Управление процессами ардуино. Прерывания Arduino с помощью attachInterrupt. Зачем нужны аппаратные прерывания

Узнаем, как работать с прерываниями по таймеру. Напишем простую программу с параллельными процессами.

В реальной программе надо одновременно совершать много действий. Во введении я приводил пример . Перечислю, какие действия она совершает:

Все эти операции выполняются циклически, у всех разные периоды циклов. Ни какую из них нельзя приостановить. Любое, даже кратковременное, изменение времени периода операции приведет к неприятностям: значительной погрешности измерения, неправильной работе стабилизаторов, мерцанию индикаторов, неустойчивой реакции нажатий на кнопки и т.п.

В программе контроллера холодильника существует несколько параллельных процессов, которые и совершают все эти действия, каждое в цикле со своим временем периода. Параллельные процессы - это процессы, действия которых выполняются одновременно.

В предыдущих уроках мы создали класс для объекта кнопка. Мы сказали, что это класс для обработки сигнала в параллельном процессе. Что для его нормальной работы необходимо вызывать функцию (метод) обработки сигнала в цикле с регулярным периодом (мы выбрали время 2 мс). И тогда в любом месте программы доступны признаки, показывающие текущее состояние кнопки или сигнала.

В одном цикле мы поместили код обработки состояния кнопок и управление светодиодами. А в конце цикла поставили функцию задержки delay(2). Но, время на выполнение программы в цикле меняет общее время цикла. И период цикла явно не равен 2 мс. К тому же, во время выполнения функции delay() программа зависает и не может производить других действий. На сложной программе получится полный хаос.

Выход - вызывать функцию обработки состояния кнопки по прерыванию от аппаратного таймера. Каждые 2 мс основной цикл программы должен прерываться, происходить обработка сигнала кнопки и управление возвращаться в основной цикл на код, где он был прерван. Короткое время на обработку сигнала кнопки не будет значительно влиять на выполнение основного цикла. Т.е. обработка кнопки будет происходить параллельно, незаметно для основной программы.

Аппаратное прерывание от таймера.

Аппаратное прерывание это сигнал, сообщающий о каком-то событии. По его приходу выполнение программы приостанавливается, и управление переходит на обработчик прерываний. После обработки управление возвращается в прерванный код программы.

С точки зрения программы прерывание это вызов функции по внешнему, не связанному напрямую с программным кодом, событию.

Сигнал прерывания от таймера вырабатывается циклически, с заданным временем периода. Формирует его аппаратный таймер – счетчик с логикой, сбрасывающий его код при достижении определенного значения. Программно установив код для логики сброса, мы можем задать время периода прерывания от таймера.

Установка режима и времени периода таймера Ардуино производится через аппаратные регистры микроконтроллера. При желании можете разобраться, как это делается. Но я предлагаю более простой вариант – использование библиотеки MsTimer2. Тем более, что установка режима таймера происходит редко, а значит, использование библиотечных функций не приведет к замедлению работы программы.

Библиотека MsTimer2.

Библиотека предназначена для конфигурирования аппаратного прерывания от Таймера 2 микроконтроллера. Она имеет всего три функции:

• MsTimer2::set(unsigned long ms, void (*f)())

Эта функция устанавливает время периода прерывания в мс. С таким периодом будет вызываться обработчик прерывания f. Он должен быть объявлен как void (не возвращает ничего) и не иметь аргументов. * f – это указатель на функцию. Вместо него надо написать имя функции.

• MsTimer2::start()

Функция разрешает прерывания от таймера.

• MsTimer2::stop()

Функция запрещает прерывания от таймера.

Перед именем функций надо писать MsTimer2::, т.к. библиотека написана с использованием директивы пространства имен namespace.

Для установки библиотеки скопируйте каталог MsTimer2 в папку libraries в рабочей папке Arduino IDE. За тем запустите программу Arduino IDE, откройте Скетч -> Подключить библиотеку и посмотрите, что в списке библиотек присутствует библиотека MsTimer2.

Загрузить библиотеку MsTimer2 в zip-архиве можно . Для установки его надо распаковать.

Простая программа с параллельной обработкой сигнала кнопки.

Теперь напишем простую программу с одной кнопкой и светодиодом из урока 6. К плате Ардуино подключена одна кнопка по схеме:

Выглядит это так:

На каждое нажатие кнопки светодиод на плате Ардуино меняет свое состояние. Необходимо чтобы были установлены библиотеки MsTimer2 и Button:

MsTimer2

И оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

// sketch_10_1 урока 10
// Нажатие на кнопку меняет состояние светодиода

#include
#include

#define LED_1_PIN 13 //
#define BUTTON_1_PIN 12 // кнопка подключена к выводу 12

Button button1(BUTTON_1_PIN, 15); // создание объекта - кнопка

void setup() {

MsTimer2::set(2, timerInterupt); // задаем период прерывания по таймеру 2 мс
MsTimer2::start(); //
}

void loop() {

// управление светодиодом
if (button1.flagClick == true) {
// был клик кнопки



}
}

// обработчик прерывания
void timerInterupt() {
button1.scanState(); // вызов метода ожидания стабильного состояния для кнопки
}

В функции setup() задаем время цикла прерывания по таймеру 2 мс и указываем имя обработчика прерывания timerInterrupt . Функция обработки сигнала кнопки button1.scanState() вызывается в обработчике прерывания таймера каждые 2 мс.

Таким образом, состояние кнопки мы обрабатываем параллельным процессом. А в основном цикле программы проверяем признак клика кнопки и меняем состояние светодиода.

Квалификатор volatile.

Давайте изменим цикл loop() в предыдущей программе.

void loop() {

while(true) {
if (button1.flagClick == true) break;
}

// был клик кнопки
button1.flagClick= false; // сброс признака
digitalWrite(LED_1_PIN, ! digitalRead(LED_1_PIN)); // инверсия светодиода
}

Логически ничего не поменялось.

• В первом варианте программа проходила цикл loop до конца и в нем анализировала флаг button1.flagClick.
• Во втором варианте программа анализирует флаг button1.flagClick в бесконечном цикле while. Когда флаг становится активным, то выходит из цикла while по break и инвертирует состояние светодиода.

Разница только в том, в каком цикле крутится программа в loop или в while.

Но если мы запустим последний вариант программы, то увидим, что светодиод не реагирует на нажатие кнопки. Давайте уберем класс, упростим программу.

#include
#define LED_1_PIN 13 // светодиод подключен к выводу 13
int count=0;

void setup() {
pinMode(LED_1_PIN, OUTPUT); // определяем вывод светодиода как выход
MsTimer2::set(500, timerInterupt); // задаем период прерывания по таймеру 500 мс
MsTimer2::start(); // разрешаем прерывание по таймеру
}

void loop() {

while (true) {
if (count != 0) break;
}

count= 0;
digitalWrite(LED_1_PIN, ! digitalRead(LED_1_PIN)); // инверсия состояния светодиода
}

// обработчик прерывания
void timerInterupt() {
count++;
}

В этой программе счетчик count увеличивается на 1 в обработчике прерывания каждые 500 мс. В цикле while он анализируется, по break выходим из цикла и инвертируем состояние светодиода. Проще программы не придумаешь, но она тоже не работает.

Дело в том, что компилятор языка C++ по мере своего интеллекта оптимизирует программу. Иногда это не идет на пользу. Компилятор видит, что в цикле while никакие операции с переменной count не производятся. Поэтому он считает, что достаточно проверить состояние count только один раз. Зачем в цикле проверять, то, что никогда не может измениться. Компилятор корректирует код, оптимизируя его по времени исполнения. Проще говоря убирает из цикла код проверки переменной. Понять, что переменная count меняет свое состояние в обработчике прерывания, компилятор не может. В результате мы зависаем в цикле while.

В вариантах программы с выполнением цикла loop до конца компилятор считает, что все переменные могут измениться и оставляет код проверки. Если в цикл while вставить вызов любой системной функции, то компилятор также решит, что переменные могут измениться.

Если, например, добавить в цикл while вызов функции delay(), то программа заработает.

while (true) {
if (count != 0) break;
delay(1);
}

Хороший стиль – разрабатывать программы, в которых цикл loop выполняется до конца и программа нигде не подвисает. В следующем уроке будет единственный код с анализом флагов в бесконечных циклах while. Дальше я планирую во всех программах выполнять loop до конца.

Иногда это сделать непросто или не так эффективно. Тогда надо использовать квалификатор volatile. Он указывается при объявлении переменной и сообщает компилятору, что не надо пытаться оптимизировать ее использование. Он запрещает компилятору делать предположения по поводу значения переменной, так как переменная может быть изменена в другом программном блоке, например, в параллельном процессе. Также компилятор размещает переменную в ОЗУ, а не в регистрах общего назначения.

Достаточно в программе при объявлении count написать

volatile int count=0;

и все варианты будут работать.

Для программы с управлением кнопкой надо объявить, что свойства экземпляра класса Button могут измениться.

volatile Button button1(BUTTON_1_PIN, 15); // создание объекта - кнопка

По моим наблюдениям применение квалификатора volatile никак не увеличивает длину кода программы.

Сравнение метода обработки сигнала кнопки с библиотекой Bounce.

Существует готовая библиотека для устранения дребезга кнопок Bounce. Проверка состояния кнопки происходит при вызове функции update(). В этой функции:

• считывается сигнал кнопки;
• сравнивается с состоянием во время предыдущего вызова update();
• проверяется, сколько прошло времени с предыдущего вызова с помощью функции millis();
• принимается решение о том, изменилось ли состояние кнопки.

• Но это не параллельная обработка сигнала. Функцию update() обычно вызывают в основном, асинхронном цикле программы. Если ее не вызывать дольше определенного времени, то информация о сигнале кнопки будет потеряна. Нерегулярные вызовы приводят к неправильной работе алгоритма.
• Сама функция имеет достаточно большой код и выполняется намного дольше функций библиотеки Button ().
• Цифровой фильтрации сигналов по среднему значению там вообще нет.

В сложных программах эту библиотеку лучше не использовать.

В следующем уроке напишем более сложную программу с параллельными процессами. Узнаем, как реализовывать выполнение блоков программы в циклах с различными временными интервалами от одного прерывания по таймеру.

Инструкция

Вообще говоря, Arduino не поддерживает настоящее распараллеливание задач, или мультипоточность.
Но можно при каждом повторении цикла "loop()" указать проверять, не наступило ли время выполнить некую дополнительную, фоновую задачу. При этом пользователю будет казаться, что несколько задач выполняются одновременно.
Например, давайте будем мигать с заданной частотой и параллельно этому издавать нарастающие и затихающие подобно сирене звуки из пьезоизлучателя.
И светодиод, и мы уже не раз подключали к Arduino. Соберём схему, как показано на рисунке. Если вы подключаете светодиод к цифровому выводу, отличному от "13", не забывайте о токоограничивающем резисторе примерно на 220 Ом.

Напишем вот такой скетч и загрузим его в Ардуино.
После платы видно, что скетч выполняется не совсем так как нам нужно: пока полностью не отработает сирена, светодиод не мигнёт, а мы бы хотели, чтобы светодиод ВО ВРЕМЯ звучания сирены. В чём же здесь проблема?
Дело в том, что обычным образом эту задачу не решить. Задачи выполняются микроконтроллером строго последовательно. Оператор "delay()" задерживает выполнение программы на указанный промежуток времени, и пока это время не истечёт, следующие команды программы не будут выполняться. Из-за этого мы не можем задать разную длительность выполнения для каждой задачи в цикле "loop()" программы.
Поэтому нужно как-то сымитировать многозадачность.

Вариант, при котором Arduino будет выполнять задачи псевдо-параллельно, предложен разработчиками Ардуино в статье https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BlinkWithoutDelay.
Суть метода в том, что при каждом повторении цикла "loop()" мы проверяем, настало ли время мигать светодиодом (выполнять фоновую задачу) или нет. И если настало, то инвертируем состояние светодиода. Это своеобразный вариант обхода оператора "delay()".
Существенным недостатком данного метода является то, что участок кода перед блоком управления светодиодом должен выполняться быстрее, чем интервал времени мигания светодиода "ledInterval". В противном случае мигание будет происходить реже, чем нужно, и эффекта параллельного выполнения задач мы не получим. В частности, в нашем скетче длительность изменения звука сирены составляет 200+200+200+200 = 800 мсек, а интервал мигания светодиодом мы задали 200 мсек. Но светодиод будет мигать с периодом 800 мсек, что в 4 раза отличается от того, что мы задали. Вообще, если в коде используется оператор "delay()", в таком случае трудно сымитировать псевдо-параллельность, поэтому желательно его избегать.
В данном случае нужно было бы для блока управления звуком сирены также проверять, пришло время или нет, а не использовать "delay()". Но это бы увеличило количество кода и ухудшило читаемость программы.

Чтобы решить поставленную задачу, воспользуемся замечательной библиотекой ArduinoThread, которая позволяет с лёгкостью создавать псевдо-параллельные процессы. Она работает похожим образом, но позволяет не писать код по проверке времени - нужно выполнять задачу в этом цикле или не нужно. Благодаря этому сокращается объём кода и улучшается читаемость скетча. Давайте проверим библиотеку в действии.
Первым делом скачаем с официального сайта https://github.com/ivanseidel/ArduinoThread/archive/master.zip архив библиотеки и разархивируем его в директорию "libraries" среды разработки Arduino IDE. Затем переименуем папку "ArduinoThread-master" в "ArduinoThread".

Схема подключений останется прежней. Изменится лишь код программы. Теперь он будет такой, как на врезке.
В программе мы создаём два потока, каждый выполняет свою операцию: один мигает светодиодом, второй управляет звуком сирены. В каждой итерации цикла для каждого потока проверяем, пришло ли время его выполнения или нет. Если пришло - он запускается на исполнение с помощью метода "run()". Главное - не использовать оператор "delay()".
В коде даны более подробные пояснения.
Загрузим код в память Ардуино, запустим. Теперь всё работает в точности так, как надо!

Вообще говоря, Arduino не поддерживает настоящее распараллеливание задач, или мультипоточность. Но можно при каждом повторении цикла loop() указать микроконтроллеру проверять, не наступило ли время выполнить некую дополнительную, фоновую задачу. При этом пользователю будет казаться, что несколько задач выполняются одновременно.

Например, давайте будем мигать светодиодом с заданной частотой и параллельно этому издавать нарастающие и затихающие подобно сирене звуки из пьезоизлучателя. И светодиод, и пьезоизлучатель мы уже не раз подключали к Arduino. Соберём схему, как показано на рисунке.

Если вы подключаете светодиод к цифровому выводу, отличному от "13", не забывайте о токоограничивающем резисторе примерно на 220 Ом.

2 Управление светодиодом и пьезоизлучателем с помощью оператора delay()

Напишем вот такой скетч и загрузим его в Ардуино.

Const int soundPin = 3; /* объявляем переменную с номером пина, на который подключён пьезоэлемент */ const int ledPin = 13; // объявляем переменную с номером пина светодиода void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // объявляем пин 13 как выход. } void loop() { // Управление звуком: tone(soundPin, 700); // издаём звук на частоте 700 Гц delay(200); tone(soundPin, 500); // на частоте 500 Гц delay(200); tone(soundPin, 300); // на частоте 300 Гц delay(200); tone(soundPin, 200); // на частоте 200 Гц delay(200); // Управление светодиодом: digitalWrite(ledPin, HIGH); // зажигаем delay(200); digitalWrite(ledPin, LOW); // гасим delay(200); }

После включения видно, что скетч выполняется не совсем так как нам нужно: пока полностью не отработает сирена, светодиод не мигнёт, а мы бы хотели, чтобы светодиод мигал во время звучания сирены. В чём же здесь проблема?

Дело в том, что обычным образом эту задачу не решить. Задачи выполняются микроконтроллером строго последовательно. Оператор delay() задерживает выполнение программы на указанный промежуток времени, и пока это время не истечёт, следующие команды программы не будут выполняться. Из-за этого мы не можем задать разную длительность выполнения для каждой задачи в цикле loop() программы. Поэтому нужно как-то сымитировать многозадачность.

3 Параллельные процессы без оператора "delay()"

Вариант, при котором Arduino будет выполнять задачи псевдо-параллельно, предложен разработчиками Ардуино . Суть метода в том, что при каждом повторении цикла loop() мы проверяем, настало ли время мигать светодиодом (выполнять фоновую задачу) или нет. И если настало, то инвертируем состояние светодиода. Это своеобразный вариант обхода оператора delay() .

Const int soundPin = 3; // переменная с номером пина пьезоэлемента const int ledPin = 13; // переменная с номером пина светодиода const long ledInterval = 200; // интервал мигания светодиодом, мсек. int ledState = LOW; // начальное состояние светодиода unsigned long previousMillis = 0; // храним время предыдущего срабатывания светодиода void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // задаём пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // задаём пин 13 как выход. } void loop() { // Управление звуком: tone(soundPin, 700); delay(200); tone(soundPin, 500); delay(200); tone(soundPin, 300); delay(200); tone(soundPin, 200); delay(200); // Мигание светодиодом: // время с момента включения Arduino, мсек: unsigned long currentMillis = millis(); // Если время мигать пришло, if (currentMillis - previousMillis >= ledInterval) { previousMillis = currentMillis; // то запоминаем текущее время if (ledState == LOW) { // и инвертируем состояние светодиода ledState = HIGH; } else { ledState = LOW; } digitalWrite(ledPin, ledState); // переключаем состояние светодиода } }

Существенным недостатком данного метода является то, что участок кода перед блоком управления светодиодом должен выполняться быстрее, чем интервал времени мигания светодиода "ledInterval". В противном случае мигание будет происходить реже, чем нужно, и эффекта параллельного выполнения задач мы не получим. В частности, в нашем скетче длительность изменения звука сирены составляет 200+200+200+200 = 800 мсек, а интервал мигания светодиодом мы задали 200 мсек. Но светодиод будет мигать с периодом 800 мсек, что в 4 раза больше того, что мы задали.

Вообще, если в коде используется оператор delay() , в таком случае трудно сымитировать псевдо-параллельность, поэтому желательно его избегать.

В данном случае нужно было бы для блока управления звуком сирены также проверять, пришло время или нет, а не использовать delay() . Но это бы увеличило количество кода и ухудшило читаемость программы.

4 Использование библиотеки ArduinoThread для создания параллельных потоков

Чтобы решить поставленную задачу, воспользуемся замечательной библиотекой ArduinoThread , которая позволяет с лёгкостью создавать псевдо-параллельные процессы. Она работает похожим образом, но позволяет не писать код по проверке времени - нужно выполнять задачу в этом цикле или не нужно. Благодаря этому сокращается объём кода и улучшается читаемость скетча. Давайте проверим библиотеку в действии.

Первым делом скачаем с официального сайта архив библиотеки и разархивируем его в директорию libraries/ среды разработки Arduino IDE. Затем переименуем папку ArduinoThread-master в ArduinoThread .

Схема подключений останется прежней. Изменится лишь код программы.

#include // подключение библиотеки ArduinoThread const int soundPin = 3; // переменная с номером пина пьезоэлемента const int ledPin = 13; // переменная с номером пина светодиода Thread ledThread = Thread(); // создаём поток управления светодиодом Thread soundThread = Thread(); // создаём поток управления сиреной void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // объявляем пин 13 как выход. ledThread.onRun(ledBlink); // назначаем потоку задачу ledThread.setInterval(1000); // задаём интервал срабатывания, мсек soundThread.onRun(sound); // назначаем потоку задачу soundThread.setInterval(20); // задаём интервал срабатывания, мсек } void loop() { // Проверим, пришло ли время переключиться светодиоду: if (ledThread.shouldRun()) ledThread.run(); // запускаем поток // Проверим, пришло ли время сменить тональность сирены: if (soundThread.shouldRun()) soundThread.run(); // запускаем поток } // Поток светодиода: void ledBlink() { static bool ledStatus = false; // состояние светодиода Вкл/Выкл ledStatus = !ledStatus; // инвертируем состояние digitalWrite(ledPin, ledStatus); // включаем/выключаем светодиод } // Поток сирены: void sound() { static int ton = 100; // тональность звука, Гц tone(soundPin, ton); // включаем сирену на "ton" Гц if (ton }

В программе мы создаём два потока - ledThread и soundThread , каждый выполняет свою операцию: один мигает светодиодом, второй управляет звуком сирены. В каждой итерации цикла для каждого потока проверяем, пришло ли время его выполнения или нет. Если пришло - он запускается на исполнение с помощью метода run() . Главное - не использовать оператор delay() . В коде даны более подробные пояснения.

Загрузим код в память Ардуино, запустим. Теперь всё работает в точности так, как надо!