Монк - Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами.

Последний регистр называется PIND (Port Input D — вход порта D). Читая содержимое этого регистра, можно определить, на какие контакты подано напряжение HIGH, а на какие — LOW.

Каждый из трех портов имеет свои три регистра, для порта B они называются DDRB, PORTB и PINB, а для порта C — DDRC, PORTC и PINC.

Очень быстрый вывод цифровых сигналов

Следующий скетч обращается к портам напрямую, без применения pinMode и digitalWrite:

// sketch_04_09_square_ports

byte state = 0;

void setup()

{

DDRB = B00000100;

while (true)

{

PORTB = B00000100;

PORTB = B00000000;

}

}

void loop()

{

}

Скетч должен переключать контакт D10, который связан с портом B, поэтому вначале контакт настраивается на работу в режиме выхода, для чего третий бит справа в регистре DDRB устанавливается в 1. Обратите внимание на то, что B00000100 — это двоичная константа. В главном цикле мы сначала устанавливаем тот же бит в 1, а затем сбрасываем его в 0. Установка бита производится как простое присваивание значения регистру PORTB, как если бы это была обычная переменная.

Этот скетч способен генерировать сигнал с частотой 3,97 МГц (рис. 4.5) — почти 4 млн импульсов в секунду, что почти в 46 раз быстрее, чем с использованием digitalWrite.

Рис. 4.5.Сигнал с частотой 4 МГц, сгенерированный платой Arduino

Сигнал далек от прямоугольной формы из-за переходных процессов, которые вполне ожидаемы на такой частоте.

Еще одно преимущество непосредственного использования регистров порта — возможность вывода сигналов сразу на восемь контактов, что может пригодиться для вывода данных в параллельную шину данных.

Быстрый ввод цифровых сигналов

Тот же прием непосредственного доступа к регистрам можно использовать для увеличения скорости ввода цифровых сигналов. Хотя, если вы предполагаете таким способом определять моменты появления очень коротких импульсов, подумайте о возможности использования прерываний, они являются лучшим решением этой задачи (см. главу 3).

Прямой доступ к порту может пригодиться, например, когда требуется прочитать состояние сразу нескольких контактов. Следующий скетч читает все контакты, связанные с портом B (с D8 по D13), и выводит результат в монитор последовательного порта в виде двоичного числа (рис. 4.6).

Рис. 4.6.Чтение состояния сразу восьми контактов

// sketch_04_010_direct_read

byte state = 0;

void setup()

{

DDRB = B00000000; // все контакты на ввод

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

Serial.println(PINB, 2);

delay(1000);

}

Сбросом всех битов в регистре DDRB в 0 соответствующие контакты на плате настраиваются на работу в режиме входов. В цикле вызывается функция Serial.println, которая посылает число в монитор последовательного порта. Чтобы число посылалось в двоичной форме, а не в десятичной, как обычно, передается дополнительный аргумент 2.

Увеличение скорости ввода аналоговых сигналов

Давайте изменим скетч, который выполняет хронометраж, чтобы узнать, как долго работает analogRead, а потом попробуем ее ускорить:

// sketch 04_11_analog

void setup()

{

Serial.begin(9600);

while (! Serial) {};

Serial.println("Starting Test");

long startTime = millis();

// Далее следует код тестирования

long i = 0;

for (i = 0; i < 1000000; i ++)

{

analogRead(A0);

}

// конец кода, выполняющего тестирование

long endTime = millis();

Serial.println("Finished Test");

Serial.print("Seconds taken: ");

Serial.println((endTime — startTime) / 1000l);

}

void loop()

{

}

На плате Arduino Uno этот скетч выполняется 112 с. То есть Uno выполняет в секунду около 9000 операций чтения аналоговых сигналов.

Функция analogRead использует АЦП, имеющийся в микроконтроллере на плате Arduino. В Arduino используется тип АЦП, который называют АЦП с последовательной аппроксимацией . Он действует методом постепенного приближения, сравнивая аналоговый сигнал с опорным напряжением. АЦП управляется таймером, поэтому есть возможность ускорить преобразование, увеличив частоту.

Следующий скетч увеличивает частоту АЦП со 128 кГц до 1 МГц, что должно увеличить скорость чтения в восемь раз:

// sketch 04_11_analog_fast

const byte PS_128 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0);

const byte PS_16 = (1 << ADPS2);

void setup()

{

ADCSRA &= ~PS_128; // сбросить масштаб 128

ADCSRA |= PS_16; // добавить масштаб 16 (1 МГц)

Serial.begin(9600);

while (! Serial) {};

Serial.println(PS_128, 2);

Serial.println(PS_16, 2);

Serial.println("Starting Test");

long startTime = millis();

// Далее следует код тестирования

long i = 0;

for (i = 0; i < 1000000; i ++)

{

analogRead(A0);

}

// конец кода, выполняющего тестирование

long endTime = millis();

Serial.println("Finished Test");

Serial.print("Seconds taken: ");

Serial.println((endTime — startTime) / 1000l);

}

void loop()

{

}

Теперь скетч выполняется всего 17 с, то есть, грубо, в 6,5 раза быстрее, а скорость измерений увеличилась до 58 000 в секунду. Этого вполне достаточно для оцифровки аудиосигнала, хотя при наличии всего 2 Кбайт ОЗУ вы не сможете записать большой фрагмент!

Если первоначальный вариант скетча sketch_04_11_analog запустить в Arduino Due, он справится с работой за 39 с. Однако в модели Due не получится использовать трюк с регистрами портов, так как она имеет совсем другую архитектуру.

В заключение

В этой главе мы попытались выжать все до последней капли из наших скудных 16 МГц. В следующей главе переключим внимание на снижение потребления электроэнергии платой Arduino, что очень важно для проектов, где плату предполагается питать от аккумуляторов или солнечных батарей.

Справедливости ради следует отметить, что и без применения специальных мер платы Arduino потребляют не особенно много электроэнергии. Обычно Arduino Uno потребляет ток около 40 мА, что при питании через разъем USB с напряжением 5 В составляет всего 200 мВт. Это означает, что она может благополучно работать около четырех часов, питаясь от аккумулятора 9 В (емкостью 150 мА·ч).

Потребление электроэнергии становится важным аспектом, когда плата Arduino должна работать длительное время, питаясь от аккумулятора, как в системах удаленного мониторинга или управления, когда аккумуляторы или солнечные батареи остаются единственно возможным источником питания. Например, недавно на основе платы Arduino я реализовал автоматическое управление дверью в птичник, использовав небольшую солнечную панель для зарядки аккумулятора, емкости которого достаточно только для того, чтобы открыть и закрыть дверь два раза в день.

Потребление электроэнергии платами Arduino

Прежде всего определим параметры потребления электроэнергии наиболее популярными платами Arduino. В табл. 5.1 представлены результаты непосредственных измерений амперметром силы тока, потребляемого платами. Имейте в виду, что измерение силы потребляемого тока не самая простая задача, так как он меняется, когда при выполнении периодических задач в работу включаются таймеры и другие компоненты микроконтроллера и платы Arduino.