ABIMATERJAL ROBOOTIKA TÖÖVIHIKULE Algoritmid ja programmeerimine

Transcription

1 Raivo Sell, Mikk Leini ABIMATERJAL ROBOOTIKA TÖÖVIHIKULE Algoritmid ja programmeerimine Robootika Kodulabori baasil

2 Kujundus ja küljendus: Raivo Sell Arvutigraafika: Raivo Sell Keeletoimetus: Airi Veber Raamatu valmimist toetas Eesti Teadusagentuur TeaMe programmist. See teos on litsentseeritud Creative Commonsi Autorile viitamine + Mitteäriline eesmärk + Jagamine samadel tingimustel 3.0 Eesti litsentsiga. Tallinna Tehnikaülikool Tallinn, 2013 Autorid: Raivo Sell, Mikk Leini

3 Sisukord Eessõna... 5 Algoritmide koostamine... 6 Lihtsustatud voodiagrammi elemendid... 6 Algus... 6 Lõpp... 6 Tegevus või avaldis... 6 Liikumine... 6 Kontrollplokk... 7 Andmevahetus... 7 Programmeerimine... 9 Programmi ülesehitus... 9 Kommentaarid Andmed Andmetüübid Muutujad Konstandid Struktuurid Massiivid Avaldised Aritmeetilised tehted Loogilised tehted Võrdlused Bititehted Funktsioonid Laused Tingimuslause Valikulause Tsüklid while... 18

4 for Tsüklis liikumine Tekstitöötlus sprintf... 20

5 Eessõna Töövihiku abimaterjal on koostatud gümnaasiumi Mehhatroonika ja robootika töövihikule ning on põhiliselt mõeldud õpilastele, kes kasutavad praktiliste tööde tegemiseks Robootika Kodulaborit või muud sarnast mikrokontrolleri platvormi. Antud abimaterjal sisaldab juhendit algoritmide koostamiseks ja programmeerimiskeele C kiirjuhendit koos lühikeste näidetega. 5

6 Algoritmide koostamine Algoritm on samm-sammuline tegevusjuhis, juhend, eeskiri mingi tegevuse sooritamiseks või eesmärgi saavutamiseks. Plokkskeem ehk diagramm on algoritmi üks graafiline esitusviis, kus kasutatakse plokke, mis on nooltega omavahel ühendatud. Igasse plokki kirjutatakse algoritmi üks samm. Nooled kulgevad plokist plokki. Algoritm täidetakse noolte kulgemise järjekorras. Plokkskeem võib olla esitatud, kasutades erinevaid tehnikaid, nn voodiagrammi. Voodiagrammide koostamiseks võib kasutada tavalist kontoritarkvara nn MS Word või MS Excel, OpenOffice/LibreOffice Writer või Calc, kuid mugavam on kasutada spetsiifilisi programme nn MS Visio või OpenOffice/LibreOffice Draw. Veebipõhise tarkvara osas võib kasutada Google Drive keskkonna Drawing programmi. Lihtsustatud voodiagrammi elemendid Algus Ring. Lõpp Täidetud ring suurema ringi sees. Tegevus või avaldis Ristkülik, mille sisse on kirjutatud tegevuse nimetus või lühikirjeldus. Võib sisaldada ka koondatud ühetüübilisi tegevusi. Liikumine Nool, mille suund näitab algoritmi kulgemist - järgmine täitmisele minev samm. 6

7 Kontrollplokk Romb, mille sisse on kirjutatud loogiline võrdlustehe. Tegemist on algoritmi hargnemisega, kus loogilise tehte vastus määrab, millises suunas algoritmi täitmine jätkub. Võrdlustehte tulemus saab olla ainult kas tõene / JAH (loogiline 1) või väär / EI (loogiline 0). Andmevahetus Trapets, mille sisse on kirjutatud tegevuse nimi. robotite juures tähendab üldjuhul kas andurite või täiturite kasutamist. soovi korral võib lihtsuse huvides selle objekti asendada tavalise tegevuse objektiga (ristkülik). Mikrokontrollerite tarkvara algoritmide voodiagrammidel üldjuhul programmi lõppu ei ole ja kogu tegevus on ühes lõputus tsüklis. Lõputu tsükli väljumistingimus ei saa kunagi tõeseks ja sellepärast on lubatud selle tähistamine rombiga, millel on ainult üks väljund. tingimus ise on märgitud lihtsalt true või 1. Diagrammide koostamisel tuleks jälgida, et kui programmis on hargnemised, siis saab see olla ainult läbi rombi (tingimuslause). Koondumised võivad olla ka mujal. Järgnevad näited illustreerivad plokkide kasutamist algoritmi juures. Esimene näide on lihtne ilma tsüklite ja sisendite kontrollita algoritm ühekordse tegevuse teostamiseks. 7

8 Järgnev diagramm kirjeldab süsteemi, mis kontrollib 1 m ala ja kui kontrollitavasse alasse siseneb objekt, käivitab kümneks sekundiks alarmi. alarm töötab niikaua, kui objekt on kontrollitavast alast väljunud. 8

9 Programmeerimine Populaarne arvutitarkvara programmeerimiskeel C on laialt levinud ka mikrokontrollerite programmeerimisel. C on lakooniline riistvaralähedane keel, mis võimaldab kirjutada riistvara võimalusi efektiivselt kasutavat programmikoodi. C-keele süntaksis on võtmesõnu minimaalselt, kuid sisaldab palju erineva tähendusega märke, mis teevad keele õppimise algajale keerukamaks. Järgnev peatükk sisaldab lühiülevaadet C-keele süntaksi osadest, mida saab kasutada praktiliste ülesannete juures. Algajal on C-keele kohta soovitatav lugeda täiendavaid materjale. Programmi ülesehitus Tüüpiline C-keele programmi ülesehitus: /* Päisefailide kaasamine */ #include <avr/io.h> #include <stdio.h> /* Makro-deklaratsioonid */ #define PI /* Andmetüübid */ typedef struct int a, b; element; /* Globaalsed muutujad */ element e; /* Funktsioonid */ int main(void) // Lokaalsed muutujad int x; // Programm printf("tere maailm!\n"); 9

10 Kommentaarid Programmi saab kirjutada teksti, mida ei kompileerita ja mis on programmeerijale abiks selgitamisel või märkmete tegemisel. Samuti saab kommentaare kasutada programmilõikude ajutiseks täitmisest kõrvaldamiseks. Näide kahte liiki kommentaaridest: // Üherealine kommentaar. // Kommentaariks loetakse kahe kaldkriipsu järel olevat teksti /* Mitmerealine kommentaar Kommentaari algus ja lõpp määratakse kaldkriipsude ja tärnidega */ Andmed Andmetüübid C-keele baasandmetüübid: Tüüp Miinimum Maksimum Bitte Baite (signed) char unsigned char (signed) short unsigned short (signed) long unsigned long float double Sulgudes olevat sõna signed ei pea kasutama, kuna vaikimisi ongi andmetüübid bipolaarsed. AVR mikrokontrolleril int = short PC arvutil int = long C-keeles puudub spetsiaalne teksti-andmetüüp. Selle asemel kasutatakse char tüüpi massiive ja ASCII tähestikku, kus igal tähel ja märgil on oma järjekorranumber. 10

11 Muutujad Programmis saab kasutada kindlat andmetüüpi mälupesasid - muutujaid. Muutujate nimed võivad sisaldada ladina tähestiku tähti, numbreid ja alakriipsu. Nimi ei tohi alata numbriga. Muutuja deklareerimisel kirjutatakse selle ette andmetüüp. Väärtuse omistamiseks muutujale kasutatakse võrdusmärki (=). Näide muutujate kasutamisest: // char tüüpi muutuja c deklareerimine char c; // Muutujale c väärtuse omistamine. c = 65; c = 'A'; // A on ASCII märgisüsteemis samuti väärtusega 65 // int tüüpi muutuja i20 deklareerimine ja algväärtustamine int i20 = 55; // Mitme unsigned short tüüpi muutuja deklareerimine unsigned short x, y, test_variable; Näide: unsigned char buffer = 0xAA; unsigned char timeout = 100; Konstandid Konstante deklareeritakse samamoodi nagu muutujaid, kuid ette lisatakse const võtmesõna. Konstantide väärtust ei saa programmi käigus muuta. Näide kasutamisest: // int tüüpi konstandi määramine const int x_factor = 100; Struktuurid Baasandmetüüpidest saab struct võtmesõnaga struktuure koostada. Struktuur on justkui kombineeritud andmetüüp. Tüüpi deklareeritakse typedef võtmesõnaga. Näide struktuurist andmetüübi loomise ja kasutamise kohta: // Uue punkti andmetüübi deklareerimine typedef struct // x ja y koordinaat ning värvikood int x, y; char color; point; 11

12 // Punkti muutuja deklareerimine point p; // Punkti koordinaatide määramine p.x = 3; p.y = 14; Massiivid Andmetüüpidest võib koostada massiive (jadasid). Massiiv võib olla ka mitmemõõtmeline (tabel, kuup, jne). Näide ühe- ja kahemõõtmelise massiivi kasutamisest: // Ühe- ja kahemõõtmelise massiivi deklareerimine char text[3]; int table[10][10]; // Teksti moodustamine tähemassiivist text[0] = 'H'; // Täht text[1] = 'i'; // Täht text[2] = 0; // Teksti lõpetamise tunnus (null-bait) // Tabeli ühe elemendi muutmine table[4][3] = 1; Avaldised Muutujate, konstantide ja väärtust tagastavate funktsioonidega saab koostada avaldisi (tehteid). Avaldise väärtusi saab omistada muutujatele, neid saab kasutada funktsiooni parameetritena ja erinevates tingimuslausetes. Aritmeetilised tehted C-keeles toetatud aritmeetilised tehted on liitmine (+), lahutamine (-), korrutamine (*), jagamine (/) ja mooduli võtmine (%). Näited aritmeetiliste tehete kasutamisest: int x, y; // Mooduli võtmine, korrutamine ja väärtuse omistamine // x saab väärtuse 9 x = (13 % 5) * 3; // Liitev-omistav operaator // x väärtuseks saab 14 x += 5; // Ühe lahutamise kiirmeetod // x väärtuseks saab 13 x--; 12

13 Loogilised tehted Loogilised tehted on eitus (!), loogiline korrutamine (&&) ja loogiline liitmine ( ). Näide tehete kasutamisest: bool a, b, c; // Algväärtustamine a = true; b = false; // Eitus // c väärtus tuleb väär sest tõest eitati c =!a; // Loogiline korrutamine // c väärtuseks tuleb väär, sest üks operandidest on väär c = a && b; // Loogiline liitmine // c väärtus tuleb tõene, sest üks operandidest on tõene c = a b; NB! bool andmetüüp C-keeles tegelikult puudub, selle asemel on kasutusel täisarvud, kus 0 tähistab väära ja iga muu arv tõest väärtust. Näiteks Kodulabori teegis on defineeritud bool kui unsigned char. Konstant true tähistab seal väärtust 1 ja false väärtust 0. Võrdlused Arvude väärtuste võrdlemisel saadakse loogilised väärtused. Võrdlustehted on samaväärsus (==), erinevus (!=), suurem (>), suurem-võrdne (>=), väiksem (<) ja väiksem-võrdne (<=). Näide kasutamisest: int x = 10, y = 1; // Suurem-kui võrdlustehe, mis on tõene // Tehte ümber on sulud vaid selguse pärast bool b = (5 > 4); // Erinevuse tehe // Tehte tulemus on väär b = (4!= 4); // Aritmeetiline, võrdlus ja loogiline tehe üheskoos // b tuleb väär, sest esimene loogilise korrutise operand on väär b = (x + 4 > 15) && (y < 4); 13

14 Bititehted Bititehted on andmetega binaarses arvusüsteemis tegelemiseks. Neid saab rakendada kõigi täisarv-tüüpi andmetega. Bititehted sarnanevad loogiliste tehetega, kuid erinevad selle poolest, et tehe teostatakse iga bitiga eraldi, mitte kogu arvuga. C keeles on bititeheteks inversioon (~), konjunktsioon (&), disjunktsioon ( ), antivalentsus (^), nihe vasakule (<< ja nihe paremale (>>). // Märgita 8-bitise char-tüüpi muutuja deklareerimine // Muutuja väärtus on kümnendsüsteemis 5, kahendsüsteemis 101 unsigned char c = 5; // Muutuja c disjunktsioon arvuga 2 (kahendsüsteemis 010) // c väätuseks saab 7 (kahendsüsteemis 111) c = c 2; // Bitinihe vasakule 2 võrra // c väärtuseks saab 28 (kahendsüsteemis 11100) c = c << 2; Bititehted on hädavajalikud mikrokontrollerite registrite kasutamisel. Täpsemalt tutvustab neid AVR registrite peatükk. Funktsioonid Funktsioon on programmilõik, mida saab selle nime järgi täitmiseks välja kutsuda. Funktsioonil võivad olla parameetrid ja funktsioon võib tagastada ühe väärtuse. Kui funktsioon ei tagasta väärtust, on selle tüüp void. Kui funktsioonil pole parameetreid, tuleb vanemat C-keele kompilaatorit kasutades void kirjutada ka parameetrite deklaratsiooni asemele. Näide liitmisfunktsioonist ja tagastamisväärtuseta funktsioonist: // Kahe int tüüpi parameetriga funktsiooni deklareerimine // Funktsioon tagastab int-tüüpi väärtuse int sum(int a, int b) // Kahe arvu liitmine ja summa tagastamine return a + b; // Ilma parameetrite ja tagastatava väärtuseta funktsioon void power_off(void) 14

15 Funktsiooni kasutamiseks tuleb see välja kutsuda. Funktsioon peab programmikoodis olema deklareeritud enne välja kutsumise kohta. Näide liitmisfunktsiooni väljakutsumisest. int x; int y = 3; // Liitmisfunktsiooni väljakutsumine // Parameetriteks on muutuja ja konstandi väärtus x = sum(y, 5); // Väljalülitamise funktsiooni väljakutsumine // Parameetrid puuduvad power_off(); C-keele programmi täitmist alustatakse main nimelisest funktsioonist, mis teeb selle kohustuslikuks funktsiooniks. Näide: // // Põhiprogramm // int main(void) // LED-ide viikude väljundiks seadmine pin_setup_output(led_red); pin_setup_output(led_yellow); pin_setup_output(led_green); // Punase ja rohelise LED-i põlema panek pin_clear(led_red); pin_clear(led_green); // Kollase LED-i kustutamine pin_set(led_yellow); Laused Tingimuslause Tingimuslause võimaldab vastavalt sulgudes oleva avaldise tõesusele täita või mitte täita tingimusele järgnevat lauset või programmilõiku. Tingimuslause võtmesõna on if. Näide kasutamisest: 15

16 // Avaldis on tõene ja lause x = 5 täidetakse, // sest on suurem kui 2 if ((2 + 1) > 2) x = 5; // Kui x on 5 ja y on 3, siis täidetakse järgnev programmilõik if ((x == 5) && (y == 3)) // Suvaline tegevus y = 4; my_function(); Tingimuslause võib olla pikem ja sisaldada ka lauset või programmilõiku, mis täidetakse avaldise mittetõesuse korral. Selleks tuleb if tingimuslause järel kasutada else võtmesõna. // Kas x on 5? if (x == 5) // Suvaline tegevus z = 3; // Kui x ei olnud 5, kas siis x on 6? else if (x == 6) // Suvaline tegevus q = 3; // Kui x ei olnud 5 ega 6... else // Suvaline tegevus y = 0; Näide: // Kontroll, kas nupp vajutati alla, ehk kas uus olek on 1 ja vana 0 if ((!new_value) && (old_value)) // Loenduri suurendamine ja mooduli 3 võtmine counter = (counter + 1) % 3; // Loenduri väärtusele vastava LED süütamine 16

17 Valikulause Kui on vaja võrrelda avaldist mitme erineva väärtusega, on mõistlik kasutada valikulauset switch võtmesõnaga. Näide kasutamisest: int y; // Tingimuslause y võrdlemiseks switch (y) // y on 1? case 1: // Suvaline tegevus function1(); break; // y on 2? case 2: // Suvaline tegevus function2(); break; // Kõik muud juhtumid default: // Suvaline tegevus functionx(); // break lauset pole vaja, // kuna võrdlemine lõppeb nagunii Näide: switch (index) case 0: timer1_set_compare_match_unita_value(value); if(ocr1a == 0) DDRB &= ~(1 << DDB5); else DDRB = (1 << DDB5); break; case 1: timer1_set_compare_match_unitb_value(value); if(ocr1b == 0) DDRB &= ~(1 << DDB6); else DDRB = (1 << DDB6); break; 17

18 Tsüklid Tsüklitega saab programmilõiku täita mitmeid kordi. while while võtmesõnaga tähistatud programmilõiku täidetakse seni, kuni sulgudes olev avaldis on tõene. int x = 0; // Tsükkel kestab seni, kuni x on väiksem kui 5 while (x < 5) // x suurendamine ühe võrra x++; Näide: // Lõputu tsükkel while (true) // Termistori pinge 4-kordselt ümardatud väärtuse lugemine value = adc_get_average_value(2, 4); // ADC väärtuse kraadideks ümberarvutamine temperature = thermistor_calculate_celsius(value); // Temperatuuri tekstiks teisendamine // Kraadi märgi kuvamiseks on oktaalarv 56 sprintf(text, "%d\56c ", temperature); // Teksti kuvamine LCD kolmandal real lcd_gfx_goto_char_xy(5, 3); lcd_gfx_write_string(text); hw_delay_ms(1000); 18

19 for for võtmesõnaga tsükkel sarnaneb while tsüklile, kuid lisaks on sulgudes ära määratud enne tsüklit täidetav lause ja iga tsükli ajal täidetav lause. int i, x = 0; // Algul määratakse i nulliks. Tsüklit täidetaks seni, kuni // i on vähem kui 5. Iga tsükli lõpus suurendatakse i ühe võrra for (i = 0; i < 5; i++) // x suurendamine 2 võrra x += 2; // Siinkohal tuleb x väärtuseks 10 Näide: // LED-ide viikude väljundiks ja nuppude // viikude sisendiks seadmine for (i = 0; i < 3; i++) pin_setup_output(leds[i]); pin_setup_input(buttons[i]); Tsüklis liikumine while ja for tsüklitest saab erandkorras väljuda break võtmesõnaga. continue võtmesõnaga saab alustada järgmist tsüklit ilma järgnevat koodi täitmata. int x = 0, y = 0; // Lõputu tsükkel, kuna 1 on loogiline tõesus while (1) // Tsüklist väljutakse, kui x on saavutanud väärtuse 100 if (x >= 100) break; // x suurendamine, et tsükkel kunagi lõppeks ka x++; // Kui x on 10 või vähem, siis alustatakse järgmist tsüklit if (x <= 10) continue; // y suurendamine y++; // Siinkohal on y väärtus 90 19

20 Tekstitöötlus Tekstitöötlusfunktsioone on mikrokontrolleri puhul vaja eelkõige teksti kuvamiseks LCD ekraanile. sprintf sprintf funktsioon toimib sarnaselt C-keeles üldlevinud printf funktsiooniga. Erinevuseks on funktsiooni tulemuse väljastamine puhvrisse (muutujasse), mitte standard väljundisse. Näide: // tagastus = sprintf(muutuja, parameetritega_tekst, parameetrid); int r = sprintf(buffer, "%d pluss %d on %d", a, b, a+b); Väärtustab muutuja vormindatud tekstiga, mis on antud funktsiooni teisest kuni n parameetrini. Sprintf funktsioon lihtsustab keerulisemate fraaside või lausete koostamist. Mugavam on kasutada tekstis muutujaid, mis asendatakse väärtustega. Funktsioon tagastab muutujasse salvestatud teksti pikkuse. Vea korral tagastatakse negatiivne arv. Näide: sprintf(x, "%d. on esimene", 1); // sama tulemuse saaksime ka nii: x = "1. on esimene"; sprintf(x, "%s on %d aastat vana", "Juku", 10); // sama tulemuse saaksime ka nii: x = "Juku on 10 aastat vana"; %s ja %d on antud juhul parameetrid, mis asendatakse vastavalt muutjate väärtustega, mis on funktsiooni viimasteks parameetriteks. Niipalju, kui on parameetreid, peab olema ka muutujaid. Esimese näite puhul oli meil parameetriks %d, mis asendati muutuja väärtusega 1. Teise näite puhul olid parameetriteks %s ja %d, mis asendati vastavalt muutuja väärtustega Juku ja 10. Just nimelt sellises järjekorras, sest %s ootab väärtust teksti kujul ja %d numbrilist väärtust. Erinevate andmetüüpide jaoks on olemas vastavad muutujate kirjeldused: 20

21 Parameeter Kirjeldus Näide %c Tähemärk a %i või %d Täisarv 123 %f Murdarv 3,14 %s Tekst näide %X Heksadetsimaalarv 3F #include <stdio.h> int main () char buffer [50]; int n, a=5, b=3; n=sprintf (buffer, "%d pluss %d on %d", a, b, a+b); printf ("\"%s\" on %d markki pikk\n",buffer,n); return 0; 21