Журнал LinuxFormat - перейти на главную

LXF104:Arduino

Материал из Linuxformat
(Различия между версиями)
Перейти к: навигация, поиск
(викификация)
 
м (Акроним переименовал страницу LXF104:Arduino в LХF100: ...)

Версия 15:14, 18 апреля 2015

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)
Свободная электроника

Содержание

Аппаратный хакинг по новой

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.


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.

LXF104 51 1.jpg LXF104 51 2.jpg

Источник — «http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF104:Arduino&oldid=15595»
Персональные инструменты
купить
подписаться
Яндекс.Метрика