Цифровые часы на Arduino с конечным автоматом (YAKINDU Statechart Tools)

Компоненты и материалы

Arduino UNO (или Mega — совместим с LCD Shield)	×	1
LCD Keypad Shield (16×2, 5 кнопок + Reset)	×	1

Инструменты разработки

• YAKINDU Statechart Tools (бесплатно для некоммерческого использования) — графическое моделирование автоматов и генерация C++ кода
• Eclipse C++ IDE for Arduino

О проекте

Покажу, как создать цифровые часы с YAKINDU Statechart Tools и запустить на Arduino с LCD Keypad Shield.

Модель взята из работы Дэвида Харела о «расширении формализма конечных автоматов». Он использовал цифровые часы как пример. Я восстановил их в YAKINDU и перенёс на Arduino.

Как работают часы

Вспомните цифровые часы 90-х: время, будильники, секундомер, писк каждый час. Кнопки: on/off, mode, set, подсветка light on/off.

Кнопка Mode переключает режимы:

• Время (Clock)
• Дата (Date)
• Будильник 1, Будильник 2 (Alarm)
• Часовые сигналы (Chime)
• Секундомер (Stop Watch)

В меню: On/Off — настройка режима, Set — установка времени. Секундомер: Light On/Off — старт/стоп, есть круговые замеры.

Есть часовые сигналы (chime) и управляемая подсветка (в первой версии не подключены к железу).

Конечный автомат (State Machine)

Модель разделена на графическую (state diagram) и текстовую (определения событий, переменных) части.

Входные события: onoff, set, mode, light, light_r.

Внутреннее событие каждые 100 мс: every 100 ms / time += 1

Расчёт времени (формат HH:MM:SS):

display.first  = (time / 36000) % 24;   // часы
display.second = (time / 600) % 60;     // минуты
display.third  = (time / 10) % 60;      // секунды

Обновление LCD: display.updateLCD(display.first, display.second, display.third, display.text) — вызывается каждый цикл.

Используются составные состояния (CompositeState), история (History), поддиаграммы (Sub-Diagrams), выходные узлы (ExitNodes) — для читаемости.

LCD Keypad Shield

5 кнопок подключены к А0 через делитель напряжения. Определение нажатой кнопки по АЦП:

#define NONE 0
#define SELECT 1
#define LEFT 2
#define DOWN 3
#define UP 4
#define RIGHT 5

static int readButton() {
  int result = analogRead(0);
  if (result < 50) return RIGHT;
  if (result < 150) return UP;
  if (result < 300) return DOWN;
  if (result < 550) return LEFT;
  if (result < 850) return SELECT;
  return NONE;
}

Мои измерения: None=1023, Select=640, Left=411, Down=257, Up=100, Right=0.

Интерфейс автомата с железом

Сгенерированный C++ код требует реализацию интерфейсов. Кнопки подключаем к входам автомата с антидребезгом (falling edge — отпускание кнопки).

Алгоритм: читаем кнопку, ждём 80 мс, читаем снова. Если было не NONE, стало NONE — поднимаем соответствующее событие автомата.

int oldState = NONE;
static void raiseEvents() {
  int buttonPressed = readButton();
  delay(80);
  oldState = buttonPressed;
  if (oldState != NONE && readButton() == NONE) {
    switch (oldState) {
      case SELECT: stateMachine->getSCI_Button()->raise_mode(); break;
      case LEFT:   stateMachine->getSCI_Button()->raise_set(); break;
      case DOWN:   stateMachine->getSCI_Button()->raise_light(); break;
      case UP:     stateMachine->getSCI_Button()->raise_light_r(); break;
      case RIGHT:  stateMachine->getSCI_Button()->raise_onoff(); break;
    }
  }
}

Сборка главной программы

Три компонента: State Machine, Timer, Display Handler.

DigitalWatch* stateMachine = new DigitalWatch();
CPPTimerInterface* timer_sct = new CPPTimerInterface();
DisplayHandler* displayHandler = new DisplayHandler();

void setup() {
  stateMachine->setSCI_Display_OCB(displayHandler);
  stateMachine->setTimer(timer_sct);
  stateMachine->init();
  stateMachine->enter();
}

long current_time = 0, last_cycle_time = 0;
void loop() {
  raiseEvents();
  last_cycle_time = current_time;
  current_time = millis();
  timer_sct->updateActiveTimer(stateMachine, current_time - last_cycle_time);
  stateMachine->runCycle();
}

Получение примера

В YAKINDU IDE: File → New → Example → YAKINDU Statechart Examples → Next → Arduino - Digital Watch (C++).

IDE скачать здесь. 30 дней триал, потом лицензия — бесплатно для некоммерческого использования.