Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

--- products:laboratory_iot:exp35 [2020/05/22 11:41] – labuser29
+++ products:laboratory_iot:exp35 [2024/11/16 11:25] (текущий) – [Программный код эксперимента] labuser30
@@ Строка 1: / Строка 1: @@
-===== Эксперимент 35. Прерывания =====
+===== Эксперимент 35. Конечные автоматы =====
-В предыдущих уроках, мы писали достаточно простые программы.
+Коне́чный автома́т — абстрактный автомат, число возможных внутренних состояний которого конечно. Если говорить проще, то с помощью конечного автомата описываются состояния какого либо объекта и переходы между этими состояниями. Например, светофор можно описать с помощью конечного автомата.
-Их простота заключалась в линейности логики алгоритма. В главном цикле проверялось состояние кнопки и сразу же изменялось
-состояние светодиода. Задержка, если необходимо, вносилась
-с помощью функции time.sleep(). Этот пример отлично работает, с
-небольшими схемами и примитивной логикой. Но если хочется
-чего-то большего, то старыми средствами уже не обойтись и от
-использования time.sleep() придется отказаться.
-Ранее, чтобы проверить состояние вывода микроконтроллера мы использовали команду вроде ''value_a = encA.value()''. Чтобы узнать изменилось ли состояние по сравнению с предыдущей проверкой мы хранили ее результат в переменной и сравнивали. А если нам нужно отслеживать короткие изменения состояния пинов, то проверять их состояние нужно как можно чаще. Все это заставляет микроконтроллер тратить процессорное время на простую работу с сигналом.
+{{ :products:esp-iot:states.png?nolink |}}
-==== Прерывания ====
+Видно, что из состояния 1 (красного сигнала) светофор может перейти только в состояние 2 (красный + желтый), означающий скорое включение зеленого. Из состояния 2 светофор может перейти только в состояние 3 (зеленый сигнал). После зеленого всегда идет желтый сигнал (состояние 4), который сменяется красным (состояние 1). Главное, что у данного конечного автомата есть 4 состояния и мы знаем из какого состояния в какое он может переходить.
-Оказывается есть отличное решение этой проблемы. Микроконтроллер умеет аппаратно отслеживать изменения состояния выводов. Пока процессор занят чем-то по-настоящему важным за состоянием пинов слежит специальная электронная схема. Как только изменение происходит, схема сигнализирует об этом процессору, который прерывает исполнение основной программы для того, чтобы обработать это прерывание — исполнить небольшой код, реагирующий на событие.
-//Прерывание// — это сигнал (событие), который заставляет контроллер прекратить выполнение текущей задачи и приступить к исполнению другой, имеющей более высокий приоритет. После выполнения высокоприоритетной задачи, контроллер возвращается к той, которой был занят до прерывания.
+Конечные автоматы иногда очень полезны для описания состояний электроники. Возьмем тот же инкрементальный энкодер. Снова посмотрим на график сигналов от него:
+{{ :encoder.png?nolink |}}
-Представь, что что ты — это микрокоонтроллер и ты очень занят важным делом — читаешь эту статью. Но внезапно начинает звонить твой телефон. Ты откладываешь статью и занимаешься обработкой этого прерывания — отвечаешь на звонок и ведешь беседу. Как только беседа завершена, ты возвращаешься к чтению статьи с того места, где прервался. Примерно так устроена обработка прерываний в микроконтроллере.
+По графику видно, что состояния у энкодера не меняются хаотично. Они меняются только последовательно. Если крутить ручку в одну сторону, то состояния сменяются 0-1-2-3-0..., а если в другую, то 0-3-2-1-0...
-==== Эксперимент ====
+Зная это мы можем отфильтровывать ложные показания из-за дребезга контактов и точно отслеживать импульсы. Попробуем обрабатывать сигналы энкодера с помощью конечного автомата.
-Попробуем применить прерывания для работы с энкодером. Нам потребуется сделать две вещи — настроить прерывание и написать функцию- обработчик прерывания.
 ==== Схема эксперимента ====
-Оставим схему прошлого эксперимента  без изменений. Всё новое будет заключаться в программе.
 {{ :products:esp-iot:exp14_sch.png?nolink |}}
 //Рисунок 1. Электрическая принципиальная схема эксперимента//
@@ Строка 31: / Строка 23: @@
 ==== Программный код эксперимента ====
-<file python Exp35[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="1"]>
+<file python Exp35.py[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="1"]>
+from time import sleep_ms, ticks_ms
 from machine import I2C, Pin
 from esp8266_i2c_lcd import I2cLcd
 _init()
-DEFAULT_I2C_ADDR = 0x3F
+DEFAULT_I2C_ADDR = 0x3F # Или 0x27 в зависимости от модели микросхемы на плате
 encA = Pin(13, Pin.IN)
 encB = Pin(12, Pin.IN)
+states = (
+    (0,0),
+    (1,0),
+    (1,1),
+    (0,1)
+)
+old_state = 0
 count = 0
@@ Строка 47: / Строка 49: @@
     lcd.clear()
     lcd.putstr(str(data))
-def callback(p):
-    global count
-    global encB
-    global encA
-    value_a = encA.value()
-    value_b = encB.value()
-    if (value_a and value_b) or (not value_a and not value_b):
-        print('+')
-        count += 1
-        print_lcd(count)
-    elif (not value_a and value_b) or (value_a and not value_b):
-        print('-')
-        count -= 1
-        print_lcd(count)
@@ Строка 70: / Строка 55: @@
 lcd.backlight_on()
-encA.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler=callback)
+while True:
+    value_a = encA.value()
+    value_b = encB.value()
-while True:
+    state = states.index((value_a, value_b))
-    pass
+    if (state - old_state == 1) or (state == 0 and old_state == 3):
+        count += 1
+        print('+');
+        print_lcd(count)
+        old_state = state
+    elif (state - old_state == -1)  or (state == 3 and old_state == 0):
+        count -= 1
+        print('-');
+        print_lcd(count)
+        old_state = state
 </file>
-Сначала настраиваем прерывание:
+Описываем возможные состояния конечного автомата:
-<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="39"]>
+<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="11"]>
-encA.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler=callback)
+states = (
+    (0,0),
+    (1,0),
+    (1,1),
+    (0,1)
+)
 </code>
+Список из 4 элементов. В каждом элементе первая цифра это состояние сигнала A, вторая — сигнала B.
+Номер состояния — это индекс элемента списка. Логика переключения состояний автомата простая — состояние может смениться только на соседнее: состояние 0 на 1, 1 на 2, 2 на 3, 3 на 0. И в обратном направлении. Состояние не может измениться "перескочив" через другое. Эту логику мы опишем в программе далее.
-Мы настроили, что при возникновении события изменения сигнала на выводе encA с высокого на низкий (''Pin.IRQ_FALLING'') будет вызываться обработчик прерывания — функция ''callback''.
+В переменной ''old_state'' будем хранить последнее состояние конечного автомата, чтобы  понимать какое состояние было и какое у него теперь будет.
-Какие могут быть события:
+В основном цикле программы мы получаем данные о текущем состоянии линий А и B:
-  * Pin.IRQ_FALLING изменение с 1 на 0
+<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="34"]>
-  * Pin.IRQ_RISING изменение с 0 на 1
-  * Pin.IRQ_LOW_LEVEL наличие логического 0
-  * Pin.IRQ_HIGH_LEVEL наличие логической 1
-События можно комбинировать. Например, если нужна реакция и на событие ''Pin.IRQ_FALLING'' и ''Pin.IRQ_RISING'', то можно записать так: ''trigger=(Pin.IRQ_FALLING | Pin.IRQ_RISING)''.
-Рассмотрим функцию- обработчик прерывания:
-<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="17"]>
-def callback(p):
-    global count
-    global encB
-    global encA
     value_a = encA.value()
     value_b = encB.value()
+</code>
-    if (value_a and value_b) or (not value_a and not value_b):
+И определяем номер состояния конечного автомата, соответствующего такому состоянию А и B:
-        print('+')
+<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="37"]>
-        count += 1
+    state = states.index((value_a, value_b))
-        print_lcd(count)
-    elif (not value_a and value_b) or (value_a and not value_b):
-        print('-')
-        count -= 1
-        print_lcd(count)
 </code>
-Она начинается с
+Формируем список с состояниями А и B ''(value_a, value_b)'' и
-<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="18"]>
+с помощью оператора ''index'' мы получаем индекс такого состояния в ''states''.
-    global count
-    global encB
+Теперь мы знаем индекс только что измеренного состояния линий. А индекс последнего состояния конечного автомата хранится в переменной ''old_state''. Теперь нам нужно понять можем ли мы из состояния записанного в ''old_state'' переключиться в новое состояние, индекс которого мы определили и записали в ''state''.
-    global encA
+<code python[enable_line_numbers="2", start_line_numbers_at="39"]>
+if (state - old_state == 1) or (state == 0 and old_state == 3):
 </code>
-Ключеваое слово ''global'' сообщает интерпретатору Python о том, что мы хотим использовать переменную, объявленную за пределами текущей функции. По умолчанию, все переменные, созданные внутри функции доступны (имеют //область видимости//) в пределах именно этой функции. Как только функция завершается такие переменные уничтожаются. Такие переменные называются //локальными//. Ключевое слово ''global'' дает возможность обратиться к //глобальной// переменной.
+Если индекс нового состояния на 1 больше старого или, если новое состояние 0, а старое 3, то регистрируем переход в новое состояние. Переводим конечный автомат в новое состояние ''old_state = state''. Увеличиваем на 1 счетчик ''count'', печатаем + в терминал и отображаем счетчик на дисплее.
+Аналогично для вращения в обратную сторону. Если индекс состояния уменьшился на один, то производим аналогичные действия.
+Когда ты запустишь эту программу в конструкторе, то увидишь, что значение на дисплее всегда меняется сразу на 2 и в терминале появляется по два + или -. Дело в том, что наш энкодер имеет фиксацию положений (при вращении ощущаются толчки). И эта фиксация осуществляется не в каждом состоянии, а через один. Таким образом от щелчка до щелчка энкодер проходит 2 состояния. Поэтому и число изменяется на 2.