Джереми Блум - Изучаем Arduino: инструметы и методы технического волшебства

Чем дальше вы продвигаетесь в создании новых устройств на основе Arduino, тем чаще возникает мысль: "Что будет, если закончатся контакты платы Arduino?" Например, в одном из популярных проектов плата Arduino управляет множеством мигающих светодиодов. Осветите свою комнату! Иллюминируйте свой компьютер!

Украсьте светодиодами свою собаку! Последнее, пожалуй, перебор.

Но проблема остается. Как быть, если вы захотите переключать 50 светодиодов (или управлять другими цифровыми выходами), а все контакты ввода-вывода уже

- 154 -

задействованы? Вот тут и пригодятся сдвиговые регистры, позволяющие расширить возможности платы Arduino и отказаться от покупки более дорогого микроконтроллера с дополнительными контактами ввода-вывода. В этой главе вы узнаете, как работать со сдвиговыми регистрами, рассмотрите программное обеспечение и оборудование, необходимые для того, чтобы расширить возможности цифровых выходов платы Arduino. Подробно описанные примеры познакомят вас со сдвиговыми регистрами и помогут разобраться в проектировании устройств с большим количеством цифровых выходов.

В этой главе, как и в большинстве предыдущих, в качестве платформы используем Arduino Uno. Для экспериментов подойдет и любая другая плата Arduino, но выбор всегда должен быть обоснованным и оптимально соответствовать конкретному проекту. Вы спросите, почему бы не взять Arduino с большим количеством контактов, например Mega 2560 или Due? Конечно, это совершенно разумный способ для реализации устройств, где требуется множество контактов. Тем не менее вы, как инженеры, всегда должны помнить при проектировании обо всех нюансах. Когда вычислительной мощности Arduino Uno вполне хватает, но недостаточно цифровых выходов, можно просто добавить несколько сдвиговых регистров. Это будет дешевле и компактнее, чем выбор более мощной платы. Однако программный код окажется сложнее, и возможно потребуется больше времени для его отладки.

Сдвиговый регистр - это устройство, которое принимает поток последовательных битов и одновременно выводит их значения на параллельных контактах ввода-вывода. Регистры сдвига часто применяются для управления большим количеством светодиодов, например, семисегментными индикаторами или светодиодными матрицами. Прежде чем обсуждать взаимодействие сдвиговых регистров с Arduino, посмотрим на рис. 7.1, где изображены входы и выходы регистра сдвига. Далее будет показано, как состояние входов влияет на выходы.

Рис. 7.1. Входы и выходы регистра сдвига

Восемь кругов схематично изображают светодиоды, соединенные с восемью выходами сдвигового регистра. Три входа - это линии для подключения сдвигового регистра к плате Arduino.

- 155 -

Существуют два способа передачи нескольких битов данных. Напомним, что Arduino, как и все микроконтроллеры, представляет собой цифровое устройство, т. е. "понимает" только "0" и "1". Если вы хотите управлять восьмью светодиодами, необходимо передать 8 бит информации. Ранее мы это делали в параллельном режиме с помощью функций digitalWrite() и analogWrite(). В качестве примера параллельной передачи данных, предположим, что нам необходимо включить 8 светодиодов, подключенных к 8 цифровым выходам. При этом все биты будут переданы на цифровые контакты примерно в одно время. В главе 6 была описана последовательная передача данных, при которой за фиксированный интервал времени передается 1 бит данных. Сдвиговые регистры позволяют легко конвертировать последовательные и параллельные методы передачи данных. Эта глава посвящена регистрам последовательно-параллельного сдвига (SIPO), которые называют просто регистрами сдвига. С их помощью можно принимать данные последовательно, а выводить параллельно на выходы регистра. Кроме того, можно каскадировать сдвиговые регистры и управлять множеством цифровых выходов, используя всего три контакта Arduino.

7.3. Сдвиговый регистр 7 4НС595

В качестве сдвигового регистра мы будем применять микросхему 74НС595, цоколевка которой изображена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Цоколевка микросхемы 74НС595

Назначение контактов сдвигового регистра:

• QA - QH - восемь параллельных выходов сдвигового регистра;

• GND - соединяется с земляной шиной платы Arduino;

- 156 -

• SER - это вход данных (DA ТА на рис. 7.1 ). По этому входу передаются 8 последовательных битов данных для установки значений на параллельных выходах;

• SRCLK- это тактовый вход (CLOCK на рис. 7.1). При подаче импульса высокого напряжения HIGH на этот вход происходит считывание одного бита данных с входа DA ТА в сдвиговый регистр. Для получения всех 8 битов данных необходимо подать 8 импульсов на этот контакт;

• RCLK - это вход (LA ТСН на рис. 7.1) называется также защелкой и служит для одновременного вывода последовательных данных на параллельные выходы.

Выводы SRCLR и ОЕ не используются в примерах из книги, но они могут пригодиться вам в других проектах, поэтому посмотрим, каково их назначение. ОЕ разрешение вывода данных на параллельные выходы. Черта сверху означает, что активный уровень для этого входа - низкий. Когда на этом входе низкий уровень, параллельные выходы будут включены, когда высокий - выключены. В наших примерах контакт ОЕ подключен к земле, поэтому параллельные выходы постояо находятся во включенном состоянии. Вы можете соединить его с контактом ввода-вывода Arduino, чтобы одновременно включать или выключать все светодиоды. SRCLR - это вход сброса. Подача на него напряжения низкого уровня очищает содержимое регистра сдвига. В наших примерах он подключен к шине 5 В, чтобы предотвратить очистку сдвигового регистра.

Регистр сдвига является синхронным устройством, он принимает данные по нарастающему фронту тактового сигнала. Каждый раз, когда сигнал на входе CLOCK меняется с низкого на высокий, все значения, хранящиеся в восьми выходных ячейках, смещаются на одну позицию. Данные из последней ячейки либо сбрасываются, либо передаются на выход QH' (при каскадном подключении микросхемы 74НС595). Одновременно последовательные данные на входе DATA сдвигаются на одну позицию. За восемь тактов предыдущие значения в ячейках регистра уходят, а новые загружаются. Подача высокого уровня на вход LATCH выводит значения, хранящиеся в ячейках, на выходы регистра. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 7.3.