Ардуино: параллельное выполнение задач по таймеру

Множество уроков на Ардуино сводятся к последовательному выполнению каких-то действий. Например, чтобы заставить контроллер мигать светодиодом или периодически пищать зуммером, достаточно будет такой простой программы:

const int ledPin = 2;

void setup() {
    pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    delay(500);
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    delay(500); 
}

Включаем светодиод, ждем пол секунды, затем выключаем его и снова ждем. Поскольку задача у нас одна, и кроме мигания мы ничего не собираемся делать, то в промежутках между включением и выключением используем функцию delay. Во время работы delay наш контроллер не делает ничего полезного. Он просто тратит время.

А что, если теперь мы захотим мигать одновременно двумя светодиодами с разным периодом? Допустим, первый светодиод должен включаться и выключаться каждую секунду, а второй каждые 300 миллисекунд.

Чтобы решить эту задачу, нам придется отказаться от функции delay. Это может быть тяжелым ударом для каждого новичка, но в серьезных программах delay никто не использует 🙂 Если мы научимся обходить эту функцию, мы автоматически научимся одновременному выполнению задач. Вперед!

Таймеры, секундомеры и таймаут

Представим, что у нас нет никаких контроллеров, а есть только механический секундомер. Проведем эксперимент у себя дома. Будем мигать лампочкой в комнате с периодом 20 секунд. Это значит, что каждые 10 секунд мы должны будем переключать выключатель из включенного положения, в выключенное, и наоборот. Получится такой естественный алгоритм:

Если вы внимательно посмотрите на этот алгоритм, то поймете, что он полностью отражает действия живого человека. Часто, вместо секундомера мы используем внутренний биологический таймер. У нас есть чувство времени, которое особенно развито у музыкантов.

Итак, алгоритм мы имеем. Как его переложить на программу для Ардуино? Нам потребуется электронный аналог секундомера — таймер. Благо он имеется во всех контроллерах, включая и Ардуино. Таймер — это устройство, которое умеет точно отсчитывать время. Запускается и обнуляется он каждый раз во время подачи питания на контроллер. А чтобы узнать, сколько времени «натикало» на таймере с момента запуска, мы будем использовать функцию millis:

int time = millis();

эта функция не имеет аргументов; она опрашивает таймер и возвращает количество миллисекунд, которые прошли с момента запуска Ардуино.

Теперь у нас есть всё, чтобы записать программу для Ардуино.

const int ledPin = 2;

unsigned long next_time; // время очередного переключения первого светодиода
int timeout = 500; // половина периода мигания
int led_state = 0; // начальное состояние светодиода - выключен

void setup() {
    pinMode(ledPin, OUTPUT);

    digitalWrite(ledPin, led_state); // гасим светодиод
    next_time = millis() + timeout; // вычисляем время следующего переключения
}

void loop() {
    int now_time = millis(); // текущее время
    if( now_time >= next_time ){ // если текущее время превысило намеченное время, то
        next_time = now_time + timeout; // вычисляем время следующего переключения
        led_state = !led_state; // меняем состояние на противоположное
        digitalWrite(ledPin, led_state); // зажигаем или гасим светодиод
    }
}

Загружаем программу на Ардуино. Светодиод будет мигать точь в точь, как в первой программе. Но теперь без delay! Переходим к следующем шагу.

Одновременное выполнение действий с разным периодом

У нас есть программа, которая совершает действие каждые 500 миллисекунд. Добавим в неё второе действие, но уже с другим периодом — 150 мс.

const int ledPin_1 = 2;
const int ledPin_2 = 3;

unsigned long next_time_1; // время очередного переключения первого светодиода
unsigned long next_time_2; // ... второго светодиода
int timeout_1 = 500; // половина периода мигания первого светодиода
int timeout_2 = 150; // ... второго светодиода
int led_state_1 = 0; // начальное состояние первого светодиода - выключен
int led_state_2 = 0; // ... второго светодиода

void setup() {
    pinMode(ledPin_1, OUTPUT);
    pinMode(ledPin_2, OUTPUT);

    digitalWrite(ledPin_1, led_state_1); // гасим первый светодиод
    digitalWrite(ledPin_2, led_state_2); // гасим второй светодиод

    next_time_1 = millis() + timeout_1; // вычисляем время следующего переключения первого светодиода
    next_time_2 = millis() + timeout_2; // ... второго светодиода
}

void loop() {
    int now_time = millis(); // текущее время
    if( now_time >= next_time_1 ){ // если текущее время превысило намеченное время, то
        next_time_1 = now_time + timeout_1; // вычисляем время следующего переключения
        led_state_1 = !led_state_1; // меняем состояние на противоположное
        digitalWrite(ledPin_1, led_state_1); // зажигаем или гасим светодиод
    }

    now_time = millis();
    if( now_time >= next_time_2 ){
        next_time_2 = now_time + timeout_2;
        led_state_2 = !led_state_2;
        digitalWrite(ledPin_2, led_state_2);
    }
}

Загружаем программу, включаем питание. Теперь светодиоды мигают с разным периодом!

Заключение

При помощи таймера и таймаутов мы можем решить множество задач, которые решались сложно, либо вовсе не решались. Это те задачи, в которых требуется одновременное выполнение действий с разной частотой.

Это может быть вращение двух и более шаговых двигателей с разной скоростью, динамическая индикация вместе с опросом разных датчиков. Более сложный пример — бортовая программа квадрокоптера или балансирующего колесного робота, которая выполняет множества разных действий с разной частотой: опрос датчиков, работа системы стабилизации, обработка сигналов с пульта управление и др.