Нам понадобится:

• Arduino UNO или иная совместимая плата;
• 1 светодиод (вот из такого набора, например);
• 1 пьезопищалка (типа этой);
• соединительные провода (рекомендую вот такой набор);
• макетная плата (breadboard);
• персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

Инструкция по созданию параллельных потоков в программе для Arduino

1Схема подключения для демонстрации потоков в работе с Arduino

Вообще говоря, Arduino не поддерживает настоящее распараллеливание задач, или мультипоточность. Но можно при каждом повторении цикла loop() указать микроконтроллеру проверять, не наступило ли время выполнить некую дополнительную, фоновую задачу. При этом пользователю будет казаться, что несколько задач выполняются одновременно.

Например, давайте будем мигать светодиодом с заданной частотой и параллельно этому издавать нарастающие и затихающие подобно сирене звуки из пьезоизлучателя. И светодиод, и пьезоизлучатель мы уже не раз подключали к Arduino. Соберём схему, как показано на рисунке.

Если вы подключаете светодиод к цифровому выводу, отличному от "13", не забывайте о токоограничивающем резисторе примерно на 220 Ом.

2 Управление светодиодом и пьезоизлучателемс помощью оператора delay()

Напишем вот такой скетч и загрузим его в Ардуино.

const int soundPin = 3; /* объявляем переменную с номером пина, 
                           на который подключён пьезоэлемент */
const int ledPin = 13;  // объявляем переменную с номером пина светодиода
                     
void setup() {
    pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход.
    pinMode(ledPin, OUTPUT);   // объявляем пин 13 как выход.
}

void loop() {
    // Управление звуком:
    tone(soundPin, 700); // издаём звук на частоте 700 Гц
    delay(200);
    tone(soundPin, 500); // на частоте 500 Гц
    delay(200);
    tone(soundPin, 300); // на частоте 300 Гц
    delay(200);
    tone(soundPin, 200); // на частоте 200 Гц
    delay(200);
    
    // Управление светодиодом:
    digitalWrite(ledPin, HIGH); // зажигаем
    delay(200);
    digitalWrite(ledPin, LOW); // гасим
    delay(200);
}

После включения видно, что скетч выполняется не совсем так как нам нужно: пока полностью не отработает сирена, светодиод не мигнёт, а мы бы хотели, чтобы светодиод мигал во время звучания сирены. В чём же здесь проблема?

Дело в том, что обычным образом эту задачу не решить. Задачи выполняются микроконтроллером строго последовательно. Оператор delay() задерживает выполнение программы на указанный промежуток времени, и пока это время не истечёт, следующие команды программы не будут выполняться. Из-за этого мы не можем задать разную длительность выполнения для каждой задачи в цикле loop() программы. Поэтому нужно как-то сымитировать многозадачность.

3Параллельные процессы без оператора "delay()"

Вариант, при котором Arduino будет выполнять задачи псевдо-параллельно, предложен разработчиками Ардуино. Суть метода в том, что при каждом повторении цикла loop() мы проверяем, настало ли время мигать светодиодом (выполнять фоновую задачу) или нет. И если настало, то инвертируем состояние светодиода. Это своеобразный вариант обхода оператора delay().

const int soundPin = 3;  // переменная с номером пина пьезоэлемента
const int ledPin = 13;  // переменная с номером пина светодиода
const long ledInterval = 200; // интервал мигания светодиодом, мсек.

int ledState = LOW;  // начальное состояние светодиода
unsigned long previousMillis = 0;  // храним время предыдущего срабатывания светодиода

void setup() {
    pinMode(soundPin, OUTPUT); // задаём пин 3 как выход.
    pinMode(ledPin, OUTPUT);   // задаём пин 13 как выход.
}

void loop() {
    // Управление звуком:
    tone(soundPin, 700); 
    delay(200);
    tone(soundPin, 500); 
    delay(200);
    tone(soundPin, 300);
    delay(200);
    tone(soundPin, 200);
    delay(200);
     
    // Мигание светодиодом:
    // время с момента включения Arduino, мсек:
    unsigned long currentMillis = millis(); 
    // Если время мигать пришло,
    if (currentMillis - previousMillis >= ledInterval) {
        previousMillis = currentMillis;  // то запоминаем текущее время
        if (ledState == LOW) {  // и инвертируем состояние светодиода
              ledState = HIGH;
        } else {
              ledState = LOW;
        }
        digitalWrite(ledPin, ledState); // переключаем состояние светодиода
    }
}

Существенным недостатком данного метода является то, что участок кода перед блоком управления светодиодом должен выполняться быстрее, чем интервал времени мигания светодиода "ledInterval". В противном случае мигание будет происходить реже, чем нужно, и эффекта параллельного выполнения задач мы не получим. В частности, в нашем скетче длительность изменения звука сирены составляет 200+200+200+200 = 800 мсек, а интервал мигания светодиодом мы задали 200 мсек. Но светодиод будет мигать с периодом 800 мсек, что в 4 раза больше того, что мы задали.

Вообще, если в коде используется оператор delay(), в таком случае трудно сымитировать псевдо-параллельность, поэтому желательно его избегать.

В данном случае нужно было бы для блока управления звуком сирены также проверять, пришло время или нет, а не использовать delay(). Но это бы увеличило количество кода и ухудшило читаемость программы.

4Использование библиотеки ArduinoThreadдля создания параллельных потоков

Чтобы решить поставленную задачу, воспользуемся замечательной библиотекой ArduinoThread, которая позволяет с лёгкостью создавать псевдо-параллельные процессы. Она работает похожим образом, но позволяет не писать код по проверке времени – нужно выполнять задачу в этом цикле или не нужно. Благодаря этому сокращается объём кода и улучшается читаемость скетча. Давайте проверим библиотеку в действии.

Первым делом скачаем с официального сайта архив библиотеки и разархивируем его в директорию libraries/ среды разработки Arduino IDE. Затем переименуем папку ArduinoThread-master в ArduinoThread.

Схема подключений останется прежней. Изменится лишь код программы.

#include <Thread.h>  // подключение библиотеки ArduinoThread
const int soundPin = 3;  // переменная с номером пина пьезоэлемента
const int ledPin = 13;  // переменная с номером пина светодиода

Thread ledThread = Thread(); // создаём поток управления светодиодом
Thread soundThread = Thread(); // создаём поток управления сиреной

void setup() {
    pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход.
    pinMode(ledPin, OUTPUT);   // объявляем пин 13 как выход.

    ledThread.onRun(ledBlink);  // назначаем потоку задачу
    ledThread.setInterval(1000); // задаём интервал срабатывания, мсек
    
    soundThread.onRun(sound);     // назначаем потоку задачу
    soundThread.setInterval(20); // задаём интервал срабатывания, мсек
}

void loop() {
    // Проверим, пришло ли время переключиться светодиоду:
    if (ledThread.shouldRun())
        ledThread.run(); // запускаем поток
    
    // Проверим, пришло ли время сменить тональность сирены:
    if (soundThread.shouldRun())
        soundThread.run(); // запускаем поток
}

// Поток светодиода:
void ledBlink() { 
    static bool ledStatus = false;    // состояние светодиода Вкл/Выкл
    ledStatus = !ledStatus;           // инвертируем состояние
    digitalWrite(ledPin, ledStatus);  // включаем/выключаем светодиод
}

 // Поток сирены:
void sound() { 
    static int ton = 100;  // тональность звука, Гц
    tone(soundPin, ton);  // включаем сирену на "ton" Гц
    if (ton <= 500) {  // до частоты 500 Гц 
        ton += 100;  // увеличиваем тональность сирены
    }
    else {  // по достижении 500 Гц
        ton = 100;  // сбрасываем тональность до 100 Гц
    }
}

В программе мы создаём два потока – ledThread и soundThread, каждый выполняет свою операцию: один мигает светодиодом, второй управляет звуком сирены. В каждой итерации цикла для каждого потока проверяем, пришло ли время его выполнения или нет. Если пришло – он запускается на исполнение с помощью метода run(). Главное – не использовать оператор delay(). В коде даны более подробные пояснения.

Загрузим код в память Ардуино, запустим. Теперь всё работает в точности так, как надо!