Дополнительные педали своими руками

Педаль в пол: создаём очередной ножной манипулятор для ПК

Буквально месяц назад я натолкнулся на эту статью, где повествуется о педалировании Vim. Чуть позже, после своего длительного трёхминутного исследования, я выяснил, что что тема эта уже не новая и довольно популярная. Сам я Vim использую только в случае крайней необходимости (если уж и приходится работать в консоли, то предпочитаю Nano), но ведь можно сделать подобное и под другие приложения.

Изначально я хотел сделать небольшую статейку, однако у меня получился целый туториал по созданию данного девайса с пошаговым написанием кода и пояснением что да как. Дабы не раздувать статью, под спойлерами будет различная информация, которая показалась мне интересной и достойной внимания новичков в Arduino, продвинутые и особо торопливые же пользователи могут не тратить на то время. Полный исходный код также представлен в конце статьи.

А зачем оно мне?

Если у вас нет сомнений в необходимости и полезности этого устройства, то можете пропустить этот пункт. Для остальных сначала хотелось бы рассказать о предпосылках создания данного устройства.

Во все времена программисты и дизайнеры старались сделать удобный и дружественный интерфейс, чтобы пользователь мог без лишних заморочек работать с приложением используя мышь и клавиатуру, так зачем же нам ещё один манипулятор? Что же, заглянем немного в историю, а точнее, в начало XVIII века, когда был изобретён такой музыкальный инструмент, как фортепиано. Как известно, это слово буквально переводится как «громко-тихо», но мало кто задумывается, что такой инструмент умный итальянский мастер получил, фактически «запедалировав» существовавший тогда клавесин, что и позволило в какой-то степени управлять громкостью звука, при этом не отнимая руки от клавиш.

Примеров можно приводить много. Педали есть у автомобиля, чтобы не бросать руль, если надо добавить газ. Барабанная установка тоже имеет педали, чтобы стучать в бас-бочку и тарелки. А что могут дать педали при использовании компьютера? Ну, например, можно задать какую-нибудь горячую комбинацию клавиш, или вообще добавить клавишу, которой нет, вроде включения и выключения звука. Педали могут помочь, если заняты руки: сам я играю на гитаре, при этом иногда под аккомпанемент, я было бы очень удобно проматывать подложку, не пытаясь постоянно дотянуться до клавиатуры. Ну и, наконец, контроллеры могут давать и совершенно нечеловеческие возможности в играх: было бы круто одним кликом построить себе всю базу в стратегии или крушить врагов со скоростью десятка ударов в секунду в шутерах, не так ли?

В общем, надеюсь, я вас убедил, а значит, пора приступать непосредственно к самой разработке.

Необходимые ресурсы

Схема устройства

Ещё до того, как мне пришли посылки, я приступил к созданию схемы устройства. Хотя это сильно сказано, так как мне надо было всего лишь подключить педали, диод и кнопку. Получилось как-то так:

Для педалей я решил выделить сразу 4 порта PB1-PB4, то есть две для левой, и две для правой ноги, хотя пока педали у меня только 3. К тому же, они все находятся в одной группе и расположены в одном месте. Под светодиод я отвёл выводы PD0, PD1 и PD4, под кнопку — PD7.
При этом нам не понадобятся никакие подтягивающие резисторы, если использовать те, что встроены в контроллер. Правда, тогда, при нажатии кнопки или педали, на входе будет низкий уровень, а при отпускании — высокий, то есть, нажатия будут инвертироваться, и об этом не стоит забывать.

Написание кода

Этот этап был самым трудным: из-за пары ошибок в указателях я несколько раз стёр загрузчик и в итоге чуть не завалил плату на программном уровне. Ниже подробно расписаны все этапы создания прошивки, для тех же, кто просто хочет получить работающий код, он будет в конце статьи.

Подготовка

Для начала нам нужно понять, что вообще такое педаль с точки зрения программы. Я решил сделать возможность задания педали одного из двух режимов — реального времени и триггера. Каждая педаль при этом имеет две программы: первая выполняется при удержании педали в режиме реального времени или при нечётных нажатиях в режиме триггера, вторая — при отпускании педали в режиме реального времени или при чётных нажатиях в режиме триггера. Так же у педали есть порт, состояние, и две переменные — текущие позиции в программах 1 и 2. У меня получилась вот такая структура:

Arduino имеет довольно мало памяти и к тому же 8-разрядная, так что лучше стараться использовать char нежели int там, где это возможно.

Так же нам понадобится стандартная библиотека Keyboard для работы в качестве клавиатуры.

Обработка нажатий

Сейчас нам нужно сделать интерпретатор, который будет читать данные из массива и отправлять их в виде нажатий клавиш на машину, а так же выделить несколько значений под различные внутренние команды. Открываем страницу с кодами клавиш, и смотрим что и как мы можем нажать. Я не стал глубоко копать и изучать всякие стандарты клавиатур, так как информации здесь мне показалось вполне достаточно для такого проекта. Первая половина отведена под стандартные ASCII-символы (хотя некоторые из них и непечатаемы или не используются), вторая же — под различные клавиши-модификаторы. Есть даже отдельные коды для левых и правых клавиш, что очень порадовало, а вот специальных кодов для цифр с нампада я не увидел, хотя, насколько я знаю, они немного по-особому воспринимаются в системе, нежели обычные цифры. Возможно, их коды находятся где-то в «дырах», между диапазонами, но сейчас не об этом. Итак, самый большой код имеет клавиша «вверх» — 218, а значит, диапазон 219-255 можно считать свободным, ну или по крайней мере там нет каких-то важных клавиш.

Думаю, даже у человека с не самым высоким уровнем знания Си не возникнет вопросов о том, что тут происходит. Сначала функция выбирает нужную педаль и определяет в зависимости от режима и состояния педали, какую программу стоит выполнять. При чтении каждого элемента массива, если он не является управляющим символом, вызывается функция Keyboard.write(), которая эмулирует нажатие и отпускание клавиши. Управляющие же символы обрабатывются отдельно и нужны для зажатия комбинаций клавиш и навигации по программе.

Итак, у нас есть интерпретатор и примерное понимание того, как наш педалборд взаимодействует с компьютером. Теперь надо всё это довести до состояния полноценной прошивки и проверить работоспособность на одной педали. Если создать экземпляр педали и циклично вызывать pedalAction(), то по идее у нас будет выполняться заданная в структуре программа.

Кстати, никогда не забывайте про нуль-терминаторы в данных «программах», если их длина меньше размера массива и если они не цикличны, потому что Arduino будет не только пытаться интерпретировать не заданные данные, но и будет отправлять их в машину с огромной скоростью, а это всё равно, что дать клавиатуру обезьяне.

Одна педаль хорошо, а две — лучше

Теперь пришло время разобраться с обработкой сигналов с нескольких педалей, а также добавить переключение режимов. В начале статьи было выделено 4 порта под педали, каждой из которых надо позволить работать в семи режимах. Почему 7? Потому что без использования ШИМ наш светодиод может давать всего 7 цветов, и восьмой — выключенный. Такого количества вполне хватит обычному пользователю, ну а в крайнем случае его легко можно увеличить. Значит педали будем хранить двумерном в массиве 7 х 4. Чтобы не засорять память, общие для нескольких структур значения, такие, как номер порта можно вынести в отдельные массивы. В итоге мы получаем что-то такое:

Для нас важно знать только тип педали и две программы, поэтому только их мы оставим непосредственно в структуре, остальными же вещами пусть занимается автоматика. Методы prepare и loop теперь будет выглядеть следующим образом:

Контроллер буде считать режим неиспользуемым, если в нём не объявлено ни одной педали (mode=255), а значит при попадании на него сразу перейдёт к следующему, но при этом первый режим всегда будет существовать. При переключении режима все значения в массивах зануляются, так как сохранять их для каждого режима нам не требуется (верно?), а затем цикл обходит все педали и вызывает pedalAction для них.

Также в начале метода pedalAction() нужно добавить следующую строчку, чтобы он понимал, с какой из структур надо иметь дело:

Уже существующую структуру pedal1 можно удалить за ненадобностью.

Всё это так же вполне работает, однако я столкнулся с одной проблемой: некоторые программы не успевают принимать нажатия с такой скоростью, с которой их отправляет Arduino. Самое очевидное решение — добавить возможность устанавливать задержки между действиями там, где это необходимо. Вот только когда мы садимся писать программы под микроконтроллеры, все фишки, вроде аппаратной многопоточности, остались где-то там, в высокоуровневых ЭВМ, у нас же при добавлении задержки останавливается вся программа, пока контроллер не отсчитает нужное количество циклов. Раз многопоточности у нас нет, то придётся её создать.

Тяжело сказать, да легко сделать

Я не стал изобретать велосипед, а взял готовую библиотеку ArduinoThread. Здесь можно немного почитать о том как она работает и скачать её. Загрузить библиотеку можно и из самой Arduino IDE. Кратко говоря, она позволяет периодически выполнять функцию с определённым интервалом, при этом не позволяя уйти в бесконечный цикл в случае, если выполнение займёт больше времени, чем интервал. То, что нужно. Создадим ещё один массив с потоками для каждой педали:

Теперь у нас есть 6 одинаковых виртуальных потоков, но при этом являющихся разными объектами.

Немного перепишем цикл обхода педалей для работы с новым функционалом:

Теперь значение 252 в массиве программы, которое соответствует «ничегонеделанию», будет давать задержку в 10 миллисекунд (хотя на самом деле чуть больше, так как выполнение кода тоже занимает время). Добавив несколько строк в интерпретатор, получится сделать возможным установку задержки в несколько таких «квантов», потратив всего 2 байта массива:

Теперь, при возможности установки задержки до 2.55 секунд проблем с определением клавиш программами возникать не должно.

Программирование «на ходу»

В принципе, тут можно было бы закончить с кодом и приступить к сборке устройства, но в этом случае, если кто-то вдруг захочет перепрограммировать педали, то ему придётся открывать Arduino IDE, править код, и заново загружать прошивку. Естественно, такой вариант не самый лучший, поэтому я решил добавить возможность менять программу с последовательного порта Arduino, а сами программы хранить в EEPROM. Для работы с энергонезависимой памятью необходимо подключить стандартную библиотеку EEPROM.h. Код режима программирования выглядит следующим образом:

Что делает этот код поясняет содержащаяся в нём справка: через пробел вводится номер режима, номер педали, и команда, которых существует 3 — чтение, запись и выполнение удаление программы. Все данные о педалях хранятся друг за другом в виде последовательности из 33-х байт, то есть тип педали, и две программы, и того мы занимаем 7*4*33=924 из 1024 байт EEPROM. Вариант использования динамического размера педалей в памяти я отбросил, так как в этом случае при перепрограммировании одной педали придётся перезаписать почти все ячейки, а циклов перезаписи эта память имеет конечное количество, поэтому рекомендуют делать это как можно реже.

Ещё хотелось бы обратить внимание на строки вида:

Благодаря данной библиотеке, с точки зрения программиста, энергонезависимая память является обычным массивом char, но, как «ардуинщикам», нам нужно понимать, что запись в ПЗУ — очень тяжёлая операция, которая занимает у контроллера целых

3 секунды, и желательно не прерывать этот процесс. Данная конструкция заставляет диод светить красным во время таких операций, а затем возвращает обратно «безопасный» зелёный цвет.

В режиме записи программы ввод производится непосредственно значениями байтов в десятичной системе счисления через пробел. Получается довольно сурово, но зато не приходится писать сложный парсер. Тем более, перепрограммирование происходит не так часто, и в этих случаях вполне можно заглянуть в ASCII таблицу.

С сохранением структур разобрались, теперь надо наши данные как-то оттуда вытащить и преобразовать к «педальному» виду:

Здесь так же не происходит ничего сверхъестественного: контроллер считывает данные из памяти и заполняет ими уже существующие структуры.

Преимущество программирования через UART заключается в том, что нам опять же не требуется никаких специальных драйверов, поэтому задавать поведение манипулятора можно даже с телефона.

Источник

Педаль в пол: создаём очередной ножной манипулятор для ПК

Буквально месяц назад я натолкнулся на эту статью, где повествуется о педалировании Vim. Чуть позже, после своего длительного трёхминутного исследования, я выяснил, что что тема эта уже не новая и довольно популярная. Сам я Vim использую только в случае крайней необходимости (если уж и приходится работать в консоли, то предпочитаю Nano), но ведь можно сделать подобное и под другие приложения.

Изначально я хотел сделать небольшую статейку, однако у меня получился целый туториал по созданию данного девайса с пошаговым написанием кода и пояснением что да как. Дабы не раздувать статью, под спойлерами будет различная информация, которая показалась мне интересной и достойной внимания новичков в Arduino, продвинутые и особо торопливые же пользователи могут не тратить на то время. Полный исходный код также представлен в конце статьи.

А зачем оно мне?

Если у вас нет сомнений в необходимости и полезности этого устройства, то можете пропустить этот пункт. Для остальных сначала хотелось бы рассказать о предпосылках создания данного устройства.

Во все времена программисты и дизайнеры старались сделать удобный и дружественный интерфейс, чтобы пользователь мог без лишних заморочек работать с приложением используя мышь и клавиатуру, так зачем же нам ещё один манипулятор? Что же, заглянем немного в историю, а точнее, в начало XVIII века, когда был изобретён такой музыкальный инструмент, как фортепиано. Как известно, это слово буквально переводится как «громко-тихо», но мало кто задумывается, что такой инструмент умный итальянский мастер получил, фактически «запедалировав» существовавший тогда клавесин, что и позволило в какой-то степени управлять громкостью звука, при этом не отнимая руки от клавиш.

Примеров можно приводить много. Педали есть у автомобиля, чтобы не бросать руль, если надо добавить газ. Барабанная установка тоже имеет педали, чтобы стучать в бас-бочку и тарелки. А что могут дать педали при использовании компьютера? Ну, например, можно задать какую-нибудь горячую комбинацию клавиш, или вообще добавить клавишу, которой нет, вроде включения и выключения звука. Педали могут помочь, если заняты руки: сам я играю на гитаре, при этом иногда под аккомпанемент, я было бы очень удобно проматывать подложку, не пытаясь постоянно дотянуться до клавиатуры. Ну и, наконец, контроллеры могут давать и совершенно нечеловеческие возможности в играх: было бы круто одним кликом построить себе всю базу в стратегии или крушить врагов со скоростью десятка ударов в секунду в шутерах, не так ли?

В общем, надеюсь, я вас убедил, а значит, пора приступать непосредственно к самой разработке.

Необходимые ресурсы

Схема устройства

Ещё до того, как мне пришли посылки, я приступил к созданию схемы устройства. Хотя это сильно сказано, так как мне надо было всего лишь подключить педали, диод и кнопку. Получилось как-то так:

Для педалей я решил выделить сразу 4 порта PB1-PB4, то есть две для левой, и две для правой ноги, хотя пока педали у меня только 3. К тому же, они все находятся в одной группе и расположены в одном месте. Под светодиод я отвёл выводы PD0, PD1 и PD4, под кнопку — PD7.
При этом нам не понадобятся никакие подтягивающие резисторы, если использовать те, что встроены в контроллер. Правда, тогда, при нажатии кнопки или педали, на входе будет низкий уровень, а при отпускании — высокий, то есть, нажатия будут инвертироваться, и об этом не стоит забывать.

Написание кода

Этот этап был самым трудным: из-за пары ошибок в указателях я несколько раз стёр загрузчик и в итоге чуть не завалил плату на программном уровне. Ниже подробно расписаны все этапы создания прошивки, для тех же, кто просто хочет получить работающий код, он будет в конце статьи.

Подготовка

Для начала нам нужно понять, что вообще такое педаль с точки зрения программы. Я решил сделать возможность задания педали одного из двух режимов — реального времени и триггера. Каждая педаль при этом имеет две программы: первая выполняется при удержании педали в режиме реального времени или при нечётных нажатиях в режиме триггера, вторая — при отпускании педали в режиме реального времени или при чётных нажатиях в режиме триггера. Так же у педали есть порт, состояние, и две переменные — текущие позиции в программах 1 и 2. У меня получилась вот такая структура:

Arduino имеет довольно мало памяти и к тому же 8-разрядная, так что лучше стараться использовать char нежели int там, где это возможно.

Так же нам понадобится стандартная библиотека Keyboard для работы в качестве клавиатуры.

Обработка нажатий

Сейчас нам нужно сделать интерпретатор, который будет читать данные из массива и отправлять их в виде нажатий клавиш на машину, а так же выделить несколько значений под различные внутренние команды. Открываем страницу с кодами клавиш, и смотрим что и как мы можем нажать. Я не стал глубоко копать и изучать всякие стандарты клавиатур, так как информации здесь мне показалось вполне достаточно для такого проекта. Первая половина отведена под стандартные ASCII-символы (хотя некоторые из них и непечатаемы или не используются), вторая же — под различные клавиши-модификаторы. Есть даже отдельные коды для левых и правых клавиш, что очень порадовало, а вот специальных кодов для цифр с нампада я не увидел, хотя, насколько я знаю, они немного по-особому воспринимаются в системе, нежели обычные цифры. Возможно, их коды находятся где-то в «дырах», между диапазонами, но сейчас не об этом. Итак, самый большой код имеет клавиша «вверх» — 218, а значит, диапазон 219-255 можно считать свободным, ну или по крайней мере там нет каких-то важных клавиш.

Думаю, даже у человека с не самым высоким уровнем знания Си не возникнет вопросов о том, что тут происходит. Сначала функция выбирает нужную педаль и определяет в зависимости от режима и состояния педали, какую программу стоит выполнять. При чтении каждого элемента массива, если он не является управляющим символом, вызывается функция Keyboard.write(), которая эмулирует нажатие и отпускание клавиши. Управляющие же символы обрабатывются отдельно и нужны для зажатия комбинаций клавиш и навигации по программе.

Итак, у нас есть интерпретатор и примерное понимание того, как наш педалборд взаимодействует с компьютером. Теперь надо всё это довести до состояния полноценной прошивки и проверить работоспособность на одной педали. Если создать экземпляр педали и циклично вызывать pedalAction(), то по идее у нас будет выполняться заданная в структуре программа.

Кстати, никогда не забывайте про нуль-терминаторы в данных «программах», если их длина меньше размера массива и если они не цикличны, потому что Arduino будет не только пытаться интерпретировать не заданные данные, но и будет отправлять их в машину с огромной скоростью, а это всё равно, что дать клавиатуру обезьяне.

Одна педаль хорошо, а две — лучше

Теперь пришло время разобраться с обработкой сигналов с нескольких педалей, а также добавить переключение режимов. В начале статьи было выделено 4 порта под педали, каждой из которых надо позволить работать в семи режимах. Почему 7? Потому что без использования ШИМ наш светодиод может давать всего 7 цветов, и восьмой — выключенный. Такого количества вполне хватит обычному пользователю, ну а в крайнем случае его легко можно увеличить. Значит педали будем хранить двумерном в массиве 7 х 4. Чтобы не засорять память, общие для нескольких структур значения, такие, как номер порта можно вынести в отдельные массивы. В итоге мы получаем что-то такое:

Для нас важно знать только тип педали и две программы, поэтому только их мы оставим непосредственно в структуре, остальными же вещами пусть занимается автоматика. Методы prepare и loop теперь будет выглядеть следующим образом:

Контроллер буде считать режим неиспользуемым, если в нём не объявлено ни одной педали (mode=255), а значит при попадании на него сразу перейдёт к следующему, но при этом первый режим всегда будет существовать. При переключении режима все значения в массивах зануляются, так как сохранять их для каждого режима нам не требуется (верно?), а затем цикл обходит все педали и вызывает pedalAction для них.

Также в начале метода pedalAction() нужно добавить следующую строчку, чтобы он понимал, с какой из структур надо иметь дело:

Уже существующую структуру pedal1 можно удалить за ненадобностью.

Всё это так же вполне работает, однако я столкнулся с одной проблемой: некоторые программы не успевают принимать нажатия с такой скоростью, с которой их отправляет Arduino. Самое очевидное решение — добавить возможность устанавливать задержки между действиями там, где это необходимо. Вот только когда мы садимся писать программы под микроконтроллеры, все фишки, вроде аппаратной многопоточности, остались где-то там, в высокоуровневых ЭВМ, у нас же при добавлении задержки останавливается вся программа, пока контроллер не отсчитает нужное количество циклов. Раз многопоточности у нас нет, то придётся её создать.

Тяжело сказать, да легко сделать

Я не стал изобретать велосипед, а взял готовую библиотеку ArduinoThread. Здесь можно немного почитать о том как она работает и скачать её. Загрузить библиотеку можно и из самой Arduino IDE. Кратко говоря, она позволяет периодически выполнять функцию с определённым интервалом, при этом не позволяя уйти в бесконечный цикл в случае, если выполнение займёт больше времени, чем интервал. То, что нужно. Создадим ещё один массив с потоками для каждой педали:

Теперь у нас есть 6 одинаковых виртуальных потоков, но при этом являющихся разными объектами.

Немного перепишем цикл обхода педалей для работы с новым функционалом:

Теперь значение 252 в массиве программы, которое соответствует «ничегонеделанию», будет давать задержку в 10 миллисекунд (хотя на самом деле чуть больше, так как выполнение кода тоже занимает время). Добавив несколько строк в интерпретатор, получится сделать возможным установку задержки в несколько таких «квантов», потратив всего 2 байта массива:

Теперь, при возможности установки задержки до 2.55 секунд проблем с определением клавиш программами возникать не должно.

Программирование «на ходу»

В принципе, тут можно было бы закончить с кодом и приступить к сборке устройства, но в этом случае, если кто-то вдруг захочет перепрограммировать педали, то ему придётся открывать Arduino IDE, править код, и заново загружать прошивку. Естественно, такой вариант не самый лучший, поэтому я решил добавить возможность менять программу с последовательного порта Arduino, а сами программы хранить в EEPROM. Для работы с энергонезависимой памятью необходимо подключить стандартную библиотеку EEPROM.h. Код режима программирования выглядит следующим образом:

Что делает этот код поясняет содержащаяся в нём справка: через пробел вводится номер режима, номер педали, и команда, которых существует 3 — чтение, запись и выполнение удаление программы. Все данные о педалях хранятся друг за другом в виде последовательности из 33-х байт, то есть тип педали, и две программы, и того мы занимаем 7*4*33=924 из 1024 байт EEPROM. Вариант использования динамического размера педалей в памяти я отбросил, так как в этом случае при перепрограммировании одной педали придётся перезаписать почти все ячейки, а циклов перезаписи эта память имеет конечное количество, поэтому рекомендуют делать это как можно реже.

Ещё хотелось бы обратить внимание на строки вида:

Благодаря данной библиотеке, с точки зрения программиста, энергонезависимая память является обычным массивом char, но, как «ардуинщикам», нам нужно понимать, что запись в ПЗУ — очень тяжёлая операция, которая занимает у контроллера целых

3 секунды, и желательно не прерывать этот процесс. Данная конструкция заставляет диод светить красным во время таких операций, а затем возвращает обратно «безопасный» зелёный цвет.

В режиме записи программы ввод производится непосредственно значениями байтов в десятичной системе счисления через пробел. Получается довольно сурово, но зато не приходится писать сложный парсер. Тем более, перепрограммирование происходит не так часто, и в этих случаях вполне можно заглянуть в ASCII таблицу.

С сохранением структур разобрались, теперь надо наши данные как-то оттуда вытащить и преобразовать к «педальному» виду:

Здесь так же не происходит ничего сверхъестественного: контроллер считывает данные из памяти и заполняет ими уже существующие структуры.

Преимущество программирования через UART заключается в том, что нам опять же не требуется никаких специальных драйверов, поэтому задавать поведение манипулятора можно даже с телефона.

Источник