра (как мы сде­ла­ли это ранее), рас­ши­ри­те­ля вхо­да/вы­хо­да или сдви­го­во­го ре­ги­ст­ра дру­го­го ти­па.

Рас­ши­ри­тель вхо­да/вы­хо­да (на­при­мер, MCP28S17) хо­ро­шо ис­поль­зо­вать в том слу­чае, ес­ли мат­ри­ца боль­шая. Эта мик­ро­схе­ма ис­поль­зу­ет по­сле­до­ва­тель­ный ин­тер­фейс (SPI), для ко­то­ро­го нуж­но 4 кон­так­та, но за­то он очень быстр – помните, что с раз­рас­танием мат­ри­цы вре­мя на ее сканиро­вание уве­ли­чи­ва­ет­ся, по­это­му ес­ли нуж­но и об­ра­ба­ты­вать дан­ные, и счи­ты­вать зна­чения с кла­виа­ту­ры, сканиро­вание долж­но быть бы­ст­рым.

Впро­чем, в ка­че­­ст­ве рас­ши­ри­те­ля про­ще все­го ис­поль­зо­вать еще один сдви­го­вый ре­гистр. Ранее в этой се­рии мы при­ме­ня­ли сдви­го­вые ре­ги­ст­ры SIPO (с по­сле­до­ва­тель­ным вхо­дом и па­рал­лель­ным вы­хо­дом), на ко­то­рые по­да­ет­ся по­сле­до­ва­тель­ность би­тов, вы­во­ди­мых на вы­ход­ные кон­так­ты. Есть ре­ги­ст­ры и с па­рал­лель­ны­ми вхо­да­ми и по­сле­до­ва­тель­ным вы­хо­дом (PISO), та­кие как 74165 и CD4021. В та­ких схе­мах зна­чения вось­ми вхо­дов снима­ют­ся и вы­да­ют­ся в ви­де по­сле­до­ва­тель­но­сти на один вы­ход под управ­лением сиг­на­ла внешнего генера­то­ра – по су­ти, их дей­ст­вие про­ти­во­по­лож­но ре­ги­ст­рам SIPO. Как и дру­гие сдви­го­вые ре­ги­ст­ры, их то­же мож­но со­еди­нять в це­поч­ку, и мы смо­жем по­лу­чить дан­ные в стро­ках с чис­лом эле­мен­тов боль­ше 8. Для их ра­бо­ты нуж­но все­го три кон­так­та.

Вот каким образом сканиру­ет­ся стро­ка:

digitalWrite(SRIN_LATCH, HIGH);

delayMicroseconds(25);

digitalWrite(SRIN_LATCH, LOW);

data = shiftIn(SRIN_DATA, SRIN_CLOCK);

Пе­ре­вод кон­так­та-«за­щел­ки» в «единицу» функ­ци­ей digitalWrite() «за­гру­зит» вход «за­щел­ки». Не­боль­шая за­держ­ка по­мо­жет зна­чениям уста­но­вить­ся, пре­ж­де чем мы сно­ва пе­ре­ве­дем «за­щел­ку» в ноль для «за­мо­роз­ки» вхо­да.

По­сле это­го нуж­но лишь восполь­зо­вать­ся функ­ци­ей shiftin() стан­дарт­ной биб­лио­те­ки Arduino для фик­са­ции зна­чения это­го бай­та. Ес­ли сдви­го­вый ре­гистр не один, то вхо­ды «за­щел­ки» объ­е­ди­ня­ют­ся вме­сте, и по­на­до­бит­ся еще один вы­зов shiftin() для чтения до­полнитель­но­го бай­та дан­ных.

Борь­ба с дре­без­гом кон­так­тов

Од­на из про­блем с фи­зи­че­­ски­­ми пе­ре­клю­ча­те­ля­ми, будь то мем­бран­ные кла­виа­ту­ры, так­тиль­ные кноп­ки или пе­ре­клю­ча­те­ли с са­мо­воз­вра­том лю­бых ти­пов, за­клю­ча­ет­ся в том, что сиг­нал мо­жет «дро­жать». Это тер­мин, ис­поль­зуе­мый для опи­сания эф­фек­та фи­зи­че­­ской при­ро­ды са­мих кон­так­тов, ко­то­рые вклю­че­ны и вы­клю­че­ны не чет­ко. Та­кое бы­ва­ет из-за фи­зи­че­­ской виб­ра­ции кон­так­та, по­это­му, на­при­мер, при от­пускании кла­ви­ши кон­так­ты мо­гут дрог­нуть и сно­ва замк­нуть цепь, пусть и нена­дол­го.

Ес­ли вы хо­ти­те от­фильт­ро­вать по­доб­ные неже­ла­тель­ные со­бы­тия, в принципе это де­ла­ет­ся на уровне элек­троники, но тут мо­гут быть про­бле­мы, так что по­за­бо­тим­ся об этом на уровне про­грам­мы. До­воль­но про­стой и яс­ный спо­соб – про­сто объ­е­динить вхо­дя­щие дан­ные с по­следним на­бо­ром дан­ных, по­лу­чен­ных из мат­ри­цы, по схеме И.

data &= shiftIn(SRIN_DATA, SRIN_CLOCK);

Вре­мя ме­ж­ду сканиро­ванием двух на­бо­ров дан­ных (ес­ли вы не сканируе­те бы­ст­ро – в этом случае мо­жет ис­поль­зо­вать­ся несколь­ко бу­фе­ров) долж­но быть доста­точ­ным для то­го, что­бы со­стояние кла­виш уста­но­ви­лось. Конеч­но, оно долж­но быть и доста­точ­но ко­рот­ким, что­бы из­бе­жать си­туа­ции, когда бы­ст­ро на­жа­тая кла­ви­ша не рас­по­зна­ет­ся. По об­щей рекомендации, вре­мя ме­ж­ду опе­ра­ция­ми сканиро­вания долж­но быть менее 200 мс.

Объ­е­ди­ня­ем все вме­сте

На прак­ти­ке функ­ция чтения кла­виа­ту­ры ско­рее все­го реа­ли­зу­ет­ся как сер­вис пре­ры­ваний. В этом слу­чае нуж­но пра­виль­но за­дать тай­мер (см. LXF155), что­бы пре­ры­вание вы­да­ва­лось доста­точ­но ре­гу­ляр­но для пе­ре­хва­та на­жа­тий кла­виш, но не слиш­ком час­то, что­бы не съе­дать все про­цес­сор­ное вре­мя. Оно за­ви­сит от раз­ме­ра мат­ри­цы и ме­то­да сканиро­вания – помните, что с ростом раз­ме­ра мат­ри­цы вре­мя на ее сканиро­вание уве­ли­чи­ва­ет­ся по квад­ра­тич­ной функ­ции. В при­ме­ре ко­да на DVD есть про­це­ду­ра пре­ры­вания для мат­ри­цы 4 × 4 с ис­поль­зо­ванием сдви­го­вых ре­ги­ст­ров для управ­ления стро­ка­ми и столб­ца­ми.

В за­ви­си­мо­сти от на­жа­тия кла­виш вам так­же нуж­но вы­пол­нять со­от­вет­ст­вую­щие дей­ст­вия и, конеч­но, по­ме­щать дан­ные ту­да, где глав­ная про­грам­ма их най­дет. На­зна­чение кла­виш за­ви­сит от ва­ше­го при­ло­жения, но для хранения на­жа­тий кла­виш удоб­но поль­зо­вать­ся бу­фе­ром buffer и счет­чи­ком count. В основ­ной про­грам­ме мож­но про­ве­рять счет­чик, что­бы уз­нать, бы­ли ли на­жа­ты кла­ви­ши.

if (data > 0){

if (buffercount < BUFFER_LIMIT){

buffercount++;

buffer[buffercount] - data;

}

}

Тща­тель­но по­доб­рав соответствующие ком­по­нен­ты, лег­ко про­ска­ни­ро­вать мат­ри­цу 16 × 16 без осо­бых затрат про­цес­сор­но­го вре­ме­ни.

matrix

Ма­кет – не самое замечательное в мире ме­сто для сбор­ки мат­рич­ной кла­виа­ту­ры: уж слиш­ком мно­го на нем со­единений. Про­ще будет взять мон­таж­ную пла­ту и раз­мес­тить кла­ви­ши на ней (в тех местах, где это необ­хо­ди­мо, до­рож­ки надо будет пе­ре­резать).

Ма­лень­кие мат­ри­цы

В ПО Arduino есть биб­лио­те­ка мат­ри­цы кла­виа­ту­ры, ко­то­рая сканиру­ет мат­ри­цу кла­виш, не вы­зы­ва­ет бло­ки­ров­ки и об­ла­да­ет за­ча­точ­ной об­ра­бот­кой со­бы­тий. Она ра­бо­та­ет с раз­лич­ны­ми кла­виа­ту­ра­ми и ис­поль­зу­ет про­стой ре­жим сканиро­вания, ис­клю­чаю­щий эф­фект лож­но­го сра­ба­ты­вания на кла­виа­ту­рах без дио­дов.

По­че­му мы не восполь­зо­ва­лись ею? Един­ст­вен­ная про­бле­ма в том, что для нее нуж­но по кон­так­ту на ка­ж­дую стро­ку и стол­бец, т. е. для мат­ри­цы 4 × 4 нуж­но во­семь кон­так­тов – за­мет­ная часть вы­во­дов Arduino. Ис­поль­зо­вание сдви­го­вых ре­ги­ст­ров (в основ­ном ко­де) по­зво­ля­ет снизить их ко­ли­че­­ст­во до шес­ти, а при объ­е­динении несколь­ких сдви­го­вых ре­ги­ст­ров мож­но ра­бо­тать с го­раз­до боль­ши­ми мат­ри­ца­ми. |

Источник — «http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF162:Arduino&oldid=18595»
Персональные инструменты
купить
подписаться
Яндекс.Метрика