Individální projekty MPOA

Bludiště s kuličkou — Využijte RGB LED matici. Jedna barva LED reprezentuje kuličku, druhá cíl, třetí stěny. Nakláněním desky se bude kulička pohybovat k okraji a zastavovat se o stěny. Na závěr se na LED matici zobrazí počet sekund, jak dlouho trvalo hráči dostat kuličku do cíle.

RGB LED matice není v našem konkrétním případě tak docela RGB, neboť modrá složka chybí. Dostupné barvy jsou tedy červená, zelená a oranžová. Více barev naštěstí není potřeba, takže kulička bude mít červenou barvu, cíl bude zelený a stěny bludiště budou, kromě okrajů LED matice, reprezentovat oranžově svítící LED. Stěn využijeme proto, že matice formátu 8×8 LED je pro účel bludiště i tak malá, přičemž rozsvícením okrajů v oranžové bychom získali pouhých 6×6, což už je na nějakou zajímavější trasu zoufale málo.

Po dosažení cíle vypíše matice zelenou barvou čas v sekundách, za který hráč prošel bludištěm (ve formátu ##).

Základem celé aplikace je vývojová deska KL25Z, samozřejmě osazená pro propojení s LED maticí. Obrázky níže zachycují osazenou desku a použitou LED matici 8×8.

Pro propojení obou hardwarových částí slouží převodník. Ten byl původně navržen pro jinou vývojovou desku, takže bylo třeba použít ještě jednu DPS pro přepolohování pinů k propojení s KL25Z. Stránka o převodníku z původního převodníku na vývojovou desku je ZDE. Deska je navržena jako oboustranná s prokovy v místě pinů, takže pájení vyžaduje promyšlení postupu a trochu trpělivosti. Já doporučuji (samozřejmě po navrtání) tento postup.

1. Zapájet tři prokovy uprostřed. Čtvrtý je nadbytečný.
2. Nasadit všechny piny do vývojové desky, nasunout desku redukce a zapájet ze strany TOP.
3. Vysunout z vývojové desky, vysunout plasty pinů, zapájet potřebné piny ze strany BOTTOM a plasty zatlačit zpět.
4. Na původní desce převodníku vycvaknout plasty na 18. dvojici pinů v levém sloupci a 10. a 18. dvojici pinů na pravém sloupci.
5. Nasunout původní desku převodníku do nového převodníku a zapájet ze strany BOTTOM.
6. Zmíněné tři dvojice pinů zapájet ze strany TOP.
7. Zapájet UART ze strany BOTTOM, na straně TOP pak ještě VCC.
8. Volitelně přidat rezistory a tlačítka (lze i kdykoliv dodatečně, přístup je bezproblémový).

Výsledek ukazují obrázky níže.

Podle vyrobeného převodníku slouží k řízení LED matice piny PTC 0-13, 16, 17 a PTB 0-2 (přesný popis v sekci Software). Podle ROZPISU je ovšem jeden z pinů pro zvolený účel poněkud problémový. Jedná se o pin PTC1, který slouží nejen jako výstup, ale také jako RTC Clock vstup (RTC_CLKIN), který očekává příchozí hodinový signál.

Výsledkem je, že při použití zapojení v sekci Hardware bude druhá LED ve spodním řádku stále svítit zeleně, nejen v případě, že bude firmware čistý, ale i tehdy, kdy nahrajeme software, který ji přímo přikáže vypnout (PTC1 na 1). To by se teoreticky dalo v případě bludiště obejít, problém je však většího rozsahu. Pokud rozsvítíme libovolnou jinou LED v poli (např. na pozici 6. sloupec a 6. řádek), bude současně svítit zeleně i LED ve druhém sloupci a v odpovídajícím řádku (na pozici 2. sloupec a 6. řádek). Rozsvítíme-li tedy první, třetí nebo libovolný vyšší sloupec kompletní, bude svítit zeleně i celý druhý sloupec. To už obejít nelze.

Podle stránek mbed se jedná o známou věc. Vzhledem k tomu, že RTC ClockIn nelze softwarově vypnout, zbývají dvě možnosti, jak problém vyřešit. První možnost je modifikovat samotnou KL25Z tak, že odpájíme nulový rezistor R24 (viz obrázek), který připojuje RTC obvod. Tato varianta je častým závěrem diskuzí na mbed fórech při řešení této konkrétní situace.

Metoda je ovšem zbytečně destruktivní když uvážíme, že máme k dispozici převodník pro matici, tedy v podstatě jednoúčelový hardware, zatímco RTC ClockIn by se u jiné aplikace ještě mohl hodit. Navíc by pak převodník fungoval jenom na upraveném kitu, což je zbytečná komplikace navíc. Proto byla zvolena modifikace převodníkové DPS a pin druhé zelené LED vedoucí na PTC1 byl drátkem přepojen na nevyužitý PTB3. Pin se nachází o dvě pozice níže v tom samém bloku pinů (viz ROZPIS), takže úprava není složitá a nevyžaduje ani změnu postupu pájení. Pro výrobu dalších převodníků lze změnu zahrnout do návrhu, modifikace DPS nevyžaduje kromě posunu jedné cesty vůbec nic navíc.

Při uvažování nutné hardwarové modifikace použijeme k řízení LED matice následující piny:

RED řádek - PTC 8, 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17,

GREEN řádek - PTC 0, PTB 3, PTC 2, 3, 4, 5, 6, 7,

Řízení sloupců - PTB 0, 1, 2.

Prvním krokem po startu je uzemnit v obou barvách piny pro LED reprezentující stěny. Současně zobrazíme kuličku a cíl. LED reprezentující stěnu bude zapsána v „Seznamu stěn“. Jakmile akcelerometr vrátí údaj o náklonu některým směrem, začne se počítat čas. Náklon mění souřadnice kuličky a současně vyhodnocuje, jestli změna nekoliduje se zablokovanou pozicí patřící stěně. Pokud dojde ke kolizi, „pohyb“ se neuskuteční. Po splynutí souřadnic kuličky se souřadnicemi cíle se časomíra zastaví a údaj se vypíše na matici.

Pro potřeby bludiště stačí, kromě základní knihovny, inicializovat akcelerometr a časovač:

#include "mbed.h"
 
//akcelerometr
#include "MMA8451Q.h"
#define MMA8451_I2C_ADDRESS (0x1d<<1)
MMA8451Q acc(PTE25, PTE24, MMA8451_I2C_ADDRESS);
 
//časovač
Timer t;

Pro přehlednost následujícího kódu ještě příklad inicializace výstupů.

DigitalOut GLED1(PTC0);    //zelená LED
DigitalOut RLED1(PTC8);    //červená LED
DigitalOut SB1(PTB0);      //jeden bit sloupce

Následuje funkce pro zjednodušení zadávání sloupce

int sl (int s){
    switch (s){
        case 0 : SB1 = 0; SB2 = 0; SB3 = 0; break;
        .
        .
        .
    }
}

a řádku pro pohyb kuličky. LED musí samozřejmě klasicky „blikat“, pro lidské oko neznatelně.

int ra (int r){
    switch (r){
        case 0 : RLED1 = 0; wait(0.001); RLED1 = 1; break;
        .
        .
        .
    }
}

Další funkce určuje svícení zadaných stěn.

int walls (){
    //jedna z LED reprezentujících stěnu
    sl(0); RLED2 = 0; GLED2 = 0; RLED4 = 0; GLED4 = 0; 
    wait(0.001); RLED2 = 1; GLED2 = 1; RLED4 = 1; GLED4 = 1;
    .
    .
    .
}

Podobně jsou definována čísla k časomíře. Funkce má dvě hodnoty, první a druhou číslici, které se budou zobrazovat vedle sebe.

int nr(int n1, int n2){
    switch (n1){
        //definice číslice 0 na první pozici
        case 0 : sl(6); GLED2 = 0; GLED3 = 0; GLED4 = 0; GLED5 = 0; GLED6 = 0; wait(0.001); GLED2 = 1; GLED3 = 1; GLED4 = 1; GLED5 = 1; GLED6 = 1;
                 sl(5); GLED2 = 0; GLED6 = 0; wait(0.001); GLED2 = 1; GLED6 = 1;
                 sl(4); GLED2 = 0; GLED3 = 0; GLED4 = 0; GLED5 = 0; GLED6 = 0; wait(0.001); GLED2 = 1; GLED3 = 1; GLED4 = 1; GLED5 = 1; GLED6 = 1;
                 break;
    .
    .
    .
}

Následuje hlavní funkce. Komentáře v kódu jsou dostatečně vypovídající.

int main() {
 
    //počáteční vypnutí všech LED
    RLED1 = 1; RLED2 = 1; ...
    GLED1 = 1; ...
 
    int i = 0;      //index pro řádky
    int j = 0;      //index pro sloupce
 
    //sloupce a řádky kuličky
    sl(i); ra(j);
 
    //začátek počítání času při náklonu sestavy
    if ((acc.getAccX() != 0) || (acc.getAccY() != 0)){ t.start();}
 
    //smyčka s bludištěm       
    while(1) {
 
        //načtení stěn
        walls();    
 
        //citlivost začátku pohybu kuličky
        if (((acc.getAccX() > -0.2) && (acc.getAccX() < 0.2)) || ((acc.getAccY() > -0.2) && (acc.getAccY() < 0.2))){
            wait(0.005);
            sl(i); ra(j);}
 
        //pohyb náklonem v ose +X (obdobně pro další osy
        if (acc.getAccX() > 0.2){
            wait(0.005); i++;
 
            //definice neprůchodnosti stěn
            if ((i == 4 && j == 0) || ((i == 0 || i == 1 || i == 3 || i == 6) && j == 1) || ((i == 3 || i == 5) && j == 2) || ((i == 0 || i == 2 || i == 5 || i == 7) && j == 3)){ i--;}
            if (((i == 2 || i == 4) && j == 4) || ((i == 1 || i == 4 || i == 5 || i == 6) && j == 5) || ((i == 3 || i == 4) && j == 6) || ((i == 1 || i == 4 || i == 6) && j == 7)){ i--;}
 
            //definice zastavení o okraje
            if (i > 6){ i = 7; }
            if (i < 1){ i = 0; }
 
            sl(i); ra(j);}
        .
        .
        .
 
        //konec smyčky když je kulička na souřadnicích cíle    
        if (i == 5 && j == 7){
            break;}   
    }
 
    //konec počítání času a zpracování
    t.stop();
 
    //načtení času do proměnné ke zpracování
    float time = t.read();
 
    //zaokrouhlení času na celé vteřiny
    int t = int (time + 0.5);
 
    //zjištění desítek a jednotek vteřin
    int td = t / 10;
    int tj = t % 10;
 
    //při čase delším než 100 vteřin vypíše 99
    if (td >= 10) {td = 9; tj = 9;}
 
    //smyčka zobrazení času
    while(1) {
        nr(td, tj);}
}

Video ukazuje dvě hry od zapojení USB po dosažení cíle.

Záznamové zařízení zobrazuje malé blikání, které ovšem pouhým okem vidět není. Míra osvětlení je kompromisem mezi viditelností zařízení a výrazností LED, proto je na první pohled zelený cíl od oranžového bludiště hůře odlišitelný. V reálu je rozlišitelnost dobrá, jak ukazují obrázky níže.

Zadání projektu bylo splněno v plném rozsahu. Po zapojení do USB se objeví bludiště s kuličkou, která se nakláněním bludiště pohybuje mezi jeho stěnami. Počínaje prvním náklonem začíná běžet čas. Po dosažení cíle se objeví výsledný čas, který hráč k dosažení cíle potřeboval. Stiskem tlačítka Reset se opět objeví bludiště, kulička a čas čekají na náklon a hra začíná znovu.

Je škoda, že displej je moc malý na to, aby se dal čas zobrazit v pochopitelnějším formátu. Pro dobrou čitelnost čísel nezbývá místo ani na jednotku času, ani na dvojtečku před číslem, která by mohla indikovat na první pohled, co ono číslo zobrazuje.

Z hlediska softwaru by ještě šlo zapracovat na jednodušší implementaci stěn, například podle souřadnic, což by usnadnilo tvorbu dalších map.

Vzhledem k formě hardwaru je třeba držet bludiště za hranu převodníku, neboť dotykem pinů na jakékoli z desek může dojít ke zkratu a i poškození desky. I to může být důvod, proč se realizace podařila až na druhé vývojové desce.