Монк - Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами.

// sketch_-4_03_sin

void setup()

{

}

float angle = 0.0;

float angleStep = PI / 32.0;

void loop()

{

int x = (int)(sin(angle) * 127) + 127;

analogWrite(DAC0, x);

angle += angleStep;

if (angle > 2 * PI)

{

angle = 0.0;

}

}

Измерение на выходе показывает, что данный скетч действительно производит сигнал замечательной синусоидальной формы, но с частотой всего 310 Гц. Процессор на плате Arduino Due работает с тактовой частотой 80 МГц, поэтому можно было бы ожидать увидеть сигнал с большей частотой. Проблема в том, что здесь скетч снова и снова повторяет одни и те же вычисления. Но поскольку каждый раз получаются одни и те же результаты, почему бы просто не рассчитать их все сразу и не сохранить в массиве?

Следующий пример также генерирует синусоиду, разбивая цикл на 64 шага, но использует прием поиска по таблице заранее подготовленных значений, которые выводит непосредственно в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

byte sin64[] = {127, 139, 151, 163, 175, 186, 197,

207, 216, 225, 232, 239, 244, 248, 251, 253, 254,

253, 251, 248, 244, 239, 232, 225, 216, 207, 197, 186,

175, 163, 151, 139, 126, 114, 102, 90, 78, 67, 56, 46,

37, 28, 21, 14, 9, 5, 2, 0, 0, 0, 2, 5, 9, 14, 21, 28,

37, 46, 56, 67, 78, 90, 102, 114, 126};

void setup()

{

}

void loop()

{

for (byte i = 0; i < 64; i++)

{

analogWrite(DAC0, sin64[i]);

}

}

Этот пример генерирует точно такой же сигнал в форме синусоиды, но уже с частотой 4,38 кГц, то есть работает более чем в 14 раз быстрее.

Таблицу синусов можно рассчитать разными способами. Можно сгенерировать числа по обычной формуле в электронной таблице или написать скетч, который будет выводить числа в монитор последовательного порта, откуда их можно скопировать и вставить в другой скетч. Далее приводится версия скетча sketch_04_03_sin, которая выводит значения один раз в монитор последовательного порта:

// sketch_-4_05_sin_print

float angle = 0.0;

float angleStep = PI / 32.0;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

Serial.print("byte sin64[] = {");

while (angle < 2 * PI)

{

int x = (int)(sin(angle) * 127) + 127;

Serial.print(x);

angle += angleStep;

if (angle < 2 * PI)

{

Serial.print(", ");

}

}

Serial.println("};");

}

void loop()

{

}

Открыв окно монитора порта, вы увидите сгенерированную последовательность чисел (рис. 4.1).

Рис. 4.1.Использование скетча для получения массива чисел

Быстрый ввод/вывод

В этом разделе мы посмотрим, как увеличить скорость включения и выключения цифровых выходов. Мы увеличим максимальную частоту с 73 кГц почти до 4 МГц.

Простая оптимизация кода

Начнем с простого кода, включающего и выключающего цифровой выход с помощью digitalWrite:

// sketch_04_05_square

int outPin = 10;

int state = 0;

void setup()

{

pinMode(outPin, OUTPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite(outPin, state);

state = ! state;

}

Если запустить этот скетч и подключить осциллограф или частотомер к цифровому контакту 10, вы получите частоту чуть выше 73 кГц (мой осциллограф показал 73,26 кГц).

Прежде чем сделать большой шаг в направлении непосредственного управления портом, можно попробовать немного оптимизировать программный код скетча. Прежде всего, ни одна из переменных не обязана иметь тип int, их вполне можно объявить с типом byte. Это изменение увеличит частоту до 77,17 кГц. Далее переменную с номером контакта можно сделать константой, добавив слово const перед объявлением переменной. Это изменение увеличит частоту до 77,92 кГц.

В главе 2 вы узнали, что функция loop — это не просто цикл while, так как дополнительно проверяет наличие входящих данных в последовательном порте. То есть следующим шагом в направлении увеличения производительности может стать отказ от функции loop и перенос кода в setup. Скетч, в котором выполнены все описанные изменения, приводится ниже:

// sketch_04_08_no_loop

const byte outPin = 10;

byte state = 0;

void setup()

{

pinMode(outPin, OUTPUT);

while (true)

{

digitalWrite(outPin, state);

state = ! state;

}

}

void loop()

{

}

В результате всего этого мы получили увеличение максимальной частоты до 86,39 кГц.

В табл. 4.2 перечислены все улучшения, которые можно выполнить для увеличения производительности простого программного кода, прежде чем сделать последний шаг и заменить digitalWrite чем-нибудь более быстрым.

Таблица 4.2.Увеличение производительности простого программного кода

Байты и биты

Прежде чем переходить к непосредственному управлению портами ввода/вывода, нужно сначала разобраться с двоичным представлением, битами, байтами и целыми числами.

На рис. 4.2 показано, как связаны биты и байты.

Рис. 4.2.Биты и байты

Бит (в английском языке bit , происходит от binary digit — двоичная цифра) может иметь одно из двух значений — 0 или 1. Байт — это коллекция из 8 битов. Так как каждый из битов в байте может иметь значение 1 или 0, всего возможно 256 разных комбинаций битов в байте. Байт можно использовать для представления любых чисел в диапазоне от 0 до 255.

Каждый бит можно использовать также для обозначения состояния «включено» или «выключено». То есть, чтобы включить или выключить подачу напряжения на какой-то контакт, нужно установить или сбросить некоторый бит.

Порты в ATmega328

На рис. 4.3 изображены порты в микроконтроллере ATmega328 и то, как они связаны с контактами на плате Arduino Uno.

Рис. 4.3.Порты в ATmega328

Каждый порт не случайно имеет по 8 бит (байт), хотя в портах B и C используется только по 6 бит. Каждый порт управляется тремя регистрами . Регистр можно считать специальной переменной, позволяющей присваивать ей значения и читать значение из нее. На рис. 4.4 изображены регистры для порта D.

Рис. 4.4.Регистры для порта D

Регистр DDRD (Data Direction Register D — регистр D направления передачи данных) имеет 8 бит, каждый из которых определяет режим работы соответствующего контакта — вход или выход. Если бит установлен в значение 1, контакт работает как выход, в противном случае — как вход. Этим регистром управляет функция pinMode. Регистр PORTD используется для установки выходного напряжения на выходе, то есть digitalWrite устанавливает соответствующий бит, 1 или 0, чтобы установить на указанном контакте уровень напряжения HIGH или LOW.