الاتصال التسلسلي وأسس البرمجة النافذية

10.1 مبادئ الاتصال التسلسلي غير المتزامن – עקרונות בתקשורת טורית אסינכרונית

تكفي ثلاثة أسلاك لوصل الحاسوب بالمتحكّم: خط إرسال TX، خط استقبال RX، وأرضي مشترك GND تُقاس الجهود بالنسبة إليه. وفي لوحة أردوينو تصل هذه الخطوط إلى شريحة على اللوحة تنقل معطياتها عبر كبل USB، ويراها الحاسوب كمنفذ له اسم مثل COM3.

البايت ليس ثماني خانات فقط، فهناك خانتان على الأقل تحيطان به، كما سنرى حالا. ولذلك نحسب عشر خانات لكل بايت:

baud = 9600
bit_time = 1 / baud
bits_per_byte = 1 + 8 + 1
byte_time = bits_per_byte * bit_time
print(round(bit_time * 1000000, 1), "us per bit")
print(round(byte_time * 1000, 3), "ms per byte")
print(baud // bits_per_byte, "bytes per second")

104.2 us per bit
1.042 ms per byte
960 bytes per second

إطار البايت:

البايت الواحد ينتقل داخل إطار (מסגרת) له أجزاء ثابتة. نتبع في الشكل التالي الحرف "L"، وقيمته بالنظام الثنائي 01001100:

• الخط في حالة الراحة يبقى عند القيمة 1. لذلك يختلف الخط الساكن عن خط مقطوع.
• خانة البداية (סיבית התחלה) قيمتها 0 دائما. الهبوط من 1 إلى 0 يقول للمستقبِل أن يبدأ العدّ الآن.
• خانات المعطيات، وعددها عادة ثمان، تُرسل من الخانة الأقل وزنا D0 إلى الأعلى وزنا D7. ولهذا يظهر البايت على الخط مقلوبا.
• خانة الزوجية P اختيارية، وسنشرحها بعد قليل.
• خانة النهاية (סיבית סיום) قيمتها 1 دائما، وهي تعيد الخط إلى الراحة، فيكون الهبوط التالي واضحا.

الاختصار 8N1 هو الضبط الأكثر شيوعا: ثماني خانات معطيات، بلا زوجية N، وخانة نهاية واحدة، أي عشر خانات لكل بايت. وبهذا الضبط تعمل اللوحة والمكتبة ما لم نطلب غيره.

ch = "L"
bits = bin(ord(ch))[2:]
bits = "0" * (8 - len(bits)) + bits
print("Byte:", bits)
data = bits[::-1]
print("Sent first to last:", data)
parity = bits.count("1") % 2
print("Even parity bit:", parity)
frame = "0" + data + str(parity) + "1"
print("Frame:", frame, "=", len(frame), "bits")

Byte: 01001100
Sent first to last: 00110010
Even parity bit: 1
Frame: 00011001011 = 11 bits

def parity_ok(data, parity):
    return (data + parity).count("1") % 2 == 0

print(parity_ok("00110010", "1"))
print(parity_ok("10110010", "1"))
print(parity_ok("10110011", "1"))

True
False
True

السطر الأول إطار سليم. في السطر الثاني انقلبت خانة واحدة بسبب تشويش، فاكتشفنا ذلك. وفي السطر الثالث انقلبت خانتان، فبقي العدد زوجيا ولم نكتشف شيئا. إذن فحص الزوجية يكتشف عددا فرديا من الأخطاء فقط، ولا يدل على مكان الخطأ ولا يصلحه.

baud = 2400
bits = 1 + 7 + 1 + 2
print(bits)
print(baud // bits)

10.2 استعمال الفئة serial لإنشاء الاتصال – שימוש במחלקה serial לצורך יצירת תקשורת

اسم الحزمة التي نثبّتها pyserial، لكن اسم الوحدة في الشيفرة import serial، وفيها الفئة serial.Serial بحرف كبير. المنهاج يقول «الفئة serial»، ويقصد هذه. وقبل أن نفتح الاتصال نسأل عن المنافذ الموجودة، ونجدها أيضا في «إدارة الأجهزة» في ويندوز، أو في بيئة أردوينو تحت القائمة Tools ثم Port:

from serial.tools import list_ports

for info in list_ports.comports():
    print(info)
    print(info.device)

COM3 - Arduino Uno (COM3)
COM3

إنشاء كائن من الفئة Serial يفتح المنفذ (יציאה) فورا:

import serial
import time

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
print(port.port)
print(port.baudrate)
print(port.timeout)
print(port.is_open)
port.close()
print(port.is_open)

COM3
9600
1
True
False

• الوسيط الأول اسم المنفذ، والثاني معدّل الاتصال، ويجب أن يساوي ما كتبناه في اللوحة.
• الوسيط timeout هو مهلة الانتظار (פסק זמן) بالثواني: كم تنتظر القراءة قبل أن تعود بما وصل.
• الأمر time.sleep(2) ليس زينة: تعيد لوحة أردوينو تشغيل نفسها عند فتح المنفذ، وما نرسله في أثناء ذلك يضيع. في مُخرَجات الكتاب لا ينتظر هذا الأمر، أما مع اللوحة فهو ضروري: جرّبنا على لوحة Uno من دونه، فعادت القراءة الأولى فارغة بعد ثانية.
• الصفة is_open تجيب هل المنفذ مفتوح، وclose() تغلقه لكي تستطيع برامج أخرى أن تستعمله.

وللفئة وسائط أخرى تصف الإطار نفسه من البند 10.1:

import serial
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1,
                     parity=serial.PARITY_EVEN)
print(port.bytesize, port.parity, port.stopbits)
port.close()

8 E 1

import serial
port = serial.Serial("COM7", 9600, timeout=1)
print("Opened")

serial.serialutil.SerialException: could not open port 'COM7':
FileNotFoundError(2, 
'The system cannot find the file specified.', None, 2)

import serial
port = serial.Serial("COM3", 19200, timeout=2)
print(port.port, port.baudrate)
print(port.is_open)
port.close()
print(port.is_open)

10.3 استعمال العمليّات write وwritelines وopen وclose وread وreadline وread_until وget_settings – שימוש בפעולות write, writelines, open, close, read, readline, read_until, get_settings

الجمل النصية والبايتات:

البرنامج يتعامل مع الأحرف، أما الخط فينقل بايتات. ولذلك نحتاج إلى نوع جديد قبل أن نكتب شيئا.

text = "PING\n"
data = text.encode()
print(data)
print(type(data))
print(len(data))
print(data[0])
print(data.decode() == text)
print(b"OK\r\n".strip())

b'PING\n'
<class 'bytes'>
5
80
True
b'OK'

العمليّة encode تحوّل الجملة النصية إلى بايتات، والعمليّة decode تعيدها جملة نصية. والعنصر الواحد من bytes عدد لا حرف: 80 هو رمز الحرف P، كما رأينا مع ord في الفصل 2. أما strip فتعمل هنا كما تعمل في الجمل النصية.

import serial
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
port.write("PING\n")

TypeError: unicode strings are not supported, please encode to bytes: 'PING\n'

الكتابة والقراءة: write وreadline:

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
count = port.write(b"PING\n")
print(count)
raw = port.readline()
print(raw)
answer = raw.decode().strip()
print(answer)
print(answer == "PONG")
port.close()

5
b'PONG\r\n'
PONG
True

العمليّة write تعيد عدد البايتات التي أُرسلت. وما تعيده readline نوعه bytes، وفي آخره الرمزان \r و\n، لأن اللوحة تنهي كل جواب بهما. لذلك نقرأ بخطوتين: decode ثم strip، ويمكن أن نكتبهما في تعبير واحد: port.readline().decode().strip().

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
port.write(b"PING")
print(port.readline())
port.write(b"\n")
print(port.readline())
port.close()

b''
b'PONG\r\n'

قراءة أجزاء: read وread_until:

العمليّة read(n) تعيد حتى n من البايتات، وبايتا واحدا إذا لم نحدد. إذا وصل أقل من ذلك عادت بما وصل عند انتهاء المهلة، وإذا لم يصل شيء عادت بقيمة فارغة. والعمليّة read_until تقرأ حتى تصل إلى البايتات التي نحددها، وتُبقيها ضمن النتيجة، ومن دون وسيط تتوقف عند \n، مثل readline:

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
port.write(b"PING\n")
print(port.read())
print(port.read(2))
print(port.read(100))
print(port.read(100))
port.write(b"READ\n")
print(port.read_until(b";"))
print(port.read_until())
port.close()

b'P'
b'ON'
b'G\r\n'
b''
b'BAT=12.12;'
b'TMP=30.8\r\n'

كتابة عدة أوامر: writelines:

العمليّة writelines تكتب قائمة من bytes واحدا بعد الآخر. وهي لا تضيف \n من عندها، على الرغم من اسمها. أرسلنا ثلاثة أوامر، فوصلت ثلاثة أجوبة بالترتيب، أما القراءة الرابعة فلم تجد شيئا:

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
commands = [b"LED 1 ON\n", b"LED 2 ON\n", b"PING\n"]
port.writelines(commands)
print(port.readline())
print(port.readline())
print(port.readline())
print(port.readline())
port.close()

b'OK\r\n'
b'OK\r\n'
b'PONG\r\n'
b''

الفتح والإغلاق: open وclose:

إذا أنشأنا الكائن بلا اسم منفذ لم يُفتح شيء، فنضبط صفاته أولا، ثم نفتحه بالعمليّة open. هذا مفيد عندما نختار المنفذ بعد أن يبدأ البرنامج. أما الكتابة بعد close فتوقف البرنامج، كما في آخر المُخرَج:

import serial
port = serial.Serial()
print(port.is_open)
port.port = "COM3"
port.baudrate = 9600
port.timeout = 1
port.open()
print(port.is_open)
port.close()
print(port.is_open)
port.write(b"PING\n")

False
True
False
serial.serialutil.PortNotOpenError: Attempting to use a port that is not open

قراءة الضبط: get_settings:

العمليّة get_settings تعيد قيم ضبط المنفذ، وهي مفيدة لكي نتأكد منه قبل أن نبحث عن خطأ في مكان آخر. النتيجة قاموس (מילון)، وهو بنية معطيات سنتوسع فيها في الفصل 11. يكفينا الآن أن قيمة كل اسم تُقرأ بين قوسين مربعين:

import serial
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
settings = port.get_settings()
print(settings["baudrate"])
print(settings["bytesize"], settings["parity"])
print(settings["stopbits"])
print(settings["timeout"])
port.close()

9600
8 N
1
1

عمليّة تجمع كل شيء:

الخطوات تتكرر في كل أمر: نضيف \n، نحوّل، نكتب، نقرأ، نحوّل وننظف. نضعها في عمليّة كما في الفصل 7، ونسميها ask. وستخدمنا في بقية الفصل، ونكرر كتابتها هي وأوامر الاستيراد في رأس كل برنامج يستعملها، لكي يعمل كل برنامج وحده:

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
print(ask(port, "PING"))
print(ask(port, "READ"))
print(ask(port, "HELLO"))
port.close()

PONG
BAT=12.12;TMP=30.8
ERR

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
port.write(b"SW?\n")
print(port.read(3))
print(port.readline().strip())
print(len(port.readline()))
port.close()

10.4 كتابة شيفرة بلغة بايثون تشغّل ثنائيات باعثة للضوء وتقرأ مفاتيح عبر الاتصال التسلسلي – כתיבת קוד בשפת python המפעיל נוריות וקולט מפסקים דרך התקשורת הטורית

أبسط البروتوكولات هو سؤال وجواب: الحاسوب يرسل أمرا في سطر، واللوحة تنفذ وتجيب بسطر واحد. وحتى الأمر غير المعروف يحظى بجواب، وإلا انتظر البرنامج شيئا لن يصل. هذا هو بروتوكول محطتنا، والأجوبة في الجدول خرجت من الأوامر نفسها:

الشيفرة التي تعمل في اللوحة:

هذا هو الطرف الآخر من الخط، وهو يُكتب بلغة أردوينو لا بلغة بايثون. نجعل الثنائيات على الأطراف 8 و9 و10، كل ثنائي عبر مقاومة تحدّ تياره، والمفتاح بين الطرف 2 والأرضي، ومقسّم جهد البطارية على A0، وحسّاس الحرارة على A1، كما حسبناهما في الفصل 2. رفعنا هذه الشيفرة إلى لوحة Uno وفحصنا أجوبتها:

const int LED_PINS[] = {8, 9, 10};
const int SWITCH_PIN = 2;
const int BATTERY_PIN = A0;
const int TEMP_PIN = A1;

String line = "";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pinMode(LED_PINS[i], OUTPUT);
  }
  pinMode(SWITCH_PIN, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  while (Serial.available() > 0) {
    char c = Serial.read();
    if (c == '\n') {
      line.trim();
      answer(line);
      line = "";
    } else {
      line += c;
    }
  }
}

العمليّة loop()، التي تنفّذها اللوحة مرة بعد مرة، تجمع الحروف في الجملة line، ولا تجيب إلا عند وصول '\n'. أي أن سطرا ناقصا يبقى منتظرا، وهذا ما رأيناه في البند 10.3. لم نستعمل هنا Serial.readStringUntil مع Serial.setTimeout، لأن تلك العمليّة تتوقف عن الانتظار بعد انقضاء المهلة وتعدّ ما وصل أمرا كاملا. بعد ذلك تأتي الإجابة:

void answer(String cmd) {
  if (cmd == "PING") {
    Serial.println("PONG");
  } else if (cmd == "SW?") {
    Serial.print("SW=");
    Serial.println(digitalRead(SWITCH_PIN) == LOW ? 1 : 0);
  } else if (cmd == "READ") {
    float bat = analogRead(BATTERY_PIN) * 5.0 / 1023 * 4;
    float tmp = analogRead(TEMP_PIN) * 5.0 / 1023 * 100;
    Serial.print("BAT=");
    Serial.print(bat, 2);
    Serial.print(";TMP=");
    Serial.println(tmp, 1);
  } else if (setLed(cmd)) {
    Serial.println("OK");
  } else {
    Serial.println("ERR");
  }
}

bool setLed(String cmd) {
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    String name = "LED " + String(i + 1);
    if (cmd == name + " ON") {
      digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
      return true;
    }
    if (cmd == name + " OFF") {
      digitalWrite(LED_PINS[i], LOW);
      return true;
    }
  }
  return false;
}

• Serial.println يضيف إلى السطر الرمزين \r و\n. هذا هو مصدر النهاية التي نزيلها بالعمليّة strip.
• Serial.print(bat, 2) تطبع عددا بمنزلتين عشريتين. بالقراءتين 620 و63 نحصل على الجواب BAT=12.12;TMP=30.8.
• مع INPUT_PULLUP يكون الطرف في حالة HIGH عند ترك المفتاح، وLOW عند الضغط، ولذلك نعكس القيمة قبل الإرسال.

تشغيل الثنائيات:

نبدأ بالأمر PING لكي نتأكد أن اللوحة موجودة، ثم نرسل الأوامر. الأمران الأخيران يبيّنان أن اللوحة ترفض رقما غير موجود، وأن الأحرف الكبيرة والصغيرة تختلف:

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
if ask(port, "PING") == "PONG":
    print("LED 1 ON:", ask(port, "LED 1 ON"))
    print("LED 3 ON:", ask(port, "LED 3 ON"))
    print("LED 3 OFF:", ask(port, "LED 3 OFF"))
    print("LED 9 ON:", ask(port, "LED 9 ON"))
    print("led 1 on:", ask(port, "led 1 on"))
else:
    print("No answer from the board")
port.close()

LED 1 ON: OK
LED 3 ON: OK
LED 3 OFF: OK
LED 9 ON: ERR
led 1 on: ERR

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
port.write(b"LED 1 ON\n")
port.write(b"READ\n")
print(port.readline())
print(port.readline())
port.close()

b'OK\r\n'
b'BAT=12.12;TMP=30.8\r\n'

قراءة المفتاح:

الجواب سطر SW=1، فنفككه بالعمليّة split من الفصل 5. وفي المحاكاة تتغيّر حالة المفتاح وحدها، أما مع اللوحة فتتغيّر عندما نضغط بأيدينا:

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
for i in range(5):
    answer = ask(port, "SW?")
    state = int(answer.split("=")[1])
    print(answer, state, state == 1)
port.close()

SW=0 0 False
SW=1 1 True
SW=1 1 True
SW=0 0 False
SW=1 1 True

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
for i in range(5):
    answer = ask(port, "SW?")
    if answer == "SW=1":
        command = "LED 1 ON"
    else:
        command = "LED 1 OFF"
    print(answer, "->", command, ask(port, command))
    time.sleep(0.1)
port.close()

SW=0 -> LED 1 OFF OK
SW=1 -> LED 1 ON OK
SW=1 -> LED 1 ON OK
SW=0 -> LED 1 OFF OK
SW=1 -> LED 1 ON OK

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
replies = 0
for led in [1, 2, 3, 4]:
    if ask(port, "LED " + str(led) + " ON") == "OK":
        replies += 1
print(replies)
port.close()

10.5 إنشاء نافذة رسومية بالمكتبة tkinter: العنوان والمقاسات والمكان على الشاشة – יצירת חלון גרפי בספרייה Tkinter: כותרת, מידות ומיקום החלון על המסך

ننتقل إلى الوجه الثاني للفصل. المكتبة tkinter تأتي مع بايثون في ويندوز، فلا نثبّت شيئا. ونستوردها بالصيغة import tkinter as tk: الاسم tk اسم مختصر نختاره، ونكتبه قبل كل ما يأتي من المكتبة.

import tkinter as tk

root = tk.Tk()
root.title("Station")
root.geometry("320x180+200+100")
root.resizable(False, False)
root.configure(bg="#e0f2fe")
root.mainloop()

النافذة التي يفتحها البرنامج

• tk.Tk() ينشئ النافذة، وtitle يكتب العنوان في الشريط العلوي.
• geometry يحدد المقاسات والمكان معا، وسنفكك صيغته حالا.
• resizable(False, False) يمنع تغيير المقاسات بالفأرة، في الاتجاهين.
• configure(bg=...) يغيّر لون الخلفية، باسمه بالإنجليزية أو بقيمته.
• mainloop() يبقي النافذة حيّة، ولا يعود حتى تُغلق. سنعود إليه في البند 10.7.

صيغة المكان هي "WIDTHxHEIGHT+X+Y"، بالبكسل، والحرف بين العرض والارتفاع هو x الصغير:

screen_w, screen_h = 1920, 1080
width, height = 320, 180
x = (screen_w - width) // 2
y = (screen_h - height) // 2
text = str(width) + "x" + str(height)
print(text + "+" + str(x) + "+" + str(y))

320x180+800+450

x, y = 50, 20
width, height = 400, 300
print(x + width, y + height)

10.6 إنشاء لافتة لعرض نص: التصميم واللون والخط والمكان – יצירת תווית (Label) לצורך הצגת טקסט: עיצוב, צבע, גופן ומיקום על המסך

لكل مكوّن خطوتان: الإنشاء نحدد فيه النافذة التي يعيش فيها وخياراته، ووضعه في مكانه.

import tkinter as tk

root = tk.Tk()
root.title("Labels")
root.geometry("340x170+200+100")

head = tk.Label(root, text="Solar station")
head.config(font=("Arial", 16, "bold"))
head.config(fg="white", bg="#0f766e")
head.place(x=20, y=15)

volts = tk.Label(root, text="Battery: 12.12 V")
volts.config(font=("Consolas", 13), fg="#b91c1c")
volts.place(x=20, y=70)

temp = tk.Label(root, text="Temp: 30.8 C", width=20)
temp.config(font=("Arial", 11), bg="#fef3c7")
temp.place(x=20, y=110)

root.mainloop()

ثلاث لافتات، كل واحدة في المكان الذي حددناه لها

الخيارات تُعطى عند الإنشاء أو بعده بالعمليّة config، وهي الاسم المختصر للعمليّة configure التي رأيناها في البند 10.5، والنتيجة واحدة. وهنا الفرق عن print: النص المعروض يبقى قابلا للتغيير طوال عمل البرنامج. config تغيّره، وcget تقرؤه.

الطريقة place تعطينا تحكما كاملا، لكننا نحسب كل شيء بأنفسنا. أما pack فترصّ المكوّنات واحدا تحت الآخر، في وسط النافذة، والخيار fill="x" يمدّ المكوّن على كل العرض، وpady يترك فراغا فوقه وتحته، وسنراها في البند التالي. والطريقة الثالثة grid تضع المكوّنات في صفوف وأعمدة، وسنستعملها في البند 10.8.

import tkinter as tk

root = tk.Tk()
info = tk.Label(root, text="A")
info.pack()
info.config(text="B")
info.config(fg="red")
info.config(text=info.cget("text") + "C")
root.mainloop()

10.7 إنشاء زرّ وكتابة حدث لتنفيذ شيفرة عند الضغط عليه – יצירת לחצן (Button) וכתיבת אירוע לצורך ביצוע קוד בעקבות לחיצה

حتى الآن كانت البرامج تعمل من أول سطر إلى آخر سطر. برنامج النافذة يعمل بطريقة أخرى: يبني كل شيء، ثم يصل إلى mainloop وينتظر، وعند كل حدث يستدعي العمليّة التي ربطناها به، ويعود لينتظر. هذه هي حلقة الأحداث (לולאת אירועים).

مثال 10.5

نبني عدّادا للضغطات: زرّ، ولافتة تعرض كم مرة ضُغط.

الحل:

import tkinter as tk

count = 0

def on_press():
    global count
    count += 1
    shown.config(text="Presses: " + str(count))

root = tk.Tk()
root.title("Counter")
root.geometry("300x120+200+100")

shown = tk.Label(root, text="Presses: 0")
shown.config(font=("Arial", 14))
shown.pack(pady=12)
button = tk.Button(root, text="Press me", command=on_press)
button.pack()

root.mainloop()

عند الفتح

بعد ثلاث ضغطات

• الوسيط command=on_press يربط الزرّ بالعمليّة on_press. هي معالج الحدث (מטפל באירוע)، ونكتب اسمها فقط، بلا قوسين.
• معالج الحدث لا يأخذ وسائط، ولا أحد يستعمل ما يعيده. لذلك يغيّر اللافتة بالعمليّة config، ويغيّر العدّاد بالأمر global كما تعلمنا في الفصل 7.
• العمليّة كُتبت قبل أن تظهر shown في البرنامج، وهذا لا يضرّ: هي تبحث عنها عند الضغط، أي بعد أن تكون قد أُنشئت.

import tkinter as tk

calls = 0

def on_press():
    global calls
    calls += 1

root = tk.Tk()
button = tk.Button(root, text="Go", command=on_press())
button.pack()
button.invoke()
button.invoke()
root.mainloop()

10.8 إنشاء مربّع نص لاستقبال معطيات من المستخدم – יצירת תיבת טקסט (TextBox) לצורך קליטת נתונים מהמשתמש

مربّع النص هو input عالم النوافذ، مع فرق مهم: input توقف البرنامج حتى يكتب المستخدم، أما المربّع فلا يوقف شيئا. نقرأ ما فيه عندما يطلب المستخدم ذلك، أي داخل معالج الحدث:

نكتب حاسبة لقانون أوم. فيها مربّعا نص وعنوان لكل مربّع، ولذلك نستعمل grid: كل مكوّن في صف وعمود، وcolumnspan يمدّ المكوّن على عمودين:

import tkinter as tk

def calculate():
    volts = float(volts_box.get())
    ohms = float(ohms_box.get())
    milli = round(volts / ohms * 1000, 2)
    result.config(text="I = " + str(milli) + " mA")

root = tk.Tk()
root.title("Ohm's law")
root.geometry("300x170+200+100")

tk.Label(root, text="Volts:").grid(row=0, column=0, pady=8)
volts_box = tk.Entry(root, width=12)
volts_box.grid(row=0, column=1)

tk.Label(root, text="Ohms:").grid(row=1, column=0)
ohms_box = tk.Entry(root, width=12)
ohms_box.grid(row=1, column=1)

go = tk.Button(root, text="Calculate", command=calculate)
go.grid(row=2, column=0, columnspan=2, pady=10)

result = tk.Label(root, text="I = ?", font=("Arial", 13))
result.grid(row=3, column=0, columnspan=2)

root.mainloop()

بعد كتابة 12 و470 والضغط على الزرّ

مثال 10.6

في البرنامج السابق، إذا كتب المستخدم abc أو ترك المربّع فارغا لم تتغيّر اللافتة، وظهرت رسالة الخطأ في الشاشة السوداء فقط، وبقيت النافذة مفتوحة: الخطأ في معالج الحدث لا يوقف حلقة الأحداث. نفحص الجملة النصية قبل التحويل بالفحص الذي بنيناه في الفصل 5، ونرفض المقاومة صفر، لأن القسمة عليه تعطي خطأ كهذا. يتغيّر رأس البرنامج فقط، أما النافذة فتبقى كما هي:

الحل:

import tkinter as tk

def is_number(text):
    digits = text.replace(".", "")
    return digits.isnumeric() and text.count(".") <= 1

def calculate():
    volts = volts_box.get().strip()
    ohms = ohms_box.get().strip()
    if is_number(volts) and is_number(ohms) and float(ohms) > 0:
        milli = round(float(volts) / float(ohms) * 1000, 2)
        result.config(text="I = " + str(milli) + " mA", fg="black")
    else:
        result.config(text="Bad value", fg="#b91c1c")

root = tk.Tk()
root.title("Ohm's law")
root.geometry("300x170+200+100")

tk.Label(root, text="Volts:").grid(row=0, column=0, pady=8)
volts_box = tk.Entry(root, width=12)
volts_box.grid(row=0, column=1)

tk.Label(root, text="Ohms:").grid(row=1, column=0)
ohms_box = tk.Entry(root, width=12)
ohms_box.grid(row=1, column=1)

go = tk.Button(root, text="Calculate", command=calculate)
go.grid(row=2, column=0, columnspan=2, pady=10)

result = tk.Label(root, text="I = ?", font=("Arial", 13))
result.grid(row=3, column=0, columnspan=2)

root.mainloop()

بعد كتابة 4.7k والضغط على الزرّ

def is_number(text):
    digits = text.replace(".", "")
    return digits.isnumeric() and text.count(".") <= 1

print(is_number("12"))
print(is_number("1.5.2"))
print(is_number(" 12"))
print(is_number(" 12".strip()))

مشروع الكتاب: محطة القياس · المرحلة 10 — المحطة تتكلّم

حتى الآن كان السطر BAT=12.42;TMP=31.5 يصل إلى البرنامج من المستخدم. الآن يصل من الخط. نرسل READ ست مرات، ونفكّ الجواب كما في الفصل 5، ونقرّر كما في الفصل 3. لكننا لا ننتظر هنا حتى تصل المحطة إلى حدّي الفصل 3 (البطارية 11.8 V والحرارة 40 درجة)، بل نشغّل ثنائيا تحذيريا قبل ذلك: عندما تهبط البطارية عن 12 V، أو تزيد الحرارة على 33 درجة.

def parse_line(line):
    battery, temp = -1.0, -1.0
    for item in line.split(";"):
        pos = item.find("=")
        name = item[:pos]
        value = float(item[pos + 1:])
        if name == "BAT":
            battery = value
        elif name == "TMP":
            temp = value
    return battery, temp

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

def parse_line(line):
    battery, temp = -1.0, -1.0
    for item in line.split(";"):
        pos = item.find("=")
        name = item[:pos]
        value = float(item[pos + 1:])
        if name == "BAT":
            battery = value
        elif name == "TMP":
            temp = value
    return battery, temp

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
led_on = False
for i in range(6):
    line = ask(port, "READ")
    if line == "":
        print("No answer")
    else:
        battery, temp = parse_line(line)
        warn = battery < 12.0 or temp > 33.0
        print(line, "warn:", warn)
        if warn and not led_on:
            print("LED 1 ON:", ask(port, "LED 1 ON"))
            led_on = True
        elif led_on and not warn:
            print("LED 1 OFF:", ask(port, "LED 1 OFF"))
            led_on = False
    time.sleep(1)
port.close()

المُخرَج

BAT=12.12;TMP=30.8 warn: False
BAT=12.08;TMP=31.3 warn: False
BAT=12.02;TMP=32.3 warn: False
BAT=11.96;TMP=33.7 warn: True
LED 1 ON: OK
BAT=11.93;TMP=34.7 warn: True
BAT=11.89;TMP=36.2 warn: True

نرسل الأمر عند التغيّر فقط، لا في كل دورة، ولذلك نحفظ الحالة في led_on. والجواب الفارغ يعني أن المهلة انتهت، فلا نحاول أن نفككه. ولم نكرر هنا فحص الأرقام من الفصل 5، بل اكتفينا بالدالة float، لأن السطر يأتي من شيفرة كتبناها بأنفسنا، وصيغته معروفة. وهذا ضروري أيضا: ذلك الفحص يرفض الحرارة السالبة، أما float فيقبلها: "-3.5".replace(".", "").isnumeric() يعطي False، وfloat("-3.5") يعطي -3.5.

ثم نضع المحطة في نافذة. الزرّ Read يعرض القراءتين، والزرّ LED 1 يبدّل حالة الثنائي الأول، ولا يبدّلها في البرنامج إلا إذا أجابت اللوحة OK. العمليّة ask هنا تعرف port بلا وسيط، لأن معالج الحدث لا يأخذ وسائط. وبعد mainloop نغلق المنفذ، وهذا السطر يُنفَّذ عند إغلاق النافذة.

import serial
import time
import tkinter as tk

def ask(command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

def on_read():
    line = ask("READ")
    if line != "":
        parts = line.split(";")
        bat_label.config(text=parts[0] + " V")
        tmp_label.config(text=parts[1] + " C")

def on_led():
    global led_on
    if led_on:
        command = "LED 1 OFF"
    else:
        command = "LED 1 ON"
    if ask(command) == "OK":
        led_on = not led_on
        state.config(text=command)

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
led_on = False

root = tk.Tk()
root.title("Station")
root.geometry("300x190+200+100")

big = ("Arial", 14, "bold")
bat_label = tk.Label(root, text="BAT=?", font=big)
bat_label.pack(pady=4)
tmp_label = tk.Label(root, text="TMP=?", font=big)
tmp_label.pack()
read_btn = tk.Button(root, text="Read", command=on_read)
read_btn.pack(pady=6)
led_btn = tk.Button(root, text="LED 1", command=on_led)
led_btn.pack()
state = tk.Label(root, text="LED 1 OFF")
state.pack(pady=4)

root.mainloop()
port.close()

بعد الضغط على Read ثم على LED 1

جاءت القراءة في الصورة من محاكاة الأردوينو، وهي القراءة الأولى نفسها في مُخرَج البرنامج أعلاه. نجرّب بأنفسنا: كيف نضيف زرّا يعرض حالة المفتاح؟ وكيف نلوّن لافتة البطارية بالأحمر تحت 12 V؟

أهمّ أفكار الفصل:

• البايت ينتقل في إطار: خانة بداية 0، معطيات من الأقل وزنا، زوجية اختيارية، وخانة نهاية 1.
• لا توجد ساعة مشتركة، ولذلك يجب أن يتساوى المعدّل في الطرفين، وإلا وصلت رموز غريبة بلا رسالة خطأ.
• الخط ينقل bytes: نكتب بواسطة encode، ونقرأ بواسطة decode ثم strip.
• نعطي timeout دائما، وننتظر بعد فتح المنفذ حتى تنتهي اللوحة من إعادة التشغيل.
• البروتوكول اتفاق: كل أمر ينتهي بـ \n، ولكل أمر جواب، ونقرأ الجواب قبل الأمر التالي.
• برنامج النافذة يبني المكوّنات ثم ينتظر في mainloop، ولا يعمل إلا عند الأحداث.
• كل مكوّن ينشأ ثم يوضع، وcommand نكتب فيه اسم العمليّة بلا قوسين.
• ما يعود من get جملة نصية: نفحصها، ثم نحوّلها.

ملخّص أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

المستوى الأول — أساسي

1.

ماذا يطبع البرنامج؟

data = "SW?\n".encode()
print(len(data))
print(data[0])
print(b"SW=1\r\n".decode().strip())
print(b"SW=1\r\n".strip().decode()[-1])

الإجابات: 4 , 83 , SW=1 , 1

2.

نضبط الخط على سبع خانات معطيات، زوجية وخانة نهاية واحدة، بمعدّل 4800. نكتب برنامجا يحسب عدد الخانات في الإطار، وزمن إرسال 100 بايت.

الإجابات:

baud = 4800
bits = 1 + 7 + 1 + 1
print(bits, "bits per byte")
print(round(100 * bits / baud * 1000, 1), "ms for 100 bytes")

يطبع: 10 bits per byte , 208.3 ms for 100 bytes

3.

نكتب برنامجا يقرأ حرفا، ويطبع خانة الزوجية له في الزوجية الزوجية وفي الزوجية الفردية.

الإجابات:

ch = input("Character: ")
ones = bin(ord(ch)).count("1")
print("Even parity bit:", ones % 2)
print("Odd parity bit:", 1 - ones % 2)

للمُدخَل L يطبع: Even parity bit: 1 , Odd parity bit: 0

4.

يوجد في البرنامج التالي أربعة أخطاء، أحدها يوقف البرنامج. نجدها ونصلحها.

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600)
time.sleep(2)
port.write("PING")
if port.readline() == "PONG":
    print("Board found")

الإجابات: لا يوجد timeout، وتُرسل جملة نصية بدل bytes، ولا يوجد \n في آخر الأمر، والجواب يُقارَن بجملة نصية قبل التحويل:

import serial
import time
port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
port.write(b"PING\n")
answer = port.readline().decode().strip()
if answer == "PONG":
    print("Board found")
port.close()

يطبع: Board found

5.

نكتب برنامجا يفتح نافذة عنوانها Panel A، مقاسها 300 في 100، في المكان (150, 60)، وفيها لافتة بأحرف بيضاء على خلفية خضراء، تمتد على كل العرض.

الإجابات:

import tkinter as tk

root = tk.Tk()
root.title("Panel A")
root.geometry("300x100+150+60")

alarm = tk.Label(root, text="ALARM OFF")
alarm.config(font=("Arial", 18, "bold"))
alarm.config(fg="white", bg="#15803d")
alarm.pack(fill="x", pady=20)

root.mainloop()

المستوى الثاني — متوسط

6.

نقرأ المفتاح عشر مرات، ونعدّ مرات الضغط. لا نعدّ كل قراءة فيها 1، فالضغطة الواحدة تستمر قراءات كثيرة، بل نعدّ الانتقال من 0 إلى 1.

الإجابات:

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
presses = 0
last = "SW=0"
for i in range(10):
    now = ask(port, "SW?")
    if now == "SW=1" and last == "SW=0":
        presses += 1
    last = now
print("Presses:", presses)
port.close()

في المحاكاة يطبع: Presses: 4. ومع مفتاح حقيقي نضيف تأخيرا قصيرا بين القراءتين، لأن تلامس المفتاح يهتزّ لحظة عند الضغط.

7.

نبني نافذة تقرأ قيمة محوّل بين 0 و1023 من مربّع نص، وتعرض الجهد عند مرجع 5 V، كما في الفصل 2.

الإجابات:

import tkinter as tk

def convert():
    adc = int(box.get())
    volts = round(adc * 5 / 1023, 2)
    shown.config(text=str(volts) + " V")

root = tk.Tk()
root.title("ADC to volts")
root.geometry("300x130+150+60")

box = tk.Entry(root, width=10)
box.pack(pady=8)
tk.Button(root, text="Convert", command=convert).pack()
shown = tk.Label(root, text="? V", font=("Arial", 14))
shown.pack(pady=8)

root.mainloop()

للقيمة 620 تعرض اللافتة 3.03 V.

المستوى الثالث — تحدٍّ

8.

نقرأ READ ست مرات، ونجمع جهود البطارية في قائمة. نطبع المتوسط، أدنى قيمة، ومقدار الهبوط بين القراءة الأولى والأخيرة.

الإجابات:

import serial
import time

def ask(port, command):
    port.write((command + "\n").encode())
    return port.readline().decode().strip()

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)
values = []
for i in range(6):
    line = ask(port, "READ")
    first = line.split(";")[0]
    values.append(float(first.split("=")[1]))
print("Average:", round(sum(values) / len(values), 2))
print("Lowest:", min(values))
print("Drop:", round(values[0] - values[-1], 2))
port.close()

في المحاكاة يطبع: Average: 12.0 , Lowest: 11.89 , Drop: 0.23

9.

نكتب عمليّة تتلقى إطارا من 11 خانة، بالصيغة 8E1 كجملة نصية، وتعيد الحرف، أو نوع الخطأ: الطول، خانتا البداية والنهاية، أو الزوجية. ونفحصها بالإطار الذي بنيناه في البند 10.1، وبنسخ مشوهة منه.

الإجابات:

def decode(frame):
    if len(frame) != 11:
        return "LENGTH ERROR"
    if frame[0] != "0" or frame[10] != "1":
        return "FRAME ERROR"
    if frame[1:10].count("1") % 2 != 0:
        return "PARITY ERROR"
    return chr(int(frame[1:9][::-1], 2))

print(decode("00011001011"))
print(decode("00011001111"))
print(decode("10011001011"))
print(decode("0001100101"))

يطبع: L , PARITY ERROR , FRAME ERROR , LENGTH ERROR

10.

نبني نافذة «طرفية»: يكتب المستخدم أمرا في مربّع نص، بأحرف كبيرة أو صغيرة. يرسله الزرّ Send إلى اللوحة، وتعرض لافتة الأمر والجواب، ويُمسح المربّع. ونفحصها بالأمر led 2 on.

الإجابات:

import serial
import time
import tkinter as tk

def send():
    text = box.get().strip().upper()
    port.write((text + "\n").encode())
    answer = port.readline().decode().strip()
    reply.config(text=text + " -> " + answer)
    box.delete(0, tk.END)

port = serial.Serial("COM3", 9600, timeout=1)
time.sleep(2)

root = tk.Tk()
root.title("Terminal")
root.geometry("300x130+150+60")

box = tk.Entry(root, width=26)
box.pack(pady=8)
tk.Button(root, text="Send", command=send).pack()
reply = tk.Label(root, text="", font=("Consolas", 11))
reply.pack(pady=8)

root.mainloop()
port.close()

بعد كتابة الأمر والضغط على الزرّ. الجواب من المحاكاة