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tags: embedded system, arduino
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# Arduino Labs
## Embedded System Knowledge
### 記憶體的種類
### 開關的上拉與下拉電阻
## Labs
### Lab 3-1 GPIO Output
將 Arduino pin 10 設為 `OUTPUT` (數位輸出)。將一顆 LED 如電路圖所示接上 pin 10 ，並寫程式讓 LED 每隔 0.5 秒閃爍一次
#### 電路圖
#### 程式碼

#define LED (10)
#define DELAY (500)

void setup() {
    // put your setup code here, to run once:
    pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
    // put your main code here, to run repeatedly:
    digitalWrite(LED, HIGH);
    delay(DELAY);
    digitalWrite(LED, LOW);
    delay(DELAY);
}

### Lab 4-1 GPIO Input
#### Lab 4-1-1 Pull-down Resistor
##### 電路圖
##### 程式碼

#define SWITCH (2)
#define LED (6)

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(SWITCH, INPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  bool inputVal = digitalRead(SWITCH);
  digitalWrite(LED, inputVal);
}

#### Lab 4-1-2 External Pull-up Resistor
##### 電路圖
##### 程式碼
程式碼與 [Lab 4-1-1 Pull-down Resistor](https://hackmd.io/52oGKzOWQFSW__jpLCpMkw?view#%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E7%A2%BC) 相同。
#### Lab 4-1-3 Internal Pull-up Resistor
啟用 Arduino 數位接腳的內建上拉電阻。根據 Atmel 公司的技術文件，此內建上拉電阻值為 20K歐姆 ~ 50K歐姆 間。==內建上拉電阻預設沒有啟用，須將接腳設定為 INPUT_PULLUP ，才可啟用內建上拉電阻==。
##### 電路圖
##### 程式碼

#define SWITCH (2)
#define LED (6)

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(SWITCH, INPUT_PULLUP);
  pinMode(LED, OUTPUT);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  bool inputVal = digitalRead(SWITCH);
  digitalWrite(LED, inputVal);
}

### Lab 4-2 Toggle LED
沿用 [Lab 4-1-1 Pull-down Resistor](https://hackmd.io/52oGKzOWQFSW__jpLCpMkw?view#Lab-4-1-1-Pull-down-Resistor) 的硬體 [電路](https://hackmd.io/52oGKzOWQFSW__jpLCpMkw?view#%E9%9B%BB%E8%B7%AF%E5%9C%961) 。將程式改為: 一開始 LED 滅。之後，按一下開關 LED 亮。再按一下開關 LED 滅。
#### 程式碼
* 全域變數
`ledState` 與 `prevSWState` 為全域變數。
`ledState` 負責記錄 LED 的狀態。初始值為 `LOW` ，也就是熄滅。
`prevSWState` 負責記錄按鈕的前一個狀態。初始值為 `RELEASED ` 。
`swState` 負責記錄按鈕目前的狀態。初始值為 `RELEASED ` 。
* `setup`
將 pin 6 (`LED`) 設定為 `OUTPUT` 。 pin 2 (`SWITCH`) 設定為 `INPUT` 。並且將 LED 設定為熄滅。
* `loop`
* 因為 Arduino 板子啟動並執行完 `setup` 後，會不斷地執行 `loop` ，所以 `loop` 不斷地讀入按鈕 (`SWITCH`) 的狀態 (即第 23 行的 `digitalRead(SWITCH)` )。若 `digitalRead(SWITCH)` 讀到的按鈕狀態為 `HIGH` (即按鈕被按下)，則將 `swState` 為 `PRESSED` 。否則，將 `swState` 為 `RELEASED` 。
* 假設此時按鈕被按下，第 24 行的敘述會被執行。所以 `swState` 會被設為 `PRESSED` 。
* 接著第 29 行的 `if` 條件句成立， `prevSWState` 會被設定為 `swState` 的值，也就是 `PRESSED` 。
* 由於此時按鈕仍為按下的狀態，所以第 33 行的 `if` 條件不成立。
* 當按鈕被放開後，第 23 行讀到按鈕的狀態為 `LOW` ，所以第 26 行會被執行。 `swState` 被設定為 `RELEASED` 。
* 因為此時 `swState` 為 `RELEASED` ，所以第 29 行的 `if` 條件句不成立，`prevSWState` 仍維持 `PRESSED` 。
* 因為 `swState` 與 `prevSWState` 分別為 `RELEASED` 與 `PRESSED` ，所以第 33 行的 `if` 條件句成立。
* `ledState` 的值被轉換成 `HIGH` 。 (第 34 行) 。然後將新的 LED 狀態寫入 `LED` (即 pin 6) ，點亮 LED。
* 然後將 `prevSWState` 設為 `RELEASED` 。 所以下一個迴圈中 (假設按鈕沒有再被按下) ，第 33 行的 `if` 條件句不成立 (因為 `swState` 與 `prevSwState` 皆為 `RELEASED`)。進而維持 LED 被點亮的狀態。
* 由上列敘述可知，LED 的狀態會在按鈕被釋放時進行轉換。
* 當按鈕再次被按下，然後放開時，LED 就會熄滅。

#define SWITCH (2)
#define LED (6)

#define HIGH (1)
#define LOW (0)

byte ledState = LOW;
byte prevSWState = LOW;
byte swState = LOW;

void setup() {
  // Setup the GPIO pins.
  pinMode(SWITCH, INPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);

  digitalWrite(LED, ledState);
}

void loop() {
  swState = digitalRead(SWITCH);

  if (swState) {
    prevSWState = swState;
  }

  if (swState != prevSWState) {
    ledState = !ledState;
    digitalWrite(LED, ledState);
    prevSWState = LOW;  
  }
}

#### 用程式消除開關的彈跳現象
用上述的程式與電路實驗後發現，有時候會發生 LED 該熄滅的時候沒有熄滅，該點亮的時候沒有點亮。這是因為開關的彈跳現象造成的誤動作。可以用程式解決這個問題。
當 Arduino 偵測到開關被按下時，延遲 20 ms ，忽略掉那段訊號不穩定的時間後，再讀一次開關的狀態。確認開關真的被按下後，在進行狀態切換。

#define SWITCH (2)
#define LED (6)

#define HIGH (1)
#define LOW (0)

byte ledState = LOW;
byte prevSWState = LOW;
byte swState = LOW;

void setup() {
  // Setup the GPIO pins.
  pinMode(SWITCH, INPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);

  digitalWrite(LED, ledState);
}

void loop() {
  swState = digitalRead(SWITCH);

  if (swState) {
    // Arduino detects that the button has been pressed.
    // To de-bounce, delay 20 ms.
    delay(20);

    // After 20 ms, read the button status again.
    // If the button status is still pressed, 
    // the status of LED will be changed.
    byte swTmpState = digitalRead(SWITCH);

    if (swState == swTmpState) {
      prevSWState = swState;
    }
  }

  if (swState != prevSWState) {
    ledState = !ledState;
    digitalWrite(LED, ledState);
    prevSWState = LOW;  
  }
}

### Lab 4-5 LED 跑馬燈
#### 電路圖
#### 程式碼

#define LED1 (2)
#define LED2 (3)
#define LED3 (4)
#define LED4 (5)
#define LED5 (6)

const byte firstLed = LED1;
const byte lastLed = LED5;
byte currLed = firstLed;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  for (int led = LED1; led <= LED5; ++led) {
    pinMode(led, OUTPUT);
    digitalWrite(led, LOW);
  }
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  digitalWrite(currLed, HIGH);
  delay(200);
  digitalWrite(currLed, LOW);
  
  if (currLed < lastLed) {
    ++currLed;
  } else {
    currLed = firstLed;
  }
}

### Lab 4-6 LED 來回跑馬燈
#### 電路圖
沿用 [Lab 4-5 LED 跑馬燈](https://hackmd.io/@hsuedw/arduino_labs#Lab-4-5-LED-%E8%B7%91%E9%A6%AC%E7%87%88) 的電路。
#### 程式碼

#define LED1 (2)
#define LED2 (3)
#define LED3 (4)
#define LED4 (5)
#define LED5 (6)

byte leds[] = {LED1, LED2, LED3, LED4, LED5};
byte numLeds = sizeof(leds) / sizeof(leds[0]);

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  for (int i = 0; i < numLeds; ++i) {
    pinMode(leds[i], OUTPUT);
    digitalWrite(leds[i], LOW);
  }
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < numLeds - 1; ++i) {
    digitalWrite(leds[i], HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(leds[i], LOW);
  }

  for (int i = numLeds - 1; i > 0; --i) {
    digitalWrite(leds[i], HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(leds[i], LOW);
  }
}

# Reference
[Block Circuit EDIT](https://www.block.tw/bce/)