Język C dla mikrokontrolerów 8051. Menu użytkownika.

Jednym z największych „pożeraczy” czasu i energii programisty, obok uruchomienia programu, jest tak zwany interfejs użytkownika. Mikrokontroler nie potrzebuje do pracy wyświetlacza, klawiatury, diod świecących LED i temu podobnych elementów, o ile nie jest to ściśle związane z operacjami zapisu lub odczytu danych. Wszystkie te drobiazgi są potrzebne nam, ludziom, abyśmy mogli wprowadzać parametry i poznać rezultat wykonania przez mikrokontroler określonego programu. Te przykłady programowania to jeden z elementów interfejsu użytkownika. Są to jedno- i dwupoziomowe menu, wyświetlane na wyświetlaczu LCD 4 linie po 20 znaków.

Funkcje wykonałem jako demonstrujące sposób implementacji menu. Nie są one związane z żadnym konkretnym urządzeniem. Do ich uruchomienia użyłem płytki eksperymentalnej własnej konstrukcji, zbliżonej funkcjonalnie do AVR Starter Kit i zawierającej mikrokontroler, programator oraz złącza doprowadzające sygnał do wyprowadzeń mikrokontrolera. Do płytki podłączyłem wyświetlacz LCD w trybie interfejsu 4-bitowego oraz klawiaturę wykonaną jako matrycę 3 wierszy i 4 kolumn (w sumie 12 klawiszy). Port P2, do którego podłączyłem klawiaturę, dodatkowo wyposażyłem w rezystory pull-up o wartości 47kW. Użyłem ich ze względu na długie kable łączące klawiaturę z portem mikrokontrolera. Sposób wykonania połączeń elektrycznych zamieszczono w tabeli 1 i pokazano na rysunku 1.

Tab. 1. Sposób dołączenia wyprowadzeń mikrokontrolera.

Rys. 1. Schemat klawiatury matrycowej 3 (kolumny) x 4 (wiersze) wykorzystywanej w modelu.

Odczyt klawiatury

Funkcje odczytujące klawiaturę zadeklarowałem jako zewnętrzne funkcje biblioteczne i umieściłem w module o nazwie KBD3X4. Pierwsza z nich char KBD_Read(char column) służy do obsługi klawiatury na poziomie „hardware” operując na portach mikrokontrolera, natomiast druga char Key_Number(void) przydziela kombinacjom klawiszy odpowiednie kody.
Funkcja KBD_Read w wyniku działania zwraca unikatową dla każdego z wciśniętych klawiszy, odpowiadającą mu wartość, lub 0, jeśli żaden z klawiszy nie jest wciśnięty. Nie pracuje ona poprawnie jeśli wciśnięto więcej niż jeden klawisz. Zawsze zwracana jest jako pierwsza kombinacja klawiszy z kolumny będącej pierwszą w ciągu odczytu. Jako argument wywołania spodziewane jest wyzerowanie bitu odpowiadającego odczytywanej kolumnie. W związku z tym, że kolumna pierwsza klawiatury podłączona jest do P2.0, druga do P2.1 a trzecia do P2.2, odczytowi pierwszej kolumny odpowiada wyzerowanie bitu numer 0 argumentu (argument wywołania np. 0xFE), drugiej bitu numer 1 itd. W pliku nagłówkowym KBD3X4.H przy pomocy dyrektywy #define zdefiniowano właściwe wartości argumentu wywołania funkcji KBD_Read (Column_1 ... 3), które później używane są przez funkcję Key_Number.
Sposób funkcjonowania KBD_Read jest następujący: argument column zapisywany jest do portu klawiatury i tym samym linia którejś z kolumn przyjmuje stan niski. Na skutek przyciśnięcia (zwarcia) klawisza linia wiersza – będąca normalnie w stanie wysokim – przejdzie w wymuszony stan niski. Stan ten jest dwukrotnie odczytywany przez mikrokontroler: za drugim razem po 50 milisekundach. Zrobiłem tak, aby upewnić się, że klawisz został naciśnięty celowo i było to zamiarem użytkownika. Jest to również bardzo prosty filtr zakłóceń mogących pojawić się na doprowadzeniu portu.
Aby zapobiec wpływowi na wynik pracy funkcji bitów innych niż przyporządkowane wierszom klawiatury, są one maskowane (ustawiane w stan niski) poleceniem curr &= Row_mask (iloczyn bitowy). Wartość maski również zdefiniowana została w pliku nagłówkowym. Bit aktywny przyjmuje stan niski. W związku z tym, że łatwiej jest porównywać bity znajdujące się w stanie wysokim, wartość zwracanej zmiennej jest negowana (polecenie return(~curr), ~ to operator dopełnienia jedynkowego).
Funkcja Key_Number przyporządkowuje kombinacjom bitów odczytanych z portu mikrokontrolera określone kody. Konstrukcja programu zbliżona jest budowy klawiatury. Warunki if  tworzą rodzaj matrycy, na przecięciu linii której znajdują się kody klawiszy. Wartości Row_1..4 również predefiniowane są w pliku nagłówkowym. Jedynka na pozycji bitu wiersza odpowiada wciśnięciu klawisza. W przypadku, gdy żaden z klawiszy nie jest naciśnięty, funkcja zwraca wartość 0.

Menu jednopoziomowe.

Najprostszym rodzajem menu jest menu jednopoziomowe. Charakteryzuje się ono tym, że po wybraniu opcji, następuje bezpośrednie wywołanie akcji. Menu takie jest łatwe do wykonania, jeśli w całości mieści się na ekranie LCD. Znacznie gorzej jest, gdy ma ono na przykład 8 pozycji a na ekranie mamy do dyspozycji 2 czy 4 linie. Wówczas to musimy nie tylko określić nazwy poszczególnych opcji ale również sposób wyświetlania menu po przekroczeniu rozmiaru ekranu. Wyliczenie tych wszystkich zmiennych zajmuje dużo pamięci programu oraz czasu mikrokontrolera.

Opis struktury – pojedynczego rekordu zawierającego pozycję menu

typdef struct
{
    char name[maxoptlen];
    char ptr;
    char y0;
} menuitem

name - pole zawierające napis wyświetlany na ekranie
ptr - offset dla wskaźnika rekordu w tabeli menu; offset ten jest dodawany do adresu tablicy-wykazu menu i - tej wyliczonej pozycji wyświetlane jest menu.
y0 - numer linii położenia znacznika w czasie wyświetlania danej linii menu.

Początek programu (część deklaracyjna zmiennych) zawiera definicję typu o nazwie menuitem. Jest to struktura pojedynczego rekordu opisującego linię menu. Rekordy te są następnie zgrupowane w tabeli menus, tam też nadawane jest im wartość. Kilku słów omówienia wymaga rola poszczególnych pól rekordu.
Pole o nazwie name to łańcuch znaków wyświetlany na ekranie i stanowiący nazwę (etykietę) danej pozycji menu. Jest on widziany przez użytkownika wybierającego dokonującego wyboru opcji. Pole ptr to offset dodawany do adresu początku tablicy – wykazu menu. Jego rola polega na wskazaniu miejsca, od którego mają być wyświetlane etykiety menu. I tak dla przykładu ptr=4 spowoduje, że w linii numer 1 wyświetlacza LCD znajdzie się etykieta menu spod adresu menus+4 rekordy. Kolejne pole – y0 – to numer linii, w której ma się znajdować znak wyboru w momencie, gdy wskaźnik aktualnej pozycji w tabeli - wykazie wskazuje na związany z tym parametrem rekord. Kombinacja dwóch ostatnich parametrów umożliwia efektywne i czytelne wyświetlanie zawartości menu. Spójrzmy dla przykładu na deklaracją menu pochodzącą z prezentowanego programu.

//deklaracja tablicy-wykazu opcji menu
code menuitem menus[maxoptions] =
{{„opcja 1 . ”, 0, 0},
  {„opcja 2 . ”, 0, 1},
  {„opcja 3 . ”, 0, 2},
  {„opcja 4 . ”, 0, 3},
  {„opcja 5 . ”, 1, 3},
  {„opcja 6 . ”, 2, 3},
  {„opcja 7 . ”, 3, 3},
  {„opcja 8 . ”, 4, 3}}

//deklaracja wskaźnika do pozycji w tablicy-wykazie menu
code menuitem *ptrmenus = &menus;

Wskaźnik ptrmenus jest tego samego typu, co element tablicy – wykazu. W związku z tym operacje arytmetyczne wykonywane na wskaźniku, dodają (lub odejmują) do (od) jego wartości ilość bajtów identyczną z rozmiarem pojedynczego elementu tablicy. Na przykład wykonanie poleceń:

ptrmenus = &menus
ptrmenus = ptrmenus+3  //równoważne mu polecenie to ptrmenus += 3

spowoduje przesunięcie wskazań na pozycję 4 w tablicy (pozycje numerowane są od 0) a nie na literę „c” w napisie „opcja 1 .”, co odpowiadałoby dodaniu do wartości wskaźnika 3 bajtów. Tyle słowem przypomnienia o arytmetyce wskaźników. Wróćmy do sposobu definiowania menu.
Po uruchomieniu funkcji wyświetlającej, wskaźnik do wykazu ustawiany jest na jego początek (pozycja 0). Następnie pobierane są wartości menus[0].y0 oraz menus[0].ptr. Wartość ptr dodawana jest do adresu początku tablicy (w tym przypadku ptr=0) i od wyliczonego w ten sposób adresu wyświetlane są na ekranie LCD 4 etykiety menu.
Pobrany z tablicy parametr y0 to argument funkcji wyświetlającej znaczniki wyboru. W tym przypadku, ponieważ y0=0, znaczniki będą wyświetlone na współrzędnych (0,0) oraz (19,0)*. Podobnie będzie, gdy wskaźnik pokaże pozycję 2, 3 i dalsze. Za każdym razem wartości y0 i ptr określają pozycję znaku wyboru oraz tę etykietę menu, która znajdzie się w pierwszej linii wyświetlacza.
Do wyliczenia wartości wskaźnika do aktualnej pozycji w tabeli - wykazie menu posługuję się zmienną globalną o nazwie actpos. Jest to zmienna typu signed char (z zakresu od –128..127). Jej wartość ulega zmianie po naciśnięciu klawiszy umownie przyjętych jako kierunek dół (8) lub góra (2). Dodatkowo wartość tej zmiennej porównywana jest z liczbami określającymi jej maksimum i minimum. W przypadku przekroczenia maksimum, zmiennej actpos nadawana jest wartość minimum i vice versa: gdy jej wartość jest mniejsza niż wartość minimalna, zmiennej nadawana jest wartość maksimum. Tu jedna uwaga.
Wartość maksymalną stanowi ilość elementów tablicy menus. Jej elementy numerowane są od 0. W związku z tym, numer ostatniego elementy tablicy to rozmiar-1 a pierwszego to 0. Na skutek tak przyjętej konwencji, również i zmiennej actpos należy w przypadku dolnej granicy zakresu nadać wartość maksymalnej liczby opcji pomniejszoną o 1. Odpowiada za to polecenie if (--actpos < 0) actpos=maxoptions-1. Podobnie jest w przypadku górnej granicy. Wskaźnik adresuje obszar leżący poza tablicą już wówczas, gdy przyjmuje wartość jej rozmiaru. Z mojej praktyki programowania wynika, że mimo faktycznie zachodzącej równości, w takiej sytuacji bezpieczniej jest użyć znaku „większe lub równe”. W związku z tym linia programu przyjmuje postać if (++actpos >= maxoptions) actpos=0.
Program główny wykonuje czynności związane z obsługą wyświetlacza (inicjalizacja trybu 4-bity oraz definicja znaków użytkownika) a następnie wywołuje funkcję obsługi menu. Zwracana przez tę funkcję wartość rozpatrywana jest następnie przez wyrażenie switch – case. Oczywiście można użyć instrukcji if lub chociażby zbudować tablicę z wykazem wywoływanych funkcji a zwróconą w wyniku działania wartość potraktować jako offset lub wskaźnik do tejże tablicy.

Menu dwupoziomowe

Rozbudowując menu o dodatkowy poziom zawsze należy liczyć się z tym, że zajmie ono dużo miejsca w pamięci mikrokontrolera. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej gdy tworzona jest aplikacja dla komputera PC niż wówczas, gdy dla mikrokontrolera. Ten pierwszy w porównaniu z drugim posiada niewyobrażalne wręcz zasoby do wykorzystania, istne „morze pamięci”, przy dodatkowo bardzo dużej szybkości działania. Pewnych nawyków i przyzwyczajeń (o ile takie są) nie da się po prostu w tym momencie wykorzystać, chociaż nowe, pojawiające się na rynku mikrokontrolery imponują wręcz swoimi zasobami sprzętowymi. Zostawmy jednak rozważania i wróćmy do opisu sposobu wykonania menu.
Przy jego budowie posłużyłem się rozwiązaniami z pierwszego przykładu programowania, jednak wyraźnie zostały rozgraniczone menu główne od menu podrzędnego. Rozgraniczają je zarówno funkcje realizujące wyświetlanie etykiet i wybór spomiędzy nich, jak i typy rekordów użytych do deklaracji. Rozpocznijmy analizę od menu głównego. Dla potrzeb budowy tablicy – wykazu opcji menu głównego zadeklarowałem typ o nazwie menuitem. Zawiera on pola poznane już wcześniej (name, ptr i y0) i oprócz nich nowe, o nazwach nextmenu oraz retval.
Pole nextmenu to wskaźnik do obszaru wykazu opcji odpowiadającego mu podmenu. W przypadku, gdy następny poziom nie jest dostępny, wskaźnikowi nadawana jest wartość 0. Z tym polem ściśle związana jest zawartość pola retval. Zawiera ono liczbę zwracaną przez funkcję w przypadku wyboru opcji. Jak łatwo się domyśleć, wartość wpisana do retval, nie ma żadnego znaczenia w przypadku, gdy wywoływane jest podmenu. Wówczas to, funkcja obsługi menu, zwróci wartość zapisaną w polu retval właściwą dla danej opcji (etykiety) podmenu.
Wskaźnik nextmenu jest typu submenuitem. Ten typ zmiennych został utworzony dla potrzeb tablic-wykazów opcji menu drugiego poziomu. Jest on prawie taki sam, jak używany dla potrzeb menu głównego. ale oprócz podstawowych pól (etykieta name, położenie znaku wyboru y0, offset wskaźnika ptr oraz wartości zwracanej przez menu retval) nie zawiera żadnych wskaźników do następnych wykazów opcji.
Łatwo jest rozbudować podmenu o następne poziomy. Wystarczy użyć podobnych mechanizmów jak dla budowy poziomu 2. Jest w tym jednak drobna trudność: należy w jakiś sposób podać użytkownikowi informację, z którego menu wybierana jest opcja, ot chociażby przez wyświetlenie ścieżki – opisu miejsca, w którym się znajduje. Trudno jest znaleźć to miejsce na ekranie LCD o niewielkich rozmiarach. W praktyce ograniczam więc menu budowanych przez siebie urządzeń co najwyżej do 2..3 poziomu i naprawdę nie ma potrzeby tworzenia dalszej hierarchii, i komplikowania w ten sposób życia sobie oraz użytkownikowi. Zamiast tego warto jest przemyśleć układ menu i jego opcje. Wróćmy do sposobu tworzenia definicji menu głównego. Na rysunku 2 przedstawiono schemat budowy definicji menu głównego oraz odpowiadających mu opcji podmenu.

Rys. 2. Sposób budowania definicji menu.

Tablica mainmenu zawiera wykaz definicji etykiet i parametrów menu głównego. Polu wskaźnikowemu o nazwie nextmenu nadawana jest wartość adresu – wskazania do wykazu opcji podmenu, jeśli takie istnieje. Kolorami wyróżniono te przypisania. W takim przypadku pole retval ma wartość 0. Gdy podmenu nie istnieje (może to być na przykład opcja „Uruchom”, „Oblicz” itp.), polu retval nadawana jest wartość, którą ma zwrócić funkcja a polu nextmenu należy przypisać wartość 0.
Wymagane jest aby każda tablica-wykaz etykiet podmenu był zakończony rekordem, w którym co najmniej pole name ma wartość 0. Rekord ten jest niezbędny, ponieważ na podstawie jego położenia obliczana jest przez funkcję wyświetlającą podmenu długość wykazu opcji a tym samym ilość etykiet do wyświetlenia.
Menu główne wyświetlane jest w identyczny sposób jak to było robione w przypadku menu jednopoziomowego. Jego obsługą zajmuje się funkcja Main_Menu i jej funkcje usługowe. Jako rezultat zwraca ona liczbę jednobajtową będącą kodem wybranej opcji.
Po naciśnięciu klawisza o kodzie 0x0C umownie funkcjonującego jako ENTER, funkcja sprawdza, czy pole nextmenu przyporządkowane bieżącej pozycji zawiera jakąś wartość. Jeśli tak, funkcja wywołuje obsługę podmenu jako parametr podając zawartość odpowiedniego pola nextmenu. W związku z tym, że chciałem napisać funkcję uniwersalną, zdolną do wyświetlenia podmenu o różnych ilościach etykiet, przy wywołaniu funkcja musi obliczyć jaka jest liczba pozycji wykazu przekazanego jako argument wywołania. Minimalna wartość to 1, maksymalna to 127. Koniec wykazu rozpoznawany jest po tym, że pole name (etykieta menu) ma wartość znaku o kodzie 0. Wynik obliczeń zapamiętywany jest w zmiennej maxsubopt. Ogranicza ona od góry wartość zmiennej globalnej POS_IN_SUBMENU, która nie może być większa niż maxsubopt-1 i jest sprawdzana po każdym naciśnięciu klawisza w górę czy w dół.
Po wejściu do podmenu zaczyna również działać klawisz o kodzie 0x0B pełniący rolę podobną do ESCAPE w komputerze PC. Jego naciśnięcie powoduje, że następuje powrót do menu głównego, bez podejmowania jakiejkolwiek akcji i można wówczas dokonać innego wyboru. Wybór zawsze potwierdzany jest przez naciśnięcie klawisza ENTER.
Podobnie jak w poprzednim przykładzie, program główny zawiera inicjalizację wyświetlacza, wywołanie funkcji obsługi menu oraz konstrukcję switch – case w celu rozpoznania wybranej opcji.

Uwagi na temat programu

Funkcje w moich przykładach często posługują się wskaźnikami do struktur. Ich konstrukcja oraz sposób zapisu jest specyficzny i wymaga kilku słów omówienia zwłaszcza dla tych Osób, które spotykają się z nimi po raz pierwszy.
Definicja tabeli zawierającej rekordy jest doskonałym mechanizmem zwłaszcza przy tworzeniu baz danych i plików dyskowych. I chociaż w tych przykładach programów nie są używane żadne zbiory znajdujące się na dysku, to jednak tablica rekordów do złudzenia przypomina strukturę bazy danych a leżący gdzieś w obszarze code pamięci mikrokontrolera wykaz – plik dyskowy. Istnieją dwie podstawowe metody odwoływania się do pozycji w takiej strukturze:
- z zastosowaniem indeksów (np. menus[1], menus[5] itd.)
- z zastosowaniem wskaźnika (wskaźników).
Ta pierwsza metoda jest bardzo prosta. Ilustruje ją przykład umieszczony na listingu 1. Indeks to po prostu numer pozycji w tabeli, do którego żąda dostępu aplikacja. Jeśli mamy do czynienia z tabelą zawierającą 10 elementów, to indeks może przyjąć wartości od 0 do 9. Gdy mamy do czynienia ze strukturą, dostęp do pola można uzyskać podając po kropce jego nazwę: zmienna = menu[1].ptr

List. 1. Odwołanie do tablicy rekordów poprzez indeksy.

List. 2. Odwołanie do tablicy rekordów poprzez wskaźnik.

typedef struct        //definicja typu – struktury (rekordu) danych
{
    char x;           //struktura zawiera 3 pola typu char: x, y, colour
    char y;
    char colour;
} attr;

Wskaźnik powinien być tego samego typu, co wskazywany obszar danych. W konsekwencji wszelkie operacje arytmetyczne na nim wykonywane, powodują jego zmianę o taką liczbę bajtów, jaki jest rozmiar wskazywanego elementu. Ilustracją tej zasady jest poniższy przykład:

data char *pointer_1 = &points;
data attr *pointer_2 = &points;
data char temp = 2;
.
.
pointer_1++;        <- spowoduje przesunięcie wskazania zmiennej
                       points[0].x na points[0].y (o 1 bajt)
pointer_2++;        <- spowoduje przesunięcie wskaźnika z rekordu
                       points[0] na points[1] i jest równoważne wyrażeniu
                       pointer_1 = pointer_1+sizeof(attr)
pointer_1 += 8;     <- spowoduje przesunięcie wskaźnika o 8 bajtów, to
                       jest na zmienną points[2].y
pointer_2 += 8;     <- spowoduje przesunięcie wskaźnika o 8 rekordów, to
                       jest na pozycję 9 w tabeli
pointer_1 += temp;  <- spowoduje przesunięcie wskazania o 2 bajty, to
                       jest na zmienną points[0].colour
pointer_2 += temp;  <- spowoduje przesunięcie wskaźnika o 2 rekordy, to
                       jest na pozycję 3 w tabeli

Odwołanie do pola struktury umożliwia operator wyglądający jak strzałka skierowana w prawo, utworzony ze znaku większości oraz odejmowania (->) następującego bezpośrednio po nim. Stosując go należy pamiętać, że ma bardzo wysoki priorytet. Operacje (pointer+temp)->x oraz temp+pointer->x nie są równoważne. Jednak bardziej jaskrawy przykład stanowi porównanie sposobu funkcjonowania wyrażeń ++pointer->x oraz (++pointer)->x. W tym pierwszym przypadku wyrażenie zwiększa zmienną x o 1 a nie wskaźnik do struktury. W drugim wskaźnik jest zwiększany przed odwołaniem do struktury i na skutek tego następuje przejście do następnego w kolejności elementu tablicy.
Na tej samej zasadzie:
- wyrażenie *pointer->x udostępnia coś, no co wskazuje x,
- wyrażenie *pointer->x++ zwiększa x po udostępnieniu obiektu wskazywanego przez x,
- wyrażenie (*pointer->x)++ zwiększa to coś, na co wskazuje x,
- wyrażenie *pointer++->x zwiększa zmienną pointer po udostępnieniu obiektu wskazywanego przez x.
Jak wspomniałem wcześniej, wykorzystując mechanizmy użyte do budowy drugiego poziomu menu, łatwo jest dodać następne poziomy. Wystarczy, że typ submenuitem będzie zawierał wskaźnik do następnego wykazu menu, a funkcja Sub_Menu zapamięta i przechowa stan zmiennej POS_IN_SUBMENU. Prawdopodobnie będzie również wymagać słowa kluczowego reentrant (kompilator RC-51) powodującego, że funkcja może być wywoływana rekurencyjnie. Rozbudowę pozostawiam jednak własnej inwencji Czytelnika.

Jacek Bogusz
j.bogusz@easy-soft.net.pl