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.

5. Снижение потребления электроэнергии

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.

Таблица 5.1. Потребление электроэнергии платами Arduino

Плата

Ток, мА

Uno (5 В, USB)

47

Uno (9 В, внешний источник питания)

48

Uno (5 В, с извлеченным процессором)

32

Uno (9 В, с извлеченным процессором)

40

Leonardo (5 В, USB)

42

Due (5 В, USB)

160

Due (9 В, внешний источник питания)

70

Mini Pro (9 В, внешний источник питания)

42

Mini Pro (5 В, USB)

22

Mini Pro (3,3 В, непосредственно)

8

Обратите внимание на то, как различается ток, потребляемый платами Arduino, питающимися напряжением 5 В, с процессором и без него. Разница составляет всего 15 мА, откуда получается, что остальные 32 мА потребляет сама плата. И действительно, на плате Arduino имеются интерфейс USB, светодиод On и стабилизатор напряжения 3,3 В, которые также потребляют некоторую мощность даже без микроконтроллера. Обратите также внимание на то, насколько меньше потребляет микроконтроллер, питающийся напряжением 3,3 В.

Приемы, описываемые далее, помогают снизить потребление электроэнергии процессором, но не самой платой. В примерах, приведенных в дальнейшем, я использовал плату Arduino Mini Pro, питающуюся непосредственно напряжением 3,3 В через контакты VCC и GND (рис. 5.1) в обход стабилизатора напряжения, чтобы кроме светодиода On питание подводилось только к микроконтроллеру.

Рис. 5.1. Плата Arduino Mini Pro, запитанная непосредственно напряжением 3 В

Такая схема часто используется в системах с автономным питанием от аккумуляторов, например от единственного литий-полимерного (Lithium Polymer, LiPo) аккумулятора, дающего напряжение 2,7 В, когда почти разряжен, и 4,2 В, когда полностью заряжен, который прекрасно подходит для непосредственного питания микроконтроллера ATmega328.