Crazy Rebel: викификация

2009-05-07T09:56:42Z

викификация

Новая страница

: Свободная электроника

== Аппаратный хакинг по новой ==

{{Цикл/Arduino}}

: '''ЧАСТЬ 2''' Игра, которую мы создали месяц назад – немая, и это дает '''Грэму Моррисону''' повод добавить звук, используя только Arduino и динамик.

Месяц назад мы создали игру типа «Саймон сказал», используя Arduino – аппаратную платформу для простых и не очень электронных проектов. Мы разместили три кнопки и три светодиода на макетной плате и написали маленькую программу, передававшую на них случайную последовательность вспышек, которую игрок должен был повторить, нажимая на кнопки в заданном порядке. При каждом правильном воспроизведении последовательности ее длина увеличивалась на единицу, и все повторялось снова. Чем большей длины случайные последовательности вы запоминали, тем больше очков получали.

Мы собираемся надстроить проект прошлого месяца, добавив другую важную особенность – звук! Это очень просто, но оказывает потрясающий эффект на игровой процесс. Если вместе с Arduino вы купили стартовый набор компонентов, есть хороший шанс, что туда включено нечто вроде пьезоэлемента – обычно это маленькая черная круглая штука (размером примерно с «нажималку» кнопки), с маленькой дырочкой наверху. Пьезоэлемент
способен как генерировать, так и улавливать звук, почему его и включают в стартовый набор. Если пьезоэлемента у вас нет, не горюйте –
берите пример с нас. В магазин мы за ним не пошли, а раскурочили корпус старого компьютера, выудили оттуда динамик и припаяли два
провода к контактам по краям магнита, управляющего динамиком (а
вы, может, сумеете вынуть его прямо с проводами). Подойдет любой
маленький динамик – вы удивитесь, какая масса электронных приборов содержит подобное. Если у вас валяется что-то сломанное и
электронное, загляните вовнутрь.

===Звук и свет===

Подсоединив динамик к Arduino, придадим вспышкам светодиодов
звук, чтобы каждой из них соответствовала определенная нота. Тогда
случайная последовательность вспышек заодно будет сопровождать-
ся сгенерированной мелодией, а игрок пусть повторяет последовательность вспышек/мелодию, нажимая на три кнопки.

Даже если игра «Саймон сказал», которую мы создаем, вам ни к чему, вы можете использовать то, что изучите на следующих
страницах, для использования в больших проектах. Звук в Arduino будет просто работать, и есть немало приложений, где ему найдется
применение.

===Генерация звука===

Существует несколько способов генерировать звук с помощью Arduino,
разных уровней сложности. Мы воспользуемся простейшим, известным также как «битье по битам». Этот метод позволяет генерировать
ноты различной тональности, но не более – просто «бип» некоторой
длительности. Не спешите воротить нос – звук на самом деле очень
приятный, и он знаком всем, кто вырос в 1980-х. Наш звук будет очень
похож на тот, что порождали подлинные игры «Саймон» и много других электронных устройств, в том числе типичный «бип», который
звучит при включении компьютера. Выбран он потому, что это самый
простой и дешевый способ получения звука, и вам не нужны никакие
аудиосредства, кроме динамика.

Если вы интересуетесь звуком и хотите сделать что-нибудь чуть
более амбициозное, то есть другие методы генерации, использующие цифро-аналоговый преобразователь для воссоздания сэмплов и
реальных звуков; есть и проекты Arduino, которые воспроизводят различные дискретные компоненты синтезаторов, включая осцилляторы,
фильтры и огибающие, а также увязку всего этого с MIDI. Тем, кому
интересны такие приложения, сайт Arduino предоставляет исчерпы-
вающую информацию.

====Бип... Бип...====

Но нам-то нужен всего лишь «бип». Смотрите, как легко это делается. Присоедините положительный контакт динамика к контакту питания '''9 В''' на Arduino (на плате динамика должны находиться маленькие знаки «плюс» и «минус», показывающие полярность). Далее
соедините минусовый провод с цифровым контактом '''9''' на Arduino –
вот и все необходимые соединения. Если у вас уже собрана игра
«Саймон сказал» из прошлого номера, эти два соединения должны
располагаться параллельно проводам, идущим к и от светодиодов и
кнопок на макетной плате. Осталось написать код, создающий звук.
Основной принцип очень похож на переключение светодиодов из
«включено» в «выключено», по крайней мере с точки зрения программирования. Поэтому метод и назван битье по битам. Сперва
надо установить режим для контакта, подключенного к динамику,
затем послать сигналы '''HIGH''' и '''LOW''' на тот же контакт, тем самым
посылая цифровой сигнал по проводу на динамик. В результате
мы получим небольшой «клик», так как катушка динамика в этот момент дернется. Если вы зарисуете движение на листке бумаги, то увидите,
что динамик сгенерировал прямоугольный импульс – резкое движение вверх при включении и затем такое же
резкое при спаде. Теперь, послав гораздо больше таких маленьких
сигналов на динамик, мы сгенерируем больше таких импульсов, и
суммарный эффект от движения катушки и диффузора динамика
вперед и назад даст нам звуковой тон, высота которого будет зависеть от числа таких циклов в секунду.

====...Бип! Бип! Ура!====

Хватит теории – перейдем к шумам. Откройте новый проект Arduino в
''Arduino IDE'' (или в любимом текстовом редакторе) и введите следующие строки в начале файла:

#define note_len 200000
int speakerOut = 9;
void setup() {
pinMode(speakerOut, OUTPUT);
}

Эти строки говорят контроллеру Arduino, как мы хотим использовать контакты на плате. Теперь надо добавить код, генерирующий звук.
Для этого просто вставьте следующую функцию:

void playTone(int note) {
long elapsed_time = 0;
while (elapsed_time < note_len) {
digitalWrite(speakerOut,HIGH);
delayMicroseconds(note / 2);
digitalWrite(speakerOut, LOW);
delayMicroseconds(note / 2);
elapsed_time += (note);
}
}

В цикле ‘'''while'''’, цифровой импульс посылается на динамик, используя функции '''digitalWrite''' – '''HIGH''' для включения и '''LOW''' для выключения. Между каждым применением '''digitalWrite''' задается задержка с помощью функции delayMicroseconds. Как следует из ее названия,
она останавливает работу программы на число микросекунд, заданное в скобках. В нашем случае мы присвоили это число переменной ‘'''note'''’,
так как именно от значения этой задержки зависит требуемый тон: чем меньше задержка, тем быстрее импульсы посылаются на динамик, и
тон будет выше. Мы затем добавляем суммарную длину всех задержек в переменную '''elapsed_time''', чтобы знать, сколько времени у нас проигрывается звук, и когда нота проиграется с длительностью, заданной в '''note_len''', мы выйдем из цикла '''while'''.

{{Врезка|Содержание=[[Изображение:LXF104_50_1.jpg|300px]] Все звуки в проекте генерируются с помощью функции '''playTone'''.|Ширина=300px}}

Для создания звука, переходим к окончательной функции – '''loop'''. Она выполняется Arduino постоянно, и здесь можно вызвать функцию
'''playTone''' для создания звука:

void loop() {
playTone (3830);
}

=== Поместим его в игру ===

Теперь, создав основу для генерации звука с помощью Arduino и
дешевого динамика, применим изученное к нашей игре. Первый
шаг – скопировать функцию '''playTone''' из нашего предыдущего примера в исходный код игры. Мы будем использовать ее похожим
способом, вызывая ее, когда необходимо издать звук. Чтобы идти
в ногу с новой функцией, нам также необходимо добавить похожую строку '''pinMode''' в функцию '''setup()''' и убедиться, что описания
'''note_len''' и '''speakerOut''' скопированы в начало файла. Нам также надо
задать через '''#define''' различные задержки при проигрывании функции '''playTone'''. Их использование позволит нам избежать голых чисел
в качестве значений, какие мы использовали в функции '''loop()''', и так
как у нас всего три кнопки, нам нужно три тона:

#define play_c 3830
#define play_d 3400
#define play_e 3038

Мы взяли величину задержки с сайта Arduino, где подобраны готовые значения для каждой ноты. Теперь можно использовать константы '''play_c''', '''play_d''' и '''play_e''' [в музыке, '''С, D''' и '''E''' – обозначения нот до, ре, ми, – прим. ред.] как аргументы функции '''playTone''' для задания требуемого тона. Следующее, что надо добавить – издание звука
при вспышке соответствующего светодиода; мы можем сделать это
с помощью '''playSequence''' – функции, которая зажигает светодиоды.
Перескочив в середину этой функции, вы можете вспомнить, что на
прошлом уроке мы использовали условие case: требуемый светодиод зажигался в зависимости от заданного значения в текущей позиции массива. Можно просто добавить команду '''playTone''' в каждое
условие для проигрывания звука, когда загорается светодиод:

switch (rand_array[i]) {
case 0:
digitalWrite(ledPin1, HIGH);
playTone(play_c);
break;
case 1:
digitalWrite(ledPin2, HIGH);
playTone(play_d);
break;
case 2:
digitalWrite(ledPin3, HIGH);
playTone(play_e);
break;
}

Как видите, мы задали три различных ноты для трех различных
светодиодов, и они должны проигрываться так же, как и световая
последовательность, которую должен скопировать игрок.

Теперь, обеспечив проигрывание, необходимо добавить похожую функцию в секцию ввода в коде, чтобы при нажатии игроком
кнопки динамик выдавал соответствующий звук. В прошлом месяце
мы создали функцию, названную '''readButtons''', отвечающую за ввод.
Вместо распределения всех нажатий кнопки по условиям case, мы
использовали вложенные '''if''', и сюда тоже надо добавить корректные
значения '''playTone'''.

if (val1==LOW){
playTone(c);
return 0;
} else if (val2==LOW) {
playTone(d);
return 1;
} else if (val3==LOW) {
playTone(e);
return 2;
}

Наша программа научилась проигрывать ноты при нажатии
кнопок. Только не перепутайте тоны: они должны совпадать в
секциях программы для ввода и проигрывания, иначе игрок будет
слышать различные ноты, когда он запоминает их и когда нажимает кнопки.

Вот и вся базовая звуковая функциональность. Осталось только
одно дополнение, которое вы, возможно, захотите добавить – звуки реакции системы: при правильно введенной последовательности
и при ошибке. Как вы можете помнить, у нас уже есть две функции,
отвечающие за эти действия – '''flashSuccess''' и '''flashFailure''', они обе
были исключены из исходного кода по причине нехватки места. Вы
можете захотеть добавить соответствующий унизительный звук провала, чтобы игрок осознавал свою ошибку – например, длинный низкий тон типа такого:

playTone(8000);
playTone(8000);

Но, может быть, вам захочется создать нечто более раздражающее. Звук, генерируемый динамиком, не обязан быть мелодичным,
и можно устроить настоящую какофонию, быстро подавая ноты на
динамик. Наша функция '''playTone''' имеет фиксированную задержку, и нам надо исправить это, если мы хотим менять звуки быстро.
Решение – ввести еще один аргумент для длительности ноты. Для
этого изменим функцию playTone следующим образом:

void playTone(int note, long note_len )

Необходимо также сменить значение '''#define note_len 200000''' в начале исходного кода на '''#define duration 200000''', чтобы не путать
имена переменных. Проделав этих два изменения, надо обеспечить,
чтобы каждый раз при вызове '''playTone''' подставлялась длительность.
Например:

playTone(play_c, duration);

Теперь у вас есть больший контроль над продолжительностью
звука, генерируемого динамиком, и вы можете быстро передавать
одну ноту за другой. Вот как мы заменили функцию '''flashFailure''' на
устрашающий звук ошибки, вместо набора огоньков:

void flashFailure(){
for (int i=0; i<=10; i++){
playTone (play_c, 10000);
playTone (play_d, 10000);
playTone (play_e, 10000);
}
}

Это просто цикл, который очень быстро проигрывает три ноты,
имитируя битву лазерных пушек и ясно информируя игрока, что
он сделал ошибку при попытке воспроизвести последовательность.
Мы обнаружили, что при наличии звука можно обойтись без функции реакции на успех: функция ошибки достаточно информативна.
Удалите '''flashSuccess()''' из '''void loop()''', и увидите, что мы имели в виду.

Игра стала более интуитивной, и вы можете воссоздать последовательность нажатия кнопок гораздо быстрее, не дожидаясь всякий раз
подтверждения. Со звуком весь проект доставляет больше удовлетворения, и хотя «бипы» немного упростили игру, зато вы можете повторять гораздо более длинные последовательности, особенно если у вас хорошая музыкальная память.

===Через месяц===

На следующем уроке мы сделаем другое важное дополнение к игровому механизму. Пока мы просто запускали световые последовательности, без каких-либо шансов узнать, выигрывает ли игрок, или уведомлений о том, как далеко он зашел на случай, если кто-то другой
хочет добиться похожих результатов. Для решения данной проблемы
мы добавим сохранение очков игрока и будем отображать их, когда
игрок решит, что с него хватит. С этой целью мы запрограммируем
семисегментный дисплей, напоминающий решения 1970-х, и используем его для вывода очков, а также для текущего статуса запущенной
игры. До встречи, и удачи вам в аппаратном хакинге. '''LXF'''

===Мультиметры===

Немного освоившись в играх с Arduino, вы можете наткнуться на одно полезное устройство – мультиметр [или тестер]. Это эквивалент инструментов отладки программиста для инженера-электронщика, и он неоценим, когда у вас что-то не заработает и надо выяснить, почему.

Он также является прекрасным инструментом для обучения, помогая вам увидеть, что и как происходит в вашей схеме. Другое хорошее качество мультиметра – его дешевизна, особенно для любителей, ведь базовые модели стоят несколько сотен рублей. Большинство
имеют похожие режимы и функциональность, с круговым переключателем режимов и цифровым дисплеем ['''в России еще встречаются стрелочные индикаторы, – прим. пер.'''], отображающим выходные параметры. Мультиметром можно измерять напряжения, или сопротивления резисторов, но самая полезная функция для маленьких проектов Arduino – «проводимость». Это когда вы проверяете, соединены ли два компонента или участка цепи, подавая на них небольшое
напряжение с мультиметра. Для этой цели Arduino должен быть отключен от источника питания – как и любая тестируемая схема – и
тест проводимости генерирует звук, когда достаточное напряжение передается от одного сенсора к другому. На переключателе эта
функция обычно изображается в виде ноты или динамика. Тест на проводимость – лучший способ проверить целостность ваших проводов, до перехода к тестированию отдельных компонентов.

===Принципиальная схема===

В прошлом месяце была упущена одна вещь, которая облегчает понимание устройства цепи. Для проектов, состоящих более чем
из двух светодиодов, трудно описать словами, как все соединено. Мы собирались включить вам в помощь электросхему, но не
хватило места. К счастью, нас выручил один из читателей: Стюарт Уоткисс [Stewart Whatkiss] прислал собственную схему
проекта, и мы печатаем ее здесь, добавив динамик, чтобы отразить изменения урока этого месяца.

Даже если вы не видели таких схем со школьных времен, понять ее не трудно, и она очень упрощает работу по конструированию электрической цепи. Вы можете видеть различные выходные контакты платы Arduino, и как они подключены к резисторам (показанным с их сопротивлением в 1 КОм). Другие
символы обозначают переключатели и светодиоды. Переключатели показаны как кратковременный разрыв цепи, а
светодиоды – как перевернутые треугольники со стрелками, изображающими излучаемый свет, идущий от элемента. Еще одно
устройство – динамик; ну, его-то легко узнать.

[[Изображение:LXF104_51_1.jpg]]
[[Изображение:LXF104_51_2.jpg]]

LXF104:Arduino - История изменений

Акроним: Акроним переименовал страницу LХF100 в LXF104:Arduino поверх перенаправления

Акроним: Акроним переименовал страницу LXF104:Arduino в LХF100: ...

Crazy Rebel: викификация