Obsługa klawiszy - zwłoka czasowa CD...3

Witam,

To już ostatnia część w której postaram się zamknąć sprawy związane z właściwym podejściem do obsługi klawiszy a szczególnie drgań styków. Uwaga! to nie oznacza, że prezentowane tu rozwiązania są jedyne i najlepsze na świecie ;) .... przede wszystkim chciałem w uzupełnieniu do książki "Mikrokontrolery AVR Język C Podstawy programowania" a szczególnie do opisanej tam funkcji SuperDebounce(), zaprezentować tym cyklem artykułów jak mniejszymi krokami można dojść do napisania czy też pisania takich funkcji we własnym zakresie. Wiąże się to oczywiście z podejściem w programie jak do mini systemu czasu rzeczywistego, w którym takie pojęcia jak: pseudo-wielowątkowość, zdarzenia czy timery programowe to już chleb powszedni. A pisanie funkcji nieblokujących, jest jak jedzenie dobrej bułki z masłem. Przede wszystkim, mam nadzieję, że czytając te 3 artykuły każdy zobaczy, że tych określeń nie ma co się bać i że można w przyjazny sposób je zagospodarować w każdym swoim, nawet najprostszym programie. Napiszemy sobie zatem dzisiaj tylko jedną funkcję do obsługi pojedynczego klawisza. Będzie to taki protoplasta funkcji SuperDebounce z książki, tyle że tym razem przedstawiony jest jego rozwój od samego zarodka, poprzez jajko aż do końcowej postaci ;) Nasz cel:

• nieblokujący charakter funkcji
• wykorzystanie struktury w celu minimalizacji przekazywania argumentów
• prostota zastosowania
• wykorzystanie timerów programowych
• realizacja przykładu w prostym systemie wielozadaniowym

przejdźmy zatem do rzeczy...




Na początek przedstawię cały kod źródłowy, bazujący zresztą DOKŁADNIE na tym co omawialiśmy wcześniej, a w dalszej części postaram się omówić wszystkie jego elementy w miarę dokładnie tak aby każdy mógł zrozumieć. Ale w razie czego, proszę śmiało dopytywać:
-------------------------------
-------------------------------
Podzieliłem kod na kawałki i oznaczyłem poszczególne fragmenty liczbami oraz literami. Zabieramy się za analizę:

Na początku po dołączeniu wymaganych plików nagłówkowych definiujemy sobie za pomocą makr (1) piny na których będziemy mieć podłączone 3 diody LED oraz jeden KLAWISZ. Aby zobrazować działanie każdego procesu/akcji wykorzystamy pojedynczo diody LED. A zatem funkcje diod:

1. LED1 - będziemy zmieniać jej stan w wyniku zadziałania pierwszej akcji, wywoływanej w monecie krótkiego kliknięcia klawiszem
2. LED2 - będziemy zmieniać jej stan w wyniku zadziałania drugiej akcji, czyli wtedy gdy przytrzymamy wciśnięty klawisz przez dłuższy czas (określony osobnym parametrem)
3. LED3 - realizacja (tak przy okazji) innego niezależnego procesu w pętli głównej poza obsługą samego klawisza i wykonywaniem naszych akcji

Poniżej pkt (2), widzimy definicję stuktury TBUTTON, która będzie przechowywać nam istotne informacje na temat działania klawisza, jego parametrów takich jak port, pin, czas oczekiwania, wywoływane akcje (funkcje) i kilka własnych parametrów na potrzeby funkcji). W porównaniu do poprzednio omawianych metod klawisza, które we wcześniejszych przykładach były przekazywane jako argumenty, było praktycznie to samo poza dwoma nowymi:

wait_time_s - w tym parametrze będziemy podawać czas (wygodnie w sekundach) po jakim ma nastąpić uruchomienie drugiej akcji klawisza gdy jest wciąż wciśnięty

flag - to dodatkowa flaga na wewnętrzne potrzeby działania maszyny stanów wewnątrz samej funkcji

W dalszej części kodu programu:

Powołujemy do życia mechanizm timerów programowych (3) a co za tym idzie zmienne volatile o nazwach Timer1 oraz Timer2. Dalej w punkcie (4) definiujemy sobie dwie własne (dowolne) funkcje użytkownika, które będziemy mogli później przekazać do obsługi klawisza. Przy czym jak się umawialiśmy pierwsza funkcja change_led1() będzie nam zmieniać stan diody LED1 po krótkim kliknięciu, a funkcja change_led2() będzie zmieniać stan diody LED2 po długotrwałym wciśnięciu klawisza. Kolejny punkt programu to deklaracja naszej funkcji do obsługi klawisza (5), do której jako argument będziemy przekazywać tym razem TYLKO i wyłącznie wskaźnik do struktury opisującej parametry powołanego do życia klawisza. Można by nawet rzec śmiało takiego pseudo obiektu ;). No i w końcu (6), powołujemy w naszym prostym  programie przykładowym pierwszy obiekt klawisza. Możemy teraz rzucić okiem na główną funkcję main(). Proszę tylko pamiętać, że w całości przedstawiony kod źródłowy tylko ze względów dydaktycznych nie został podzielony na kilka plików w tym nagłówkowych, po to aby prościej było mi go tutaj omówić.

W takim razie nasz pkt. (7), to podobnie jak we wcześniejszych kodach inicjalizacja pinów diod LED i klawisza, natomiast nowość w tym kodzie pkt (8), to uruchomienie i skonfigurowanie przerwania Timera2, który będzie nam służył na potrzeby działania wielu innych timerów programowych. Będzie on pełnił rolę podstawy czasu, z rozdzielczością czasową 10ms. Naturalnie ty możesz wybrać dowolny inny timer do tego celu. Ja jak zwykle z lubością wykorzystuję tutaj tryb CTC ponieważ łatwiej jest mi i szybciej, uruchomić przerwanie, a na dodatek nie trzeba w nim przeładowywać rejestru licznika TCNTx (tak jak byłoby to konieczne, gdybyśmy użyli zwykłego trybu licznika a nie CTC). Dobieramy zatem tak preskaler i wartość rejestru porównania OCR2 aby uruchomić przerwanie Compare Match od Timera2, co 10 ms. Wreszcie nadchodzi pkt (9), to tutaj jeszcze przed pętlą główną inicjalizujemy nasze powołane do życia klawisze (może ich być przecież kilka).... a my dla uproszczenia przykładu mamy tylko jeden. Należy zatem określić do jakiego portu podłączony jest klawisz: PINC, PIND, PINA czy może PINB. W dalszej kolejności określić maskę konkretnego pinu do którego podłączony jest fizycznie klawisz a także określić w sekundach czas zwłoki na podjęcie drugiej akcji po wciśnięciu i dłuższym przytrzymaniu klawisza. Na koniec przekazujemy dokładnie do struktury dwie akcje, na których nam zależy. UWAGA! naturalnie to nie jest wymogiem, nie musimy wprowadzać koniecznie dwóch akcji. Można tylko jedną, wtedy do drugiego parametru przypisać musimy NULL. Co ciekawe w trakcie działania programu dzięki takiemu podejściu można w bardzo prosty sposób zmieniać sposób działania tego samego klawisza w zależności od miejsca w kodzie projektu i potrzeb. Rozpoczyna się pętla główna programu i cykliczne wywoływanie naszej funkcjie (10), dzięki czemu uruchamiane są nasze akcje w ściśle określonych momentach. Ostatni punkt (11), to jak wspominałem na początku niejako oddzielny proces powołany do życia w naszym programie. Chciałem bowiem na tak prostym przykładzie pokazać, że przepięknie działa nieblokująca funkcja obsługi klawiszy i jednocześnie mamy widoczne dla oka efekty działania tego dodatkowego procesu. Jest on symbolizowany przez mrugającą sobie radośnie trzecią diodę LED niezależnie od pozostałych rzeczy, które dzieją się w pętli głównej programu.

Nadszedł w końcu ostatni fragment kodu do omówienia i chyba najważniejszy. Ale zacznę od końca czyli pkt (13). To jest właśnie procedura obsługi przerwania Timera2, a w niej już bardzo prosty kod który za każdym przerwaniem sprawdza czy przypadkiem, któryś z timerów programowych nie jest większy od zera. Jeśli tak to co 10ms jest zmniejszany o jeden aż dojdzie do zera. Mechanizm prosty, jednak wielu ludzi zadaje mi pytanie dlaczego tak pokrętnie jest zrobione to sprawdzanie i wprowadzona dodatkowa zmienna o nazwie 'n', zamiast po prostu w warunku sprawdzać i dekrementować samą zmienną timera np tak:

if ( Timer1 ) Timer1--;

Powód jest taki, że wbrew pozorom, ten krótszy kod w języku C spowoduje wygenerowanie dłuższego i mniej efektywnego (a co za tym idzie wolniejszego) kodu w asemblerze. Możesz sam to sprawdzić zmieniając zapis na ten uproszczony i sprawdzając z jednej strony jak zwiększyła się zajętość pamięci programu Flash albo jeszcze podejrzeć procedurę obsługi przerwania w pliku *.lss (czyli w asemblerze). Wtedy wyraźniej zobaczysz dlaczego ten niby prostszy kod będzie się wykonywał nieco dłużej.
Możemy w końcu przejść do omówienia kodu naszej funkcji obsługi klawisza pkt (12). Tym razem jej poszczególne elementy oznaczyłem literkami od A do E. Na początku (A),  powołujemy w ramach funkcji zmienną lokalną i przypisujemy jej od razu wartość stanu logicznego odczytaną z wybranego pinu klawisza. Zwróć uwagę jak fajnie tym razem odwołujemy się do wskaźnika do przekazanej do funkcji struktury. Ponieważ jest to wskaźnik to tym razem zamiast kropki, w celu odwoływania się do pól struktury stosujemy znak strzałki. (B), tutaj rozpoczyna się pierwsza i znana ci już bardzo dobrze z poprzednich artykułów część warunku IF(), który w tym momencie sprawdza czy: zmienna klock jest równa zero (a powinno tak być, gdy klawisz jest zwolniony i ustały ew drgania styków), oraz czy wciśnięty jest sam klawisz. Tyle że tu badamy już stan zmiennej key_press. Następnie sprawdzamy kolejnym warunkiem IF() czy przypadkiem przekazana akcja (wskaźnik do funkcji użytkownika) nie jest pusty (NULL) a jeśli nie to jest wywoływana w tym momencie akcja krótkiego kliknięcia. Gdyby wskaźnik był równy NULL to oczywiście nic by się w tym miejscu nie stało. Następnie podobnie jak w poprzednich artykułach inicjalizowana jest zmienna klock ale także ustawiana na 1 zmienna pomocnica flag. Poza tym w tym miejscu inicjalizowany jest pierwszy timer programowy Timer1 wartością związaną z ustawioną zwłoką w sekundach, tyle że następuje tu przeliczenie sekund na jednostki 10-milisekundowe gdyż taką mamy rozdzielczość naszej podstawy czasu (sprzętowy Timer2). Zakładając, że trzymamy nadal wciśnięty klawisz, to i tak funkcja zakończy swoje działanie z uwagi na to że w dalszej części warunku IF() są jeszcze dwa słówka else. Nie mniej jednak po kolejnym wywołaniu tej funkcji w kolejnym obiegu pętli głównej, mamy już taką sytuację, że klawisz nadal jest wciśnięty a zatem zmienna key_press znowu będzie równa zero, zatem pierwsza część warunku się nie wykona, nie wykona się także część warunku oznaczona literką (D), natomiast gdy upłynie ustawiony czas zwłoki czyli Timer1 będzie równy 0 i jednocześnie zmienna flag będzie równa 1, a będzie gdyż ją zainicjalizowaliśmy po wykonaniu krótkiego kliknięcia to zrealizuje się druga akcja. Jednocześnie skasowana zostanie zmienna flag na zero i dokąd użytkownik dalej będzie trzymał ew wciśnięty klawisz to już nic nie będzie się działo. Ale gdy zwolni klawisz to wykona się środkowa część warunku (C), przy kolejnym obiegu pętli ponieważ nadal zmienna klock posiada wartość = 1 i jednocześnie key_press także jest =1 (klawisz zwolniony). Ta część warunku będzie się wykonywać 256 razy dotąd aż zmienna klock przekręci się z 255 na 0 i jednocześnie zablokuje tę część warunku. A to właśnie jak już wiesz z poprzednich artykułów, będzie czas potrzebny na ustanie ew dragń styków w momencie zwalniania klawisza.

Dobrnęliśmy do końca. Nie przedstawiłem wprawdzie najbardziej rozbudowanej wersji funkcji, która mogłaby jeszcze obsługiwać tzw AUTO-REPEAT, czyli powtarzać np drugą akcję co ściśle określony czas, ale nie chciałem po prostu dublować tego co już zostało w najbardziej rozbudowanej formie przedstawione w książce w postaci wspomnianej już funkcji SuperDebnounce().

Dlatego szczerze polecam Tobie tę książkę jeszcze raz, jeśli do tej pory nie miałeś okazji jej przeczytać a jeszcze niezbyt pewnie czujesz się w zagadnieniach związanych z pseudo-wielowątkowością i timerami programowymi ponieważ to w niej staram się wyjaśniać takie rzeczy od podstaw. Mowa tu o książce pt: "Mikrokontrolery AVR Język C Podstawy programowania".

część I

część II

część III

.