المداخل والمخارج الرقمية

3.1 الطرف الرقمي: حالتان، وجهد وتيار – הדק ספרתי: מתחים וזרמים (Digital Pin)

الطرف (הדק) في الوضع الرقمي يعرف حالتين فقط: 1 وهو المستوى العالي، و0 وهو المستوى المنخفض. وفي لوحتينا يعني 1 جهدا قريبا من 3.3 V، ويعني 0 جهدا قريبا من الصفر. ويعمل الطرف بأحد وضعين:

• طرف مُدخَل (כניסה): يقيس الجهد الآتي من الخارج ولا يفرض جهدا، ويكاد لا يسحب تيارا. وتحدّد ورقة البيانات عتبتين: فوق الأولى يُقرأ 1، وتحت الثانية يُقرأ 0، وما بينهما غير مضمون.
• طرف مُخرَج (יציאה): يفرض الجهد بنفسه، ويعطي تيارا للحمل أو يستقبله منه.

ولكل من الوضعين حدود. ما يقوله توثيق مايكروبايثون عن لوحتينا:

3.2 نوعان من المُخرَج – סוגי מוצא (Output Types)

داخل الطرف مفتاحان إلكترونيان. وطريقة استعمالهما هي التي تحدّد نوع المُخرَج:

• مُخرَج الدفع والسحب (דחיפה-משיכה)، Pin.OUT: عند 1 يصل الطرف بـ3V3، وعند 0 يصل بـGND. هو الوضع المعتاد، ونستعمله في كل برامج هذا الفصل.
• مُخرَج المصرف المفتوح (ניקוז פתוח)، Pin.OPEN_DRAIN: عند 0 يصل الطرف بـGND، وعند 1 لا يصل بشيء، فيحتاج إلى مقاومة خارجية ترفع الجهد. بهذا تتشارك عدة شرائح سلكا واحدا دون تعارض، وسنراه في ناقل I2C في الفصل 9.

3.3 الثنائي الباعث للضوء ومقاومته – נורית ונגד (LED and Resistor)

الثنائي الباعث للضوء (נורית) يمرّر التيار في اتجاه واحد، من المصعد إلى المهبط، والجهد عليه شبه ثابت ونسمّيه الجهد الأمامي V_F. لذلك لا نوصله بالطرف مباشرة: لا شيء يحدّ التيار إلا مقاومة نضعها معه على التوالي.

3.4 البرنامج الأول: الوميض – מהבהב (Blink)

على كل لوحة من اللوحتين ثنائي باعث للضوء جاهز، فلا نحتاج إلى أي توصيل. نبدأ بـESP32، وفي أغلب لوحات DevKit هو على الطرف 2، وعلينا التأكد من ذلك في لوحتنا:

from machine import Pin
import time

led = Pin(2, Pin.OUT)

while True:
    led.value(not led.value())
    print("LED:", led.value())
    time.sleep(0.5)

LED: 1
LED: 0
LED: 1
...

Pin(2, Pin.OUT) ينشئ كائنا للطرف 2 ويجعله مُخرَجا، وled.value(not led.value()) يقلب حالته: يقرأ الحالة ويكتب عكسها. وفي الإصدارات الحديثة من مايكروبايثون توجد أيضا led.toggle()، لكنها لا تعمل في كل إصدار. ولوضعه عند 1 أو 0 نكتب led.on() أو led.off().

أما على Pico W فالثنائي ليس على طرف عادي، بل موصول بشريحة اللاسلكي، فنصل إليه بالاسم "LED": نكتب Pin("LED", Pin.OUT). وهذا السطر نفسه يتوقف بخطأ على ESP32، لأن الاسم غير معروف هناك.

3.5 الملف board.py: فصل العتاد عن المنطق – הפרדת חומרה מלוגיקה (board.py)

نسخ البرنامج وتغيير الأرقام فيه يصلح لبرنامج قصير واحد، ويفشل حين تصبح البرامج كثيرة. والفروق بين اللوحتين لا تقف عند الثنائي:

الحل هو ما نفعله في بقية الكتاب: نجمع كل ما يخص اللوحة في ملف واحد اسمه board.py. لكل لوحة ملفها، والأسماء فيهما واحدة والقيم مختلفة. هذا ما نسمّيه فصل العتاد عن المنطق (הפרדת חומרה מלוגיקה): البرنامج يقول ماذا يريد، والملف يعرف أين هو.

# board.py - ESP32 DevKit
from machine import ADC, I2C, PWM, SPI, UART, Pin, Timer

LED = 2
LED_EXT = 13
BTN = 14

# board.py - Raspberry Pi Pico W / Pico 2 W
from machine import ADC, I2C, PWM, SPI, UART, Pin, Timer

LED = 'LED'
LED_EXT = 15
BTN = 14

نحفظ على اللوحة الملف الخاص بها، باسم board.py. والبرنامج التالي لا يذكر رقما ولا اسم لوحة. شغّلناه عند بناء الكتاب على اللوحتين، فأعطى لكل منهما قيمتها:

from machine import Pin
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
led.on()
print("board.LED is", repr(board.LED))
print("level:", led.value())

board.LED is 2
level: 1

board.LED is 'LED'
level: 1

والآن نكتب الوميض مرة واحدة لكل اللوحات. سطر واحد تغيّر عن برنامج ESP32، وسطر أضفناه:

from machine import Pin
import time
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)

while True:
    led.value(not led.value())
    print("LED:", led.value())
    time.sleep(0.5)

LED: 1
LED: 0
LED: 1
...

3.6 الزر: طرف مُدخَل ومقاومة سحب – לחצן ונגד משיכה (Button and Pull-up)

الزر (לחצן) يوصل طرفين عند الضغط ويفصلهما عند التحرير. لو وصلنا الزر بين الطرف وGND فقط، لكان الطرف عند التحرير عائما (הדק צף): غير موصول بشيء، فيلتقط الضجيج وتتغيّر قراءته عشوائيا. لذلك نضيف مقاومة السحب (נגד משיכה)، وهي موجودة داخل الشريحة ونشغّلها بـPin.PULL_UP.

from machine import Pin
import time
import board

btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
led = Pin(board.LED, Pin.OUT)

while True:
    pressed = btn.value() == 0
    led.value(1 if pressed else 0)
    print("pressed" if pressed else "released")
    time.sleep(0.5)

released
pressed
pressed
released
...

3.7 ارتداد التلامس – קפיצות מגע (Contact Bounce)

نريد عدّادا للضغطات، يعدّ عند الانتقال من 1 إلى 0 فقط. لكن التلامس داخل الزر قطعتا معدن، وعند الضغط ترتدّان عدة مرات قبل أن تستقرّا:

الحل في البرنامج بسيط: عندما نرى الانتقال ننتظر حتى يستقر التلامس، ثم نقرأ من جديد. إذا بقي الطرف عند 0 فهي ضغطة حقيقية:

from machine import Pin
import time
import board

DEBOUNCE_MS = 20
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
count = 0
last = 1

while True:
    level = btn.value()
    if last == 1 and level == 0:
        time.sleep_ms(DEBOUNCE_MS)
        level = btn.value()
        if level == 0:
            count += 1
            print("count =", count)
    last = level
    time.sleep_ms(5)

count = 1
...

شغّلنا البرنامج نفسه أيضا بعد حذف الانتظار والقراءة الثانية، مع الدخل نفسه، فكان آخر ما طبعه count = 3: ضغطة واحدة صارت 3 ضغطات.

انتظار 20 ms طويل بالنسبة إلى الارتداد وقصير بالنسبة إلى الإنسان، وهو قيمة نبدأ بها ونعدّلها حسب الزر. وللحل ثمن: البرنامج لا يفعل شيئا آخر أثناء الانتظار، وسنتجاوز ذلك في الفصل 4.

3.8 مشروع: إشارة مرور – רמזור (Traffic Light)

نجمع كل ما تعلّمناه: ثلاثة مخارج وزر واحد. تبقى الإشارة خضراء حتى يضغط أحد المشاة الزر، ثم تكمل دورتها. ونصف المراحل في جدول، فيبقى البرنامج قصيرا ويسهل تغيير الأزمنة.

from machine import Pin
import time
import board

red = Pin(board.LED_EXT, Pin.OUT)
yellow = Pin(board.SERVO, Pin.OUT)
green = Pin(board.BUZZER, Pin.OUT)
btn = Pin(board.BTN, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

PHASES = (("red", 1, 0, 0, 3),
          ("red+yellow", 1, 1, 0, 1),
          ("green", 0, 0, 1, 0),
          ("yellow", 0, 1, 0, 1))

while True:
    for name, r, y, g, seconds in PHASES:
        red.value(r)
        yellow.value(y)
        green.value(g)
        print(name)
        if seconds > 0:
            time.sleep(seconds)
        else:
            while btn.value() == 1:
                time.sleep_ms(20)

red
red+yellow
green
yellow
red
...

أهمّ أفكار الفصل:

• الطرف الرقمي مُدخَل أو مُخرَج، وله حدود جهد وتيار نأخذها من التوثيق وورقة البيانات، لا من الذاكرة.
• board.py يجمع ما يخص اللوحة: board.LED هو 2 في ESP32 و"LED" في Pico W، والبرنامج لا يتغيّر.
• مع Pin.PULL_UP يقرأ الزر المضغوط 0.
• الضغطة الواحدة قد تصل انتقالات كثيرة، فننتظر ونقرأ من جديد.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

from machine import Pin
import time
import board

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
for n in range(6):
    led.value(not led.value())
    time.sleep(0.2)
print("done:", led.value())