Multitasking Arduino: millis() -- PARTE 1

Premessa

Quando si iniziano a muovere i primi passi con Arduino, un ottimo punto di partenza per comprenderne il funzionamento è senza dubbio la pagina del playground.
Tramite gli spezzoni di codice presenti in questa sezione del sito, si è in grado di muovere i primi passi di programmazione sulla scheda.
Tuttavia, nel momento in cui la situazione diventa più articolata quando, cioè, si aggiungono due, tre, quattro, dieci componenti.... tutto diventa più difficile da seguire ed il grado di complicazione può diventare anche molto elevato.
In tal caso può agevolare molto il concetto di programmazione a stati finiti che andremo a vedere in articoli futuri ma anche l'utilizzo della funzione millis() che tratteremo in questo articolo e nei prossimi post e che permette una sorta di multitasking.

millis() vs delay()

Apparentemente le due funzioni non sono in contrapposizione ed effettivamente a livello logico è così.

La funzione delay(n) permette di fermare l'esecuzione del programma per n millisecondi. Tutto si blocca, la scheda è ferma e non rileva alcun input così come non invia alcun output.
Di conseguenza, se nel frattempo succede qualcosa e i sensori attaccati al sistema rilevano variazioni interessanti... non succederà nulla!
Questa opzione che può sembrare dannosa è, al contrario, estremamente importante in svariati scenari.
Se consideriamo che Arduino effettua circa 16 milioni di operazioni al secondo, sarebbe complesso leggere l'output di un comando su uno schermo se questo viene aggiornato a tale frequenza. In tal caso si usa il delay tra un avviso ed un altro aspettando almeno 500ms (mezzo secondo)...
Un altro caso è la lettura di un sensore. Si pensi ad un sensore di luce o temperatura; sono due sensori con una inerzia piuttosto elevata e per questo sarebbe inutile interrogarli 16 milioni volte in un secondo ma è sufficiente 1 volta al secondo o anche meno... Da qui l'uso di delay().

Al contrario millis() restituisce il numero di millisecondi passati dall'accensione del sistema con arduino. La funzione millis() può essere immagazzinata in una variabile unsigned long int: questo tipo di dati occupa molto spazio in memoria ma permette di arrivare a circa 50 giorni di autonomia prima di subire un azzeramento del valore.

Nei prossimi post andremo ad analizzare meglio queste differenze tra l'uso di delay() e millis().

Usare millis() in uno sketch

Il numero di millisecondi dalla accensione della scheda deve essere immagazzinato in una variabile all'inizio di loop() dopo essere stata inizializzata nel setup e quindi aggiornato ad ogni ciclo.
Tale variabile che chiameremo genericamente time e sarà il punto di riferimento per tutte le altre azioni/eventi.

A questo punto il ciclo di loop inizia a "girare" e si presenta un evento come, ad esempio, la lettura di un sensore o la scrittura su una seriale.
L'operazione viene effettuata la prima volta.
Se però, un evento differente o il medesimo evento si deve ripetere a distanza di tempo si presenta un problema.
In tal caso, infatti, si tende ad usare il delay per "bloccare" l'esecuzione dello sketch in attesa dell'evento successivo.
Il tutto funziona bene se i componenti in gioco sono pochi (2 o 3) ma in caso contrario si nota un rallentamento del sistema, un funzionamento "a scatti" o malfunzionamenti vari...

Per ovviare a questo problema si può assegnare ad ogni evento una variabile-tempo e se passano un tot di millisecondi tra l'evento ed il successivo, allora viene dato il comando di esecuzione tramite un if.

Tale spiegazione sembra piuttosto macchiavellica ma vediamo un esempio per capire meglio.
Leggete il codice seguente:

void setup(){
time=millis();
letturaluce_time=mills();
servotime=millis();
  letturadati=millis();
}

void loop(){
time=millis();

if(time>letturaluce_time+5){
luce1=analogRead(SENSORELUCE1);
letturaluce_time=millis();
}

if(time>servotime1+15){
 servo1.write(posservo1);
 servotime1=millis();
}

if(time>letturadati+3000){
Serial.print("Sensore 1 : ");
Serial.print(letturaluce1,DEC);
Serial.print("  Posizione motore 1 : ");
Serial.println(posservo1,DEC);
Serial.print("  Differenza : ");
Serial.println(letturaluce1-letturaluce2);
letturadati=millis();
}
}

Cerchiamo di scoprire la dinamica di questo programma.

• Nella funzione setup() vengono inizializzate le variabili time e quelle che segnano il tempo di ciascuno evento.
• Successivamente la variabile time viene aggiornata all'inizio del loop() ad ogni ciclo
• Si presuppongono tre eventi distinti: la lettura di un sensore (ogni 5 ms), il movimento di un servomotore (ogni 15ms) e la scrittura di dati sulla seriale (ogni 3000ms).
  Se usassimo il delay bloccheremo il programma ed è per questo che nello sketch sopra riportato si usa il millis().

Il concetto è il seguente:

• Se sono passati x millisecondi fai ciò che è specificato nell'if ed aggiorna la variabile-tempo riferita all'evento.

Si noti infatti che ogni evento è associato ad un if(time>variabiletempo+millisecondi).
All'interno dell'if vengono svolte alcune azioni.
Al termine del if, l'ultima istruzione è l'aggiornamento della variabile-tempo corrispondente assegnandogli un nuovo valore di millis().

Questo è il concetto che sta alla base del multitasking con arduino ed il modo per eliminare il delay nei programmi sostituendolo con millis().
Nei prossimi post approfondiremo l'argomento.

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