Регистры сдвига или сдвиговые регистры (англ. shift register) представляют собой, как уже отмечалось, последовательно соединенную цепочку триггеров. Основной режим их работы - это сдвиг разрядов кода, записанного в эти триггеры, То есть по тактовому сигналу содержимое каждого предыдущего триггера переписывается в следующий по порядку в цепочке триггер. Код, хранящийся в регистре, с каждым тактом сдвигается на один разряд в сторону старших разрядов или в сторону младших разрядов, что и дало название регистрам данного типа.
В связи с названием направления сдвига в сдвиговых регистрах часто возникает путаница. Сдвиг бывает двух видов: вправо (основной режим, который есть у всех сдвиговых регистров) и влево (этот режим есть только у некоторых, реверсивных сдвиговых регистров). Названия эти отражают внутреннюю структуру регистров сдвига (рис. 8.14 ) и перезапись сигналов последовательно по цепочке триггеров. При этом триггеры, вполне естественно, нумеруются слева направо, например, от 0 до 7 (или от 1 до 8) для 8-разрядных регистров. В результате сдвиг информации регистром вправо представляет собой сдвиг в сторону разрядов, имеющих большие номера, а сдвиг информации регистром влево - это сдвиг в сторону разрядов, имеющих меньшие номера.
Однако, как известно, в любом двоичном числе слева расположены старшие разряды, а справа - младшие разряды. Поэтому сдвиг двоичного числа вправо будет сдвигом в сторону младших разрядов, а сдвиг влево - сдвигом в сторону старших разрядов. Это противоречие, не чей-то злой умысел, просто так исторически сложилось, и об этом надо помнить разработчику цифровой аппаратуры.
Рис. 8.14. Направление сдвига в сдвиговых регистрах
В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов сдвиговых регистров, отличающихся возможными режимами работы, режимами записи, чтения и сдвига, а также типом выходных каскадов (2С или 3С). Большинство регистров сдвига имеет восемь разрядов. На рис. 8.15 представлены для примера четыре типа микросхем регистров сдвига.
Регистр ИР8 - наиболее простой из регистров сдвига. Он представляет собой 8-разрядную линию задержки, то есть имеет только один информационный вход, на который подается последовательная сдвигаемая информация (точнее, два входа, объединенных по функции 2И), и восемь параллельных выходов. Сдвиг в сторону выходов со старшими номерами осуществляется по переднему фронту тактового сигнала С. Имеется также вход сброса –R, по нулевому сигналу на котором все выходы регистра сбрасываются в нуль.
Рис. 8.15. Сдвиговые регистры
Регистр ИР9 выполняет функцию, обратную регистру ИР8. Если ИР8 преобразует входную последовательную информацию в выходную параллельную, то регистр ИР9 преобразует входную параллельную информацию в выходную последовательную. Однако суть сдвига не меняется, просто в ИР9 все внутренние триггеры имеют выведенные параллельные входы, и только один, последний триггер имеет выход (причем как прямой, так и инверсный). Запись входного кода в регистр производится по нулевому сигналу на входе -WR. Сдвиг осуществляется по положительному фронту на одном из двух тактовых входов С1 и С2, объединенных по функции 2ИЛИ. Имеется также вход расширения DR, сигнал с которого в режиме сдвига перезаписывается в младший разряд сдвигового регистра.
Рис. 8.16. Соединение регистров ИР8 для увеличения разрядности
Как и все остальные сдвиговые регистры, ИР8 и ИР9 допускают каскадирование, то есть совместное включение для увеличения разрядности.
Регистр ИР13 соединяет в себе возможности регистров ИР8 и ИР9. Он имеет как восемь входов для параллельной записи, так и соответствующие им восемь выходов параллельной информации. Сдвиг осуществляется по положительному фронту тактового сигнала С, причем сдвиг возможен как в сторону старших разрядов (вправо), так и в сторону младших разрядов (влево).
Регистр ИР24 обеспечивает сдвиг информации в обоих направлениях. Имеются входы расширения DR и DL, а также выходы расширения Q0 и Q7, что позволяет легко наращивать разрядность.
Главное применение всех регистров сдвига состоит в преобразовании параллельного кода в последовательный, и наоборот. Такое преобразование используется, например, при передаче информации на большие расстояния (в информационных сетях), при записи информации на магнитные носители, при работе с телевизионными мониторами и с видеокамерами, а также во многих других случаях.
Для примера на рис. 8.19 показана простейшая схема передачи цифровой информации в последовательном коде по двум линиям: информационной и синхронизующей. Такая передача позволяет сократить количество соединительных проводов, а также упростить защиту передаваемых данных от действия внешних электромагнитных помех, правда, ценой снижения скорости передачи.
Рис. 8.19. Последовательная передача информации с помощью регистров сдвига
На передающем конце (слева на рисунке) с помощью сдвигового регистра ИР9 входной параллельный 8-разрядный код преобразуется в последовательность разрядов данных, следующих с частотой тактового сигнала. На приемном конце (справа на рисунке) с помощью сдвигового регистра ИР8 эта последовательность разрядов данных снова преобразуется в параллельный код. Оба регистра тактируются одним и тем же тактовым сигналом, который передается по линии связи параллельно с последовательностью данных. Для увеличения надежности передачи информационный сигнал дополнительно задерживается относительно фронта тактового сигнала с помощью цепочки из двух инверторов.
Первый бит последовательного входа (со входа 7 регистра ИР9) начинает передаваться с началом сигнала записи -Зап. Следующие разряды передаются с каждым следующим положительным фронтом тактового сигнала С. Последним передается сигнал со входа 0. В регистр ИР8 разряды последовательного кода записываются в том же самом порядке, в каком они были в регистре ИР9. По окончании передачи первый переданный сигнал данных окажется в разряде 7 шины данных регистра ИР8, а последний переданный сигнал данных - в разряде 0.
Следующее применение сдвиговых регистров состоит в организации всевозможных линий задержек, особенно имеющих значительное количество каскадов. С помощью сдвиговых регистров можно обеспечить задержку любого входного сигнала на целое число тактов. Правда, надо учитывать, что длительность входного сигнала (и любого его элемента) будет также передаваться по линии задержки с точностью до одного такта. Такие линии задержки могут применяться для сравнения нескольких последующих тактов входного сигнала, для выполнения арифметических операций с несколькими тактами входного сигнала и для других подобных целей. Работа линии задержки на регистре сдвига иллюстрируется рис. 8.20 .
Рис. 8.20. Линия задержки входного сигнала на регистре сдвига
Сдвиговые регистры могут также использоваться для формирования импульсов заданной длительности, причем длительность импульса может задаваться управляющим кодом, то есть быть программно управляемой. На рис. 8.21 приведена возможная схема такого формирователя.
Рис. 8.21. Формирователь импульсов с длительностью, задаваемой управляющим кодом
В исходном состоянии (до прихода положительного фронта входного сигнала) триггер сброшен в нуль, на всех выходах регистра сдвига - нули, на инверсном выходе мультиплексора - единица. На мультиплексор подан управляющий код, определяющий длительность выходного сигнала. При поступлении положительного фронта входного сигнала триггер перебрасывается в единицу (начинается выходной сигнал), и этот единичный сигнал начинает последовательно сдвигаться регистром сдвига по каждому фронту тактового сигнала.
Пусть управляющий код равен 5. Тогда в тот момент, когда на выходе 5 сдвигового регистра появится единица, она будет передана на выход мультиплексора КП7 с инверсией. При этом нулевой сигнал на входе –R триггера сбросит триггер в нуль, то есть выходной сигнал закончится.
Таким образом, длительность выходного сигнала будет определяться управляющим кодом. Погрешность установки этой длительности равна одному периоду тактового сигнала и зависит от временного сдвига между фронтом входного сигнала и фронтом ближайшего к нему тактового импульса. Чем больше длительность выходного сигнала, тем меньше относительная погрешность установки его точности. Например, при управляющем коде 0 длительность выходного сигнала может быть от 0 до Т, где Т - период тактового сигнала. А при управляющем коде 7 длительность выходного сигнала будет от 7Т до 8Т. При этом мы не учитываем задержек триггера, сдвигового регистра и мультиплексора.
Сдвиговые регистры могут также использоваться для умножения и деления двоичных чисел на 2 n , где n - целое число, большее нуля. Сдвиг двоичного числа вправо (в сторону младших разрядов) на один разряд равносилен делению на 2. Сдвиг двоичного числа влево (в сторону старших разрядов) на один разряд равносилен умножению на 2. Для того чтобы сдвиговый регистр умножал и делил двоичный код, надо всего лишь записать этот код в регистр и сдвинуть его нужное количество раз вправо или влево. Наиболее удобен для этого регистр ИР13. При этом необходимо, чтобы в освободившиеся разряды вдвигались нули, то есть на входы расширения DR и DL регистра надо подать нулевые сигналы.
Наконец, последнее применение сдвигового регистра, которое мы рассмотрим, - это генератор случайной последовательности сигналов или случайной последовательности кодов. Строго говоря, последовательности будут не полностью случайные, а квазислучайные, то есть будут периодически повторяться, но период этот довольно большой. Случайные последовательности сигналов и кодов широко применяются в тестирующей аппаратуре, в генераторах шума, в логических игровых устройствах.
Задача состоит в том, чтобы выходной сигнал или код менял свое состояние случайно (или почти случайно). Сигнал должен случайно переключаться из 0 в 1 и из 1 в 0, а код должен случайно принимать значения из диапазона от 0 до (2 N–1), где N - число разрядов кода (например, от 0 до 255 при 8-разрядном коде). Псевдослучайные последовательности имеют то преимущество перед истинно случайными, что они - предсказуемые и периодические, но в этом же и их недостаток.
Структура генератора квазислучайной последовательности на сдвиговом регистре очень проста (рис. 8.22 ). Она представляет собой регистр сдвига с параллельными выходами (например, ИР8), несколько (минимум два) выходных сигналов которого объединены с помощью элемента Исключающее ИЛИ, с выхода которого сигнал подается на вход регистра, замыкая схему в кольцо. Схема тактируется сигналом с частотой f T .
Рис. 8.22. Структура генератора псевдослучайной последовательности
Выбор номеров разрядов для подключения обратной связи представляет собой непростую задачу, но существуют справочные таблицы, в которых они приведены. В любом случае одна из точек подключения - выход старшего разряда.
Выгоднее брать число разрядов не кратное 8, например, 7, 15 или 31. В этом случае для обратной связи используются всего лишь два выхода, то есть достаточно одного двухвходового элемента Исключающее ИЛИ.
Период выходной последовательности генератора составляет (2 N -1) тактов, где N - количество разрядов регистра сдвига. За это время каждое из возможных значений выходного кода (кроме одного) встречается один раз. Количество единиц в выходном сигнале больше количества нулей на единицу.
Выходной код 000…0 представляет собой запрещенное состояние, так как он блокирует работу генератора, воспроизводя сам себя снова и снова. Но в то же время получиться такой нулевой код может только сам из себя, поэтому достаточно обеспечить, чтобы его не было при включении питания схемы.
Частоты в спектре выходного сигнала будут следовать с интервалом (f T /2 N –1), а огибающая спектра будет практически постоянной до частоты 0,25f T , то есть шум до этой частоты можно считать белым (спад в 3 дБ происходит на частоте 0,45 f T).
Такой генератор использовала известная фирма Hewlett–Packard в своем генераторе шума.
Сдвиговый регистр - это набор последовательно соединённых триггеров (обычно их 8 штук). В отличии от стандартных регистров, сдвиговые поддерживают функцию сдвига вправо и влево. (т. е. переписывание данных с каждого предыдущего триггера на следующий по счёту).
Функционал и назначение у сдвиговых регистров довольно велик. Сегодня мы познакомим одного из них с Arduino (Отличный способ множить выходы у Arduino: занимаем 3, получаем 8).
Наверное самая популярная микросхема, представляющая собой такой регистр - это 74HC595.
Работает на интерфейсе SPI: ноги DS, ST_CP, SH_CP - это шины управления. Соответственно: шина данных(MOSI), защёлка(SS) и тактовая линия(SCK). Подключаем на любые 3 контакта Arduino (библиотека SPI в коде не будет задействована). У меня это 12, 10, 13 выходы Arduino (стандарт).
Ноги Q0, Q1, ..., Q7 - это выходы регистра (разряды). Для того, чтобы следить за состоянием каждого из них, повесим на каждый вывод по светодиоду (с последовательно соединённым резистором. Номинал от 150 до 330 Ом)
VCC и GND - это питание. Подключаем к +5v и GND.
Выход Q7` не трогаем (предназначен для последовательного соединения таких регистров)
MR - это сброс. Подключаем к +5v (сброс не активен).
Ну и OE притягиваем к земле (подключаем к контакту GND).
Получается вот, такая схема:
На BreadBoard можно разместить вот, так:
Теперь к коду:
Как говорилось ранее, библиотека SPI использоваться не будет. Есть удобная функция shiftOut() .
для начала именуем наши пины (тактовая линия - clock, данные - data, защёлка - latch):
#define clock 13 #define data 12 #define latch 10
потом в void setup() обозначаем их как выходы и сразу ставим защёлке высокий уровень, чтобы регистр не принимал сигналов:
Void setup(){ pinMode(clock, OUTPUT); pinMode(data, OUTPUT); pinMode(latch, OUTPUT); digitalWrite(latch, HIGH); }
теперь давайте попробуем что-нибудь отправить на регистр:
Для начала ставим LOW на защёлку (начинаем передачу данных. Теперь регистр принимает сигналы с Arduino).
DigitalWrite(latch, LOW);
Потом отправляем данные (т. е. отправляем байт в цифровом или двоичном виде. В двоичном проще, т. к. каждый из 8 битов отвечает за свой разряд в регистре. Проще сориентироваться глазами):
Для начала отправим байт 0b10000000; (должен будет загореться первый светодиод):
ShiftOut(data, clock, LSBFIRST,0b10000000);
И в конце выставляем HIGH на защёлку (заканчиваем передавать данные).
DigitalWrite(latch, HIGH);
В итоге весь наш код:
#define clock 13 #define data 12 #define latch 10 void setup() { pinMode(clock, OUTPUT); pinMode(data, OUTPUT); pinMode(latch, OUTPUT); digitalWrite(latch, HIGH); } void loop() { digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, 0b10000000); digitalWrite(latch, HIGH); }
Теперь вгружаем в ардуину. Результат должен быть таким (зажёгся первый светодиод):
(если у вас зажёгся не первый, а последний светодиод, то в функции shiftOut поменяйте LSBFIRST на MSBFIRST и всё станет на свои места).
Итак, получилось! Предлагаю создать функцию для того, чтобы каждый раз не писать эти 3 СТРОЧКИ:
Я назову её: sendbyte;
Void sendbyte(byte value){ digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH); }
Эта функция отправляет регистру состояние всех разрядов сразу. Это пригодится для (например). Но, чтобы использовать регистр как расширитель портов, нужно управлять каждым разрядом по-отдельности (аналогично функции digitalWrite()):
Мы можем отправлять регистру только полный байты (8 бит - 0b00000000). Если отправить не 8, а 5 бит (например: 0b00000 000) , то регистр будет ждать недостающие 3 бита. Значит, что когда мы хотим изменить состояние одного разряда регистра (включить его, или выключить) мы должны, по сути, послать ранее отправленный байт, с изменением на один бит.
(P. S.: Сейчас долгое и нудное объяснение (новичкам), кому не интересно, спуститесь чуть ниже:);
Итак, сначала создаём, так называемую (мною), базу данных, в которой будет храниться состояние каждого разряда (включен(HIGH) или выключен(LOW)). тип: boolean :
Boolean states;
Каждая переменная в данном массиве обозначает свой разряд (в нулевой (по счёту) будет храниться состояние 1 разряда, второй - 3-го, и т. д.)
Теперь напишем функцию (я назову её: sendpin). Она будет принимать 2 значения: номер разряда, и уровень, который нам надо этому разряду приписать: высокий(HIGH) или низкий(LOW).
Void sendpin(int pin, boolean state){ pin--; states=state; byte value = 0; byte add = 1; for(int i=0; i<8; i++){ if(states[i]==HIGH) value+=add; add*=2; } digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH); }
Из-за того, что счёт начинается с нуля, нам придётся называть первый пин нулевым. Чтобы это исправить (мы будем писать как есть(первый, значит первый), а Arduino будет сама отбавлять один), Я написал:
Затем отмечаем изменения в базе данных:
States=state;
Теперь надо сформировать из 8 битов байт и отправить его на регистр.
Для начала создаём переменные:
value - тот байт, который будем отправлять. (по умолчанию его нужно сделать нулём):
Byte value = 0;
add - это переменная, которая будет хранить в себе байт текущего разряда. для первого разряда это байт 1 (0b10000000);
Byte add = 1;
теперь нам нужно прокрутить в базе данных все 8 переменных и сформировать байт (делать это будем с помощью цикла for() :
For(int i=0; i<8; i++){ }
Итак, каждый раз мы проверяем очередной разряд в базе данных. Если он должен иметь высокий уровень, то мы прибавляем к value add и переходим на следующий разряд в цепочке (как бы сдвигаемся на разряд выше (левее). Т. е., в двоичном коде всё просто: было так: 0b01000000; сдвинули единичку влево и получилось так: 0b10000000. А вот в цифровом виде всё по-другому. Сдвиг влево аналогичен умножению на 2 (а вправо, кстати, - делению на 2)). Получается примерно так:
If(states[i]==HIGH) value+=add; add*=2;
Теперь остаётся только послать value на регистр:
DigitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, value); digitalWrite(latch, HIGH);
В принципе, если понять, то всё очень просто.
Итак, давайте попробуем включить 2, 4, 6, и 8 разряды отдельно (4 раза напишем в цикле нашу функцию):
Sendpin(2, HIGH); sendpin(4, HIGH); sendpin(6, HIGH); sendpin(8, HIGH);
И кстати, в setup-e нужно очистить регистр (послать 0).
Можно даже такую функцию создать:
Void cleanreg(){ for(int i=0; i<8; i++) states[i]=LOW; digitalWrite(latch, LOW); shiftOut(data, clock, LSBFIRST, 0); digitalWrite(latch, HIGH); }
В общем результат таков:
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Плата Arduino | Arduino Uno | 1 |
Этот обзор посвящен, собственно, начинающим пользователям Arduino или желающим приобщиться к этому делу. Речь пойдёт об увеличении количества выходов микроконтроллера при помощи сдвигового регистра, причём что это не требует больших затрат (по сравнению с покупкой Arduino Mega, например). Самое простое применение - помигать светодиодами, вот и попробуем это на практике.
Когда начинал знакомство с микроконтроллерами (собственно и сейчас всё ещё продолжаю «начинать знакомиться»), один из первых вопросов был: как же имея всего десяток выходов на контроллере управлять той же сотней, тысячей светодиодов? Да, можно использовать мультиплексирование сигнала, встречное включение и множество других ухищрений, но всё равно максимальное количество подключаемых светодиодов ограничено, и необходимо искать другое решение. И подсказали мне один из вариантов - «возьми одну, две, десяток микросхем сдвиговых регистров и развлекайся». Было решено сразу же их заказать, а в перспективе даже собрать светодиодный куб с их применением. От последнего правда пришлось отказаться, нашёл более простой вариант, но это - тема другого обзора.
Заказал сразу 20 штук 74HC595N, благо стоят сущие копейки. Буква N в конце маркировки обозначает, что микросхема в корпусе DIP-16, очень удобно для экспериментов на макетной плате, ничего даже паять не надо. Выглядит вот так:
Что же собой представляет эта микросхема? Это восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом, последовательным или параллельным выводом информации, с триггером-защелкой и тремя состояниями на выходе.
Проще говоря, используя всего 3 выхода контроллера можно управлять 8 выходами сдвигового регистра. А если микросхемы соединить последовательно друг за другом, то количество контролируемых выходов можно наращивать до любого разумного предела (не нашёл предельного количества, но сотнями вроде как объединяются без проблем; если кто знает, от чего зависит предельное количество включенных в каскад микросхем - интересно было бы узнать в комментариях).
Данные к микросхеме передаются последовательно. Биты 0 и 1 передаются в регистр друг за другом, считывание битов происходит при поступлении синхроимпульса. Передал 8 бит - получил 8 выходных состояний на выходах регистра. При каскадном включении 74HC595 (при необходимости получения 16, 24 и т.д. выходов) данные от первого регистра передаются к следующему.
Выход регистра может находиться не только в состоянии логических 0 или 1, но и быть в высокоимпедансном состоянии, когда выход отключен от схемы. В это состояние могут быть переведены только все выходы сразу. Это редко используется, но может быть полезно при переключении управления на другой контроллер, например.
Распиновка входов/выходов
Q0…Q7 – выходы регистра, могут быть в состоянии 0, 1 или высокоимпедансном
GND – земля
Q7′ – выход для последовательного соединения регистров.
MR – сброс значений регистра
SH_CP – вход тактовых импульсов
ST_CP – вход «защёлкивающий» данные
OE – вход переводящий выходы из высокоимпедансного в рабочее состояние
DS – вход данных
VCC – питание 2-6 вольт
Остаётся проверить работу, для этого соберем популярную среди новичков схему. GND (пин 8) подключаем на землю, Vcc (пин 16) к питанию 5В, OE (пин 13) на землю, MR (пин 10) к питанию 5В. Теперь к сдвиговому регистру подключено питание и все выходы активны. Теперь время подключить микросхему к Arduino: вход данных DS (пин 14) подключим к 9-ому цифровому выходу ардуино, вход тактовых импульсов SH_CP (пин 11) к 10-ому цифровому выходу, вход-защелку ST_CP (пин 12) к 8-ому пину ардуино. Между землёй и защелкой рекомендуется поставить конденсатор на 0,1 мкФ для минимизации шумов.
Осталось подключить светодиоды - через резисторы 150-300 Ом подключаем их от выходов регистра к земле. Собственно и всё. Вот нашёл схему, кто любит наглядные материалы (обратите внимание, распиновка реальной микросхемы и схематическое изображение на данной схеме различаются!)
Собрал схему на макетной плате, у меня получилось вот так.
собранная схема
В ардуино удобно воспользоваться функцией shiftOut(), которая выводит байт информации на порт вход/выхода последовательно (побитно). . Загружаем тестовый код в Arduino и получаем счётчик от 0 до 255 в двоичном виде:
int latchPin = 8; //ST_CP int clockPin = 10; //SH_CP int dataPin = 9; //DS void setup() { pinMode(latchPin, OUTPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); pinMode(dataPin, OUTPUT); } void loop() { for (int numberToDisplay = 0; numberToDisplay < 256; numberToDisplay++) { // установка синхронизации "защелки" на LOW digitalWrite(latchPin, LOW); // передаем последовательно на вход данных shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, numberToDisplay); //"защелкиваем" регистр, устанавливаем значения на выходах digitalWrite(latchPin, HIGH); delay(500); } }
Вот так получилось у меня, всё работает как положено:
Таким образом, при минимальном использовании пинов контроллера можно управлять большим количеством светодиодов (или ещё чем-нибудь). Всё бы хорошо, но расскажу и о недостатках. Как видим, ток для каждого светодиода необходимо ограничивать резистором, и при построении больших светодиодных матриц это становится достаточно трудоёмко. Есть более интересное решение для управления светодиодами - драйвер DM13A, который представляет собой сдвиговый регистр, при этом ещё и ограничивает ток на каждом выходе. Про него расскажу в следующий раз, а в качестве бонуса - тот самый мой первый LED куб, 5x5x5, собранный на упрощенной элементной базе, уже без применения 74HC595.
Планирую купить +37 Добавить в избранное Обзор понравился +35 +61
В какой-то момент времени вы неизбежно столкнетесь с проблемой отсутствия достаточного количества контактов на вашем ардуино для удовлетворения потребностей вашего проекта или прототипа. Решение этой проблемы? Сдвиговый регистр, а точнее Arduino сдвиговый регистр 74hc595.
Каждый кто делал проекты на Ардуино, где использовал много светодиодов, понимал, что в значительной степени ограничен контактами Arduino и не может создавать огромные проекты, требующие большого количества контактов. В нашем конкретном проекте 16 светодиодов управляются всего лишь тремя контактами Arduino. Ключевым элементом является arduino сдвиговый регистр 74hc595. Каждый сдвиговый регистр 74HC595 может принимать до 8 светодиодов, а с помощью последовательных цепочек регистров можно увеличить контакты платы от условных 3-х до бесконечного числа.
Прежде чем мы начнем подключать чип, давайте рассмотрим, как этот процесс работает.
Первое, что нужно прояснить, - это понятие «биты» для тех из вас, кто не знаком с двоичным кодом. Когда мы говорим о «битах», мы имеем в виду одно из чисел, составляющих двоичное значение. В отличие от обычных чисел, мы обычно считаем, что первый бит является самым большим. Итак, если мы берем двоичное значение 10100010, первый бит на самом деле равен 0, а восьмой бит равен 1. Следует также отметить, если это не подразумевалось, каждый бит может быть только 0 или 1.
Чип содержит восемь контактов, которые мы можем использовать для вывода, каждый из которых связан с битом в регистре. В случае сдвигового регистра 74HC595 мы рассматриваем их от QA до QH.
Чтобы записать эти выходы через Arduino, мы должны отправить двоичное значение в регистр сдвига, и из этого числа сдвиговый регистр может определить, какие выходы использовать. Например, если мы отправили двоичное значение 10100010, контакты, выделенные зеленым цветом на изображении выше, будут активными, а выделенные красным цветом будут неактивными.
Это означает, что самый правый бит сопоставляется как QH, а левый бит сопоставляется с QA. Выход считается активным, когда бит, сопоставленный с ним, установлен на 1. Важно помнить об этом, так как иначе вам будет очень сложно узнать, какие контакты вы используете.
Теперь, когда у нас есть основное понимание того, как мы используем смещение битов, чтобы указать, какие контакты использовать, мы можем начать подключать его к нашему Arduino.
Начинаем с 8 светодиодов
Для первой части урока нам понадобятся следующие комплектующие:
- Arduino Uno
- Макетная плата
- Ардуино сдвиговый регистр 74HC595
- 8 светодиодов
- 8 резисторов – 220 ом должно хватить
- Провода/перемычки
Начните с размещения сдвигового регистра на вашем макете, гарантируя, что каждая сторона находится на отдельной стороне макета, как показано ниже.
С надписью, направленной вверх, штифты 1-8 с левой стороны сверху вниз и 16 - 9 с правой стороны сверху вниз, как показано на рисунке ниже.
Собираем схему
Для начала подключим контакты 16 (VCC) и 10 (SRCLR) к выходу 5v на Arduino и соединяем выводы 8 (GND) и 13 (OE) с выводом Gnd на Arduino. Pin 13 (OE) используется для включения выходов, так как это активный низкий контакт, который мы можем подключить непосредственно к земле.
Затем нам нужно соединить три контакта, которыми мы будем управлять сдвиговым регистром:
- Pin 11 (SRCLK) сдвигового регистра 74HC595 на пин 11 на Arduino - это будет называться «синхронизирующим пином»,
- Pin 12 (RCLK) сдвигового регистра на пин 12 на Arduino - это будет обозначаться как «пин защелка»,
- Pin 14 (SER) сдвигового регистра на пин 13 на Arduino - это будет называться «пином данных»,
Все три этих контакта используются для выполнения сдвига битов, упомянутого ранее в этом руководстве. К счастью, ардуино предоставляет вспомогательную функцию специально для регистров сдвига, называемую shiftOut, которая будет обрабатывать почти все для нас, но мы вернемся к этому при просмотре кода.
Теперь нам просто нужно подключить все выходные выводы к нашим светодиодам, гарантируя, что резистор размещается перед светодиодами, чтобы уменьшить ток и что катоды светодиодов направлены на землю.
Чтобы уменьшить нагромождение проводов до минимума, мы поместили резисторы и светодиоды на отдельный макет, однако, вы можете воспользоваться одной макетной платой.
При размещении светодиодов убедитесь, что они подключены по порядку, так что QA подключен к первому светодиоду, а QH подключен к последнему светодиоду, так как иначе наш код не включит светодиоды в правильном порядке. Когда вы закончите, у вас должно получится что-то вроде этого:
Скетч для ардуино
Теперь мы готовы загрузить код. Подключите свой Arduino к компьютеру и загрузите на него следующий эскиз для 74hc595 Arduino:
Int latchPin = 12; int clockPin = 11; int dataPin = 13; byte leds = 0; int currentLED = 0; void setup() { pinMode(latchPin, OUTPUT); pinMode(dataPin, OUTPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); leds = 0; } void loop() { leds = 0; if (currentLED == 7) { currentLED = 0; } else { currentLED++; } bitSet(leds, currentLED); digitalWrite(latchPin, LOW); shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds); digitalWrite(latchPin, HIGH); delay(250); }
Для начала определим в верхней части эскиза следующее:
- Расположение пинов: синхронизатора, защелки и данных
- Байт, который будет хранить биты, которые указывают сдвиговому регистру, какой вывод использовать
- Переменную, которая будет отслеживать, какой светодиод мы должны включить
В методе setup мы просто инициализируем режимы пинов и переменную светодиодов.
В методе loop (цикл) мы очищаем биты в переменной leds в начале каждой итерации, так что все биты устанавливаются в 0, так как мы хотим только включать один светодиод за раз. После этого мы увеличиваем или перезапускаем текущую переменную currentLED , чтобы затем опять включать правильный светодиод.
После этих двух операций мы переходим к более важной части - смещению бит. Сначала мы начинаем с вызова метода bitSet . Мы передаем методу bitSet байт, что хранит биты, и переменную currentLED .
Этот метод позволяет нам установить отдельные биты байта, указав их положение. Например, если мы хотим вручную установить байт в 10010 , мы могли бы использовать следующие вызовы, поскольку биты, которые нам нужно установить в 1, являются вторыми справа (это позиция 1, когда мы начинаем в позиции 0) и пятый справа, который находится в положении 4:
BitSet(leds, 1); bitSet(leds, 4);
Таким образом, каждый раз, когда мы увеличиваем текущую переменную currentLED и передаем ее методу bitSet , мы каждый раз устанавливаем бит слева от предыдущего до 1 и, таким образом сообщаем сдвиговому регистру активировать вывод слева от предыдущего.
После установки бит мы записываем на контакт защелки указание сдвиговому регистру, что собираемся отправить ему данные. Как только мы это сделаем, мы вызываем метод shiftOut , который есть Arduino. Этот метод разработан специально для использования сдвиговых регистров и позволяет просто сдвигать биты за один вызов. Для этого мы передаем данные и синхронизацию в качестве первых двух параметров, затем передаем константу LSBFIRST , которая сообщает методу, что первый бит должен быть наименее значимым, а затем мы проходим через байт, содержащий биты, которые мы действительно хотим перенести в регистр сдвига.
Как только мы закончим смещение битов, мы снова обращаемся на контакт защелки (используя HIGH в этот раз), чтобы указать, что мы отправили все данные. После того, как операция записи будет завершена, загорится соответствующий светодиодный индикатор, а затем задержится на 250 миллисекунд, прежде чем всё повторится.
16 светодиодов
Теперь перейдем к более сложной схеме используем 74hc595 Arduino для 16 светодиодов.
Детали
По большому счету в данном случае количество всех комплектующих увеличиваем вдвое, кроме, конечно, Ардуино Уно:
- Arduino UNO (x1)
- 74HC595 сдвиговый регистр (x2)
- Светодиоды (x16)
- 220 ом резисторы (x16)
- Провода/перемычки
- Две макетные платы (одна с 400 пинами, вторая с 830 пинами)
- Потенциометр для контроля яркости (по желанию)
Схема соединения
Схема соединения получилась уже больше, чем при 8 светодиодах и одном регистре сдвига 74HC595.
Соберите схему как на рисунке выше и подключите первый регистр сдвига следующим образом:
- GND (контакт 8) на землю
- Vcc (контакт 16) - 5В
- OE (контакт 13) на землю (GND)
- MR (контакт 10) - 5 В
- DS (контакт 14) - пин 11 Arduino
- SH_CP (контакт 11) на контакт Arduino 12
- ST_CP (контакт 12) к контакту 8 Arduino
Подключите второй регистр сдвига точно так же, но подключите DS (контакт 14) к первому выходу 9 регистра. После этого соедините контакты 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 15 из обоих регистров и светодиоды. Это соединение делает все контакты всегда активными и адресными, однако при включении Arduino некоторые из светодиодов могут быть включены. Решение для этого - подключить MR (контакт 10) и OE (контакт 13) к Arduino напрямую, но таким образом вы должны пожертвовать 2 выводами ардуины.
Чтобы добавить больше регистров сдвига, соедините их, как второй регистр. Всегда подключайте контакты MR и OE непосредственно к контакту Arduino и DS к предыдущему регистру. Если вы хотите отрегулировать яркость светодиодов, подключите потенциометр, как показано на рисунке выше, для управления сопротивлением для всех светодиодов. Однако это необязательно, и вы можете обойтись без него.
Скетч для ардуино
Варианты скетчей обычно предназначены для ограниченного числа регистров сдвига, т.к. для этого нет универсальной функции/метода. Данный код ниже переработан так, чтобы вы могли использовать неограниченное количество регистров сдвига:
int latchPin = 8; int clockPin = 12; int dataPin = 11; int numOfRegisters = 2; byte* registerState; long effectId = 0; long prevEffect = 0; long effectRepeat = 0; long effectSpeed = 30; void setup() { //Initialize array registerState = new byte; for (size_t i = 0; i < numOfRegisters; i++) { registerState[i] = 0; } //set pins to output so you can control the shift register pinMode(latchPin, OUTPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); pinMode(dataPin, OUTPUT); } void loop() { do{ effectId = random(6); } while (effectId == prevEffect); prevEffect = effectId; switch (effectId) { case 0: effectRepeat = random(1, 2); break; case 1: effectRepeat = random(1, 2); break; case 3: effectRepeat = random(1, 5); break; case 4: effectRepeat = random(1, 2); break; case 5: effectRepeat = random(1, 2); break; } for (int i = 0; i < effectRepeat; i++) { effectSpeed = random(10, 90); switch (effectId) { case 0: effectA(effectSpeed); break; case 1: effectB(effectSpeed); break; case 3: effectC(effectSpeed); break; case 4: effectD(effectSpeed); break; case 6: effectE(effectSpeed); break; } } } void effectA(int speed){ for (int i = 0; i < 16; i++){ for (int k = i; k < 16; k++){ regWrite(k, HIGH); delay(speed); regWrite(k, LOW); } regWrite(i, HIGH); } } void effectB(int speed){ for (int i = 15; i > < i; k++){ regWrite(k, HIGH); delay(speed); regWrite(k, LOW); } regWrite(i, HIGH); } } void effectC(int speed){ int prevI = 0; for (int i = 0; i < 16; i++){ regWrite(prevI, LOW); regWrite(i, HIGH); prevI = i; delay(speed); } for (int i = 15; i >= 0; i--){ regWrite(prevI, LOW); regWrite(i, HIGH); prevI = i; delay(speed); } } void effectD(int speed){ for (int i = 0; i < 8; i++){ for (int k = i; k < 8; k++) { regWrite(k, HIGH); regWrite(15 - k, HIGH); delay(speed); regWrite(k, LOW); regWrite(15 - k, LOW); } regWrite(i, HIGH); regWrite(15 - i, HIGH); } } void effectE(int speed){ for (int i = 7; i >= 0; i--){ for (int k = 0; k <= i; k++) { regWrite(k, HIGH); regWrite(15 - k, HIGH); delay(speed); regWrite(k, LOW); regWrite(15 - k, LOW); } regWrite(i, HIGH); regWrite(15 - i, HIGH); } } void regWrite(int pin, bool state){ //Determines register int reg = pin / 8; //Determines pin for actual register int actualPin = pin - (8 * reg); //Begin session digitalWrite(latchPin, LOW); for (int i = 0; i < numOfRegisters; i++){ //Get actual states for register byte* states = ®isterState[i]; //Update state if (i == reg){ bitWrite(*states, actualPin, state); } //Write shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, *states); } //End session digitalWrite(latchPin, HIGH); }В коде добавлено несколько эффектов для этих 16 светодиодов. Если вы хотите добавить больше светодиодов, подключите больше регистров сдвига по примеру выше и измените значение numOfRegisters в коде.
Вы также можете использовать этот код не только для светодиодов, если вам просто нужно больше контактов для вашего Arduino, используйте функцию regWrite (int pin, bool state) для записи состояния любого вывода. И нет предела, сколько сдвиговых регистров вы используете, просто измените значение numOfRegisters, а все остальное уже втоматизировано.
jk-триггеры можно включить последовательно друг за другом для сохранения последовательности цифр. Такая конструкция, называемая регистром сдвига , показана на рис. 13.27. Свое название схема получила на осно-
Рис. 13.27. 4-разрядный регистр сдвига, образованный последовательно включенными JK- триггерами.
вании того, что она на каждом тактовом импульсе принимает одну новую цифру, сдвигая ранее запомненные цифры на один разряд, чтобы поместить новую.
Этот регистр действует по принципу первым вошел - первым вышел (First-In First-Out, FIFO).
Рассмотрим работу регистра сдвига, изображенного на рис. 13.27. Сначала на шину сброса подается логическая 1, а затем значение сигнала на ней возвращается в 0. Теперь предположим, что сигнал на входе данных первоначально равен 1 и что последовательность тактовых импульсов поступает на тактовый вход. В этом случае триггер FF1 имеет на входе / высокий уровень, а на входе ^низкий уровень, так что после первого тактового импульса на выходе Q устанавливается высокий уровень. Предположим, что тем временем входной сигнал вернулся к значению 0 и остается таким. Во время действия второго тактового импульса высокий уровень на входе / триггера FF2 передается на его выход, и Q 2 принимает значение логической 1. В это же время на входе / триггера FF1 действует логический 0, так что вторым тактовым импульсом на выходе устанавливается низкий уровень; если сигнал на входе данных остается равным 0, то на выходе будет оставаться низкий уровень с каждым тактовым импульсом. Однако бит логической 1 каждым тактовым импульсом передвигается дальше на один разряд, так что после четырех импульсов он достигнет выхода Q 4 . Всего теперь запомнено 4 бита входных данных. Последующие тактовые импульсы приведут к потере этих данных, а более новые данные будут сохранены.
В регистре сдвига, показанном на рис. 13.27, имеется возможность, если требуется, наблюдать запомненные данные в параллельном виде, обеспечив доступ к выходам Q v Q 2 , Q 3 и Q 4 . Такая схема известна как регистр с последовательным входом и параллельным выходом: данные должны вводиться последовательно через единственный вход, после чего они становятся доступны в параллельном виде на выходах регистра. Такое преобразование последовательного представления данных в параллельное является очень распространенной операцией, применяемой, например, для преобразования считанных с диска компьютера битов программы в параллельный код для ввода в основную память.
Если каждый триггер снабдить отдельным входом установки в дополнение к общему входу сброса, то данные могут вводиться параллельно через эти входы. «Загруженные» таким образом данные можно, подавая тактовые импульсы, получить на выходе Q 4 в последовательном виде. Такой регистр служит преобразователем параллельного кода в последовательный и часто применяется для преобразования выводимых из микропроцессора данных, представленных сигналами, появляющимися одновременно на большом числе выходов (например, на 16 выходах), в последовательный код для передачи по единственной паре проводов в сеть или к модему. Популярной конструкцией, которой можно воспользоваться для преобразования данных из параллельного вида в последовательный и обратно, является универсальный асинхронный приемопередатчик; он содержит в одной интегральной схеме необходимые регистры Сдвига, схему управления и формирователи для работы на линию.
Если в схеме, изображенной на рис. 13.27, выход Q 4 соединить с входом данных, то данные, которые можно вводить в параллельном виде через входы установки, никогда не смогут покинуть регистр, а будут просто циркулировать в нем. Такая схема называется регистром с циклическим переносом или кольцевым счетчиком. Используя 10 триггеров, соединенных в кольцевой счетчик и пронумерованных от 0 до 9, можно получить десятичный счетчик. Первоначально в триггере с номером 0 устанавливается состояние с высоким уровнем, а остальные сбрасываются в нулевое состояние. Затем импульсы, подлежащие счету, подаются на тактовый вход, так что с приходом каждого входного импульса логическая 1 передвигается из одного триггера в другой. После девяти импульсов в триггер с номером 9 запишется логическая 1, а следующий импульс восстановит начальное состояние. Соединение выхода триггера с номером 9 со входом другого кольцевого счетчика позволит записывать в него десятки, а еще один кольцевой счетчик сможет записывать сотни. Несмотря на очевидное изящество этой схемы, почти всегда более удобно считать в двоичном виде, а затем преобразовывать выход двоичного счетчика в десятичный вид.
Другим применением кольцевого счетчика является замена им распределителя в электронной системе зажигания автомобиля. Вместо механического кулачка, размыкающего и замыкающего контактные точки для создания искры зажигания, с помощью оптического или магнитного датчика, расположенного на маховике двигателя, формируются тактовые импульсы. Здесь используется сдвиг логической 1 по кругу в кольцевом счетчике, который имеет по одному разряду на каждый цилиндр двигателя. Фазу тактового импульса можно тщательно выставить так, чтобы логическая 1 появлялась на каждом каскаде точно в нужное время для зажигания смеси. Коррекция момента зажигания устанавливается, таким образом, без труда, и, более того, однажды установленный, он никогда не будет изменяться, поскольку в электронном распределителе отсутствует механический износ.
Схему регистра сдвига, приведенную на рис. 13.27, можно применять в качестве основной для экспериментов со всеми типами регистров сдвига и кольцевыми счетчиками. В качестве /^-триггера рекомендуется ИС 74LS76: каждая микросхема содержит два триггера, срабатывающих по отрицательному фронту с отдельными входами установки и сброса. Цоколевка этой схемы дана в приложении 4.