ถ้าน้องบังเอิญหลงมาอ่านบทความนี้โดยไม่ได้เริ่มจากจุดเริ่มต้นของซีรี่ส์ มันอาจจะดูงงๆ หน่อยนะ เพราะบทความนี้เป็นหนึ่งในหกบทเรียนที่ช่วยให้เข้าใจการใช้ไลบรารี ez_SIPO8_lib ในการจัดการและควบคุม IC แบบ Serial-in/Parallel-out (SIPO) หรือที่เรียกกันว่า shift registers อย่างเช่นชิป 74HC595 นั่นเอง

ถ้าอยากเริ่มอ่านตั้งแต่ต้นซีรี่ส์ ก็กดไปที่ลิงก์นี้เลย (จุดเริ่มต้นบทเรียน) ไม่งั้นก็อ่านต่อเลยละกัน...

บทเรียนนี้เป็นบทที่ 3 จากซีรี่ส์สอนการใช้ไลบรารี ez Serial-in/Parallel-out IC (ez_SIPO8_lib) โดยจะเน้นเรื่องการใช้ Timers ถ้าอยากกลับไปอ่านบทเริ่มต้นก็กดที่ลิงก์นี้: จุดเริ่มต้นบทเรียน.

น้องสามารถดาวน์โหลดคู่มือผู้ใช้ (User Guide), เอกสารสรุป (Crib Sheet) และอ่านบทความต้นฉบับของ ez_SIPO8_lib ได้จากลิงก์ด้านล่างนี้:

- ez_SIPO8_lib คู่มือผู้ใช้

- ez_SIPO8_lib เอกสารสรุป

- อ่านบทความเต็มของ ez_SIPO8_lib ได้ที่นี่

มุมมองของโปรเจกต์

Shift Registers - บทที่ 3, การใช้ Timers เป็นการเจาะลึกเทคโนโลยีดิจิทัลและการทำงานแบบอะซิงโครนัสอย่างลงตัว โดยเน้นไปที่โครงสร้างพื้นฐานสำคัญ—นั่นคือ สถาปัตยกรรมการเก็บข้อมูลแบบอนุกรมสู่ขนานของ 74HC595 และ ซอฟต์แวร์ไทเมอร์แบบไม่บล็อกหลายช่อง—น้องจะได้เรียนรู้วิธีสื่อสารและประสานงานงานลอจิกต่างๆ โดยใช้ไลบรารีเฉพาะทางและการตั้งค่าด้วยมือที่มั่นคง

แนะนำบทเรียน

ในบทเรียนที่ 3 นี้ เราจะต่อยอดจากประสบการณ์ในบทที่ 1 และ 2 โดยมาดูกันว่าเราจะใช้ฟีเจอร์ไทเมอร์ของไลบรารี SIPO8 ควบคุมสถานะของพินเอาต์พุตบน IC SIPO ได้ยังไง เราจะใช้วงจร IC SIPO ตัวเดิมที่ตั้งไว้ในบทเรียนที่ 1 นะ

บทเรียนนี้จะตั้งค่าไทเมอร์ SIPO8 จำนวนแปดตัว โดยแต่ละตัวจะควบคุมพินเอาต์พุตของ SIPO หนึ่งพิน ใช้ควบคุมอัตราการกะพริบของ LED ที่ต่ออยู่ให้เปิด/ปิดตามที่เราต้องการ วิธีนี้มีความยืดหยุ่นสูง ทำให้เราปรับอัตรากะพริบและลำดับของพินเอาต์พุตได้ง่ายๆ จัดไปวัยรุ่น!

เป้าหมาย

เราจะมาสร้างสภาพแวดล้อม SIPO เสมือนกัน เพื่อประยุกต์หลักการพื้นฐานเพิ่มเติม โดยเฉพาะเราจะเรียนรู้:

1. วิธีการต่อสายและเชื่อมต่อ IC 74HC595 ตัวเดียว (SIPO) เข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์ (ดู Tutorial 1 ถ้ายังไม่ได้ทำ)

2. วิธีการใช้ฟังก์ชันตัวจับเวลา (timer) ในไลบรารี SIPO8 เพื่อควบคุมและขับเอาต์พุต SIPO จริงๆ

3. การใช้งานฟังก์ชันของไลบรารี SIPO8 เพิ่มเติม

4. มองเห็นผลลัพธ์จากสเก็ตช์ – LED ที่กะพริบแบบแปรผันและข้อมูล SIPO บน Serial Monitor

ถ้าน้องทำ Tutorial 1 และ 2 มาจนจบ และยังตั้งชิ้นส่วนไว้เหมือนเดิม ก็ข้ามไปที่ส่วน The Code/Sketch ได้เลย ไม่ก็ทำตามขั้นตอนด้านล่างนี้ต่อ

การลงมือทำจริง: ตรรกะแบบอะซิงโครนัสและตัวจับเวลาพื้นหลัง

โปรเจคนี้จะเผยให้เห็นเลเยอร์ที่ซ่อนอยู่ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลกับเวลา:

เลเยอร์ระบุตัวตน: รีจิสเตอร์ 74HC595 ทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำดิจิทัลความละเอียดสูง คอยวัดการมาถึงของแต่ละบิตสตรีมผ่านอินพุตแบบอนุกรม
เลเยอร์แปลงสัญญาณ: ระบบใช้พินดิจิทัลความเร็วสูง (Data, Clock, Latch) เพื่อรับพัลส์ไบนารีความเร็วสูง สำหรับประสานงานงานเซนซิ่งที่สำคัญ
เลเยอร์อินเทอร์เฟซด้านเวลา: ตัวจับเวลาของไลบรารี ez_SIPO8 ให้ฟีดแบ็คภาพและเวลาความละเอียดสูงสำหรับการตรวจสอบสถานะของแต่ละงาน (เช่น การสลับ LED เทียบกับรอบลูป)
เลเยอร์อินเทอร์เฟซการสื่อสาร: Serial Terminal ความเร็วสูง ให้อินเทอร์เฟซภาพที่ชัดเจนและน่าเชื่อถือสำหรับแต่ละจุดของบันทึกข้อมูลระยะไกล
ตรรกะการประมวลผล: โค้ด Arduino ใช้กลยุทธ์ "การส่งงานแบบอะซิงโครนัส" (หรือส่งงานด้วยตัวจับเวลา): มันตีความช่วงเวลาที่เฉพาะเจาะจงกับงาน และจับคู่สถานะของพิน เพื่อให้การทำงานดิจิทัลที่ปลอดภัยและเป็นจังหวะ โดยไม่ใช้ delay()
ลูปการสื่อสาร: รหัสจับเวลาถูกส่งเป็นจังหวะไปยัง Serial Monitor ในระหว่างการปรับเทียบเริ่มต้น เพื่อประสานสถานะ

โครงสร้างพื้นฐานฮาร์ดแวร์-รีจิสเตอร์

Arduino Uno: "สมอง" ของโปรเจค จัดการพัลส์ข้อมูลอนุกรมหลายทิศทาง และประสานการซิงค์ของรีจิสเตอร์และตัวจับเวลา
IC 74HC595: ให้ "ลิงก์ดิจิทัล" ที่ชัดเจนและน่าเชื่อถือสำหรับแต่ละจุดของวงจรลอจิก
แถว LED (8 ดวง): ให้อินเทอร์เฟซทางกายภาพที่มีความจุสูงและน่าเชื่อถือสำหรับแต่ละจุดของภารกิจ
เบรดบอร์ด: วิธีที่สะดวกสำหรับการทำวงจรอิเล็กทรอนิกส์-ลอจิกต้นแบบแรก และเชื่อมต่อชิ้นส่วนทั้งหมดโดยไม่ต้องบัดกรี
ไลบรารี ez_SIPO8: สำคัญมากสำหรับการให้แพลตฟอร์มการเขียนโปรแกรมที่ชัดเจนและประหยัดพลังงาน สำหรับแต่ละจุดของลอจิกรีจิสเตอร์
สาย Micro-USB: ใช้สำหรับโปรแกรม Arduino และเป็นอินเทอร์เฟซหลักสำหรับตัวควบคุมระบบ

รายการอุปกรณ์

จัดเตรียมชิ้นส่วนต่อไปนี้ให้พร้อม:

1 x Arduino UNO - ดีไซน์นี้ใช้ Arduino UNO แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวไหนที่เหมาะสม (Arduino หรือของโคลน) ก็ใช้ได้ ตราบใดที่มันรองรับความต้องการพินสำหรับขับอินเทอร์เฟซ SIPO และความต้องการพลังงาน

1 x เบรดบอร์ด - เล็กหรือใหญ่ อันไหนที่หยิบได้ใกล้มือก็ใช้เลย

1 x IC 74HC595 - IC SIPO 8 บิต หรือของโคลนอื่นๆ ที่ "เข้ากันได้จริงๆ" แบบเสียบแล้วใช้ได้

8 x LED - อันไหนที่มีอยู่รอบตัวก็เอามาใช้

8 x ตัวต้านทาน (Resistor), 220 โอห์ม - หนึ่งตัวต่อ LED หนึ่งดวง ใช้ตัวต้านทาน 220 โอห์มนะ ห้ามใช้ 180 โอห์มตามที่แผนภาพต่อสายบางอันแนะนำ มันช็อตแน่ๆ ตัวนี้!

สายต่อ - สั้น/ยาว หรือสายสำหรับเบรดบอร์ด อันไหนที่เหมาะกับงานก็ใช้เลย

74HC595 วางยังไง? ไหนด้านไหน?

จะรู้ได้ไงว่าด้านไหนเป็นด้านไหน? ง่ายนิดเดียวครับน้อง! ดูที่รอยบาก (notch) ของไอซี 74HC595 สิ มันจะอยู่ด้านบนของแผนภาพนี่แหละ การนับขา (Pin numbering) จะเริ่มที่ขา 1 ที่มุมซ้ายบน แล้วไล่ลงมาตามด้านซ้าย วนไปที่ด้านล่างของไอซี แล้วขึ้นมาที่มุมขวาบนจนถึงขา 16:

วิธีต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller/SIPO Interface Pin Configuration)

ทุกๆ กลุ่ม (bank) ของไอซี SIPO ที่เราจะต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์เนี่ย ต้องใช้การเชื่อมต่อแบบดิจิตอล 3 สาย (3WI) เนื่องจากบทสอนนี้ใช้ SIPO แค่ตัวเดียว เราก็เลยต้องการแค่ 3WI หนึ่งชุดเท่านั้น ตารางด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างการจับคู่ขาระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์กับไอซี SIPO สำหรับบทสอนนี้ แต่จริงๆ แล้วน้องเลือกใช้ขาไหนของไมโครคอนโทรลเลอร์ก็ได้ตามใจชอบเลย ถ้าน้องเลือกขาไม่เหมือนตัวอย่าง ก็อย่าลืมไปแก้ไขการเรียกฟังก์ชัน create_bank ใน setup() ด้วยล่ะ

UNO ขา 8 ไปที่ SIPO ขา 14 - ขาข้อมูลของ SIPO (SIPO Data Pin)

UNO ขา 9 ไปที่ SIPO ขา 12 - ขาล็อคของ SIPO (SIPO Latch Pin)

UNO ขา 10 ไปที่ SIPO ขา 11 - ขานาฬิกาของ SIPO (SIPO Clock Pin)

UNO ขา +5v ไปที่ SIPO ขา 10, 16 - จ่ายไฟให้ SIPO

UNO ขา GND ไปที่ SIPO ขา 8, 13 - กราวด์ (0v)

เอาหล่ะ มาจัดการต่อสายให้ครบกันเถอะ!

ใช้แผนภาพด้านล่างนี้เป็นไกด์ ต่อสายให้ครบทุกส่วน ระวังเรื่องขาเข้า-ขาออกให้ดีๆ หน่อยนะ ผิดนิดเดียวไฟไม่ติด!

Wiring Scheme 1- Single SIPO IC, 8 outputs

สังเกตดีๆ นะ จะเห็นว่ามีขาเดียวของไอซี 74HC595 ที่เราไม่ได้ต่ออะไรเลย นั่นคือขา 9 (QH’) ขานี้เอาไว้ใช้เป็นขาออกแบบอนุกรม (serial output) เพื่อต่อเข้ากับขาเข้าแบบอนุกรม (14SER) ของไอซี SIPO 74HC595 ตัวต่อไป เวลาเราต่อแบบเรียงลำดับ (cascade) ไงล่ะ

ขั้นตอนการทำงานแบบอัตโนมัติและโต้ตอบกับ Timing Hub

กระบวนการทำงานของ shift-register ออกแบบมาให้มีประสิทธิภาพสูงสุด:

เตรียมพื้นที่ทำงาน (Initialize Workspace): วางไอซี 74HC595 และ LED ลงบนเบรดบอร์ดให้ถูกต้อง แล้วต่อสายเข้ากับขาของ Arduino ตามแผนภาพการต่อสายด้านบนให้เป๊ะ
ตั้งค่าการซิงค์เอาต์พุต (Setup Output Sync): ในสเก็ตช์ Arduino ให้เริ่มต้นด้วย my_SIPOs.begin() และกำหนดช่วงเวลาของตัวจับเวลา (timer intervals) (เช่น 500ms) ในฟังก์ชัน setup()
ลูปการทำงานภายใน (Internal Dialogue Loop): สถานีจะทำการวนลูปดิจิตอลประสิทธิภาพสูงอย่างต่อเนื่อง และอัปเดตสถานะของขาแบบเรียลไทม์ตามการตั้งค่าที่เรากำหนดไว้เบื้องหลัง
การผสานข้อมูลและการตอบรับภาพ (Visual and Data Feedback Integration): ดูแแดชบอร์ด LED ของเรากลายเป็นสัญญาณสถานะที่มีจังหวะไปเองอัตโนมัติ กะพริบเป็นจังหวะและทำตามการตั้งค่าตรรกะของเราจากระยะไกลได้เลย สุดยอดไปเลยมั้ยล่ะ! จัดไปวัยรุ่น!

โค้ด/สเก็ตช์

เอาล่ะ หลังจากตั้งค่าเสร็จสรรพ มาดูสเก็ตช์ที่ใช้ตัวจับเวลา (timers) ควบคุมให้ LED กะพริบแบบแปรผันกันดีกว่า โหลดโค้ดไปเลย แล้วก็คอมไพล์ อัพโหลดลงบอร์ดซะ

//
//   Tutorial 3 - use of ez_SIPO8 library,
//   1x physical SIPO, and use of SIPO8 timers to control SIPO outputs with time
//
//   Ron D Bentley, Stafford, UK
//   April 2021
//
//   This example and code is in the public domain and
//   may be used without restriction and without warranty.
//
#include <ez_SIPO8_lib.h>
#define Max_SIPOs  1  // one virtual SIPO for this tutorial
#define Max_timers 8  // 8 timers required to map a complete 8bit SIPO
// initiate the class for Max SIPOs/timers required
SIPO8 my_SIPOs(Max_SIPOs, Max_timers);
int bank0_id;  // used to keep the SIPO bank id
//
// setup pin/LED flash data
uint8_t timer;
uint32_t timer_intervals[Max_timers] = {
 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 // millisecond elapse timer values
};
uint8_t timer_pins[Max_timers] = {
 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 // SIPO output pin absolute addresses
};
void setup() {
 Serial.begin(9600);
 // create bank, params are:
 // data pin, clock pin, latch pin, number of SIPOs this bank
 bank0_id = my_SIPOs.create_bank(8, 10, 9, 1); 
 if (bank0_id == create_bank_failure) {
   Serial.println(F("\
failed to create bank"));
   Serial.flush();
   exit(0);
 }
 // print the bank data for confirmation/inspection
 my_SIPOs.print_SIPO_data();
}
void loop() {
 // start by setting all SIPO outputs to low (off)
 my_SIPOs.set_all_array_pins(LOW);// set all declared virtual output pins LOW/off
 my_SIPOs.xfer_array(LSBFIRST);   // move virtual pin statuses to real SIPO output pins
 //
 // start all timers
 for (timer = 0; timer < Max_timers; timer++) {
   my_SIPOs.SIPO8_start_timer(timer);
 }
 timer = 0; // start checking at first timer
 do {
   // check each timer for elapse and, if elapsed, invert the timer's output pin
   // and reset the timer
   if (my_SIPOs.SIPO8_timer_elapsed(timer, timer_intervals[timer]) == elapsed) {
     my_SIPOs.invert_array_pin(timer_pins[timer]); // invert the pin associated with this timer
     my_SIPOs.xfer_array(MSBFIRST);// update physical SIPO outputs
     my_SIPOs.SIPO8_start_timer(timer);// reset/restart the current timer
   }
   timer++;  // move on to next timer
   if (timer >= Max_timers) timer = 0; // wrap around to beginning
 } while (true);
}

จุดที่ต้องสังเกต (จัดไปวัยรุ่น):

1. เราได้ตั้งค่าตัวจับเวลา (timers) ทั้ง 8 ตัวที่เราต้องการ (หนึ่งตัวต่อพอร์ตเอาต์พุต/LED) อัตโนมัติไปแล้วตอนสร้างอ็อบเจ็กต์ของคลาส SIPO8 (พารามิเตอร์ตัวที่สอง ตรงนี้คือ 8) จริงๆ แล้วเราสร้างได้สูงสุดถึง 255 ตัวเลยนะ ถ้าอยาก...แต่เยอะเวอร์! 555

2. เราได้ประกาศและตั้งค่าเริ่มต้นให้อาร์เรย์สองตัว เพื่อกำหนดช่วงเวลากะพริบ (หน่วยมิลลิวินาที) และเลขพินเอาต์พุตแบบ absolute ที่เราอยากควบคุม นั่นคือ:

uint32_t timer_intervals[Max_timers], และ

uint8_t timer_pins[Max_timers]

อาร์เรย์พวกนี้ทำให้เราปรับความเร็วการกะพริบและสลับลำดับพินเอาต์พุตได้ตามใจชอบง่ายๆ เลย

3. มีฟังก์ชันในไลบรารี SIPO8 อยู่ 3 ตัวที่ช่วยให้เราใช้งานและควบคุมตัวจับเวลาได้ นั่นคือ:

SIPO8_start_timer (timer)

SIPO8_timer_elapsed(timer, timer_intervals[timer]) และ

SIPO8_stop_timer (timer)

ฟังก์ชันตัวจับเวลาแต่ละตัวรับพารามิเตอร์แรกเป็นหมายเลขตัวจับเวลาที่เราอ้างอิงถึง แต่อย่างในกรณีของ SIPO8_timer_elapsed ฟังก์ชันนี้จะมีพารามิเตอร์ที่สองเพิ่มมา ซึ่งคือช่วงเวลาที่เราอยากตรวจสอบว่าหมดแล้วหรือยัง (หน่วยมิลลิวินาที) ตรงนี้ก็คือช่วงเวลาที่ตัวจับเวลาจะรันก่อนหมดอายุไงล่ะ ระวังให้ดี พารามิเตอร์ที่สองนี่เป็นตัวแปรแบบ unsigned 32 บิตนะ อย่าลืมเช็คการกำหนดค่าในสเก็ตช์ด้วยล่ะ.

สเก็ตช์นี้ไม่ได้ใช้ฟังก์ชัน SIPO8_stop_timer แต่รายละเอียดเต็มๆ มีอยู่ในคู่มือผู้ใช้ (User Guide) อยู่แล้ว ไปหาอ่านเพิ่มเติมได้