python で LED点灯制御

Hardware & Software
2021.06.02
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【概要】
パソコンからLEDの明るさを調整できるプログラムをpythonで作ってみた。
python(のtkinter)に用意されているscaleを使用して、調整できるようにした。
【プログラム　動作概要】
　<1> パソコンでLEDの明るさを　0%～100%　まで調整する。
　<2> 明るさ調整は、マイコンでダイナミック点灯制御しているLEDのデューティ比を
　　　以下の範囲で変化させることで行う。
　　　　・パソコン：　0～65535
　　　　・LED(タイマーレジスタ調整幅)：　0～0xFFFF (=65535(Dec))　
【プログラム概要】 ソースリストを最下段に添付
パソコン側アプリ　ソースリスト概要
Line 3-8 　必要ライブラリの読み込み
Line 10-15 メインウィンドウ(root_window)の作成
Line 18-22 スケールの外枠の作成
Line 24-120 Serial_com() 関数定義
　(1) シリアルポート定義とオープン
　(2) スケール値の読み込みと加工
　(3) シリアル通信処理　3バイト送信+1バイト受信
　(4) 受信データの判定
　(5) シリアルポートのクローズ
　(6) 通信データと通信結果の表示
　　　　→　正常受信なら本関数処理を終了
　(7) 受信値が期待値と異なる場合、(2)～(4)を10回繰り返す。
　(8) 10回のリトライで期待値が得られない場合、本関数処理を終了
Line 122-125 初期値設定
Line 127-137  スケールの作成 と Serial_com()関数の呼び出し
Line 139-145 リトライボタンの作成 と Serial_com()関数の呼び出し
Line 147 メインウインドウの表示更新
【tkinter.Scale と　ttk.Scale　との違い】
　仕上がりが下図の様に異なっており、個人的には"tkinter"が好みなので、
　こちらを使用した。同様にButtonも、tkinterとttkで異なるデザインになる。
左記ソースで設定した内容は、
(1)　スケールを配置する枠を設定
(2)　スケールのタブ位置を示す数値を入れる変数名を指定
　　　※　今回はその変数名をvalと設定。
　　　※　タブをマウスで移動させる度に、タブ位置
　　　　（数値）が"±1"刻みにvalにセットされる。
(3)　スケールは、縦移動させるタイプ(VERTICAL)に設定。
　　　※　横スライドならHORIZONTAL
(4)　縦の長さを300に設定
(5)　タブ位置の最大値を65535に設定
　　　※　PWMの最大設定値が、0xFFFF　なので、
　　　　　その10進数値を設定。
　　　※　from_のアンダーバーの付け忘れに注意。
(6)　タブ位置の最小値を0に設定
　　　※　PWMの最小設定値が、0　なので、その数値を設定
(7)　タブを移動させた時に実行したい関数を設定
　　　※　s:Serial～の　最初の"s"は、関数Serial_com()の
                  先頭文字とした。 これは任意に設定できる。

 

今回のプログラム作成と評価で、以下の内容を理解した。

【scale値の使用方法】
今回のプログラムでは、タブ移動で得られる数値(val値)を　関数(Serial_com)内で加工してUART出力する。
valの値を読みたい／加工したい場合は、get()で読み出して別の変数(val2)に代入し、
その値(val2)を使用する。
　例　val2 = val　→　×
　　　val2 = val.get()　→　〇
上記でval2に取り出した後、最大で65535(0xFFFF)となるデータを、上位1バイトと下位1バイトに分割し、
1バイトずつUART送信する。

【2バイトデータのUART送信】
<ソース抜粋>　例）　0x1234 -> 0x12 (上位1バイト)　と　0x34（下位1バイト)　に分割して送信
data_upper = int(val2 / 256)  　　　　　# 上位1バイト取り出し
data_lower = val2 - data_upper * 256   # 下位1バイト取り出し
マイコン側のｃ言語の場合、上記データをマイコンの送信レジスタにセットするだけで良いが、
pythonの場合、上記データ(数値)を以下のようにbytes型に変換しないとUART送信できない。
<ソース抜粋>
serial_data_upper = data_upper.to_bytes(1,'big')
　# 上位1バイトの整数を(バイナリ)文字列に変換。
serial_data_lower = data_lower.to_bytes(1,'big')
　# 下位1バイトの整数を(バイナリ)文字列に変換。

【相手側のUART受信待ち】
パソコンからUARTデータを1バイト送信する毎に、（相手の受信完了）待ち時間を設けた。
この待ち時間が無いと、パソコンから次のデータ送信が速すぎて?、マイコン側の取りこぼしが多くなった。
　->　結果として送ったデータが反映されない。
　->　ビット単位でデータ化けが起きるのではなく、バイト単位でズレて受信してしまう。
<ソース抜粋>
sleep_val = 0.005  　　# UART受信待機時間　5mS
time.sleep(sleep_val)  # 一定時間（受信側デバイスが1バイト受信するまで）待機

合計値とXOR値をマイコン側が計算するタイミングでは、待ち時間を更に長くした。
<ソース抜粋>
time.sleep(sleep_val+0.03)  
　# 一定時間（受信側デバイスが1バイト受信するまで）30mS長めに待機(待機時間35mS) 
パソコンと組み込みマイコンとのUART通信は、データの送受が失敗しやすいように思える。
パソコン側で、5ms、35mSの待機時間を設けているが、マイコン側にmS単位を要する処理はない。
パソコン側で他のアプリを立ち上げていると、データ通信に失敗することが増える。

【UART受信データの比較方法】
pythonでUART受信してコードチェックする場合、以下の処理でコード比較が行える。
　check_code = int.from_bytes(ser.read(1), byteorder='big')
　if check_code == 0xa5:
受信データが0xa5であった場合、デバッグするためにprint文で、check_code　の値を
表示(print(check_code))すると　165　と表示される。(0xa5の10進数値)

そこで、10進数値(165)を16進数値(0xa5)に変換しようとして
　check_code = hex(int.from_bytes(ser.read(1), byteorder='big'))　
としてから、if文でコード比較すると、期待値(0xa5)と一致しない。

上記の場合は、hex()変換せずに、直接比較する。　（165　=　0xa5)
pythonの場合、hex()で変換した結果は数値ではなくなる。
pythonは、intもhexもbytesも全て異なるデータ型になる。

 

  1. # -*- coding: utf-8 -*-
  3. import binascii
  4. import serial
  5. import time
  6. import tkinter
  7. from tkinter import *
  8. from tkinter import ttk
  10. # 表示ウィンドウの作成
  11. root_window = tkinter.Tk()
  12. root_window.title('Scale')
  13. root_window.geometry("300x350")
  14. root_window.columnconfigure(0, weight=1)
  15. root_window.rowconfigure(0, weight=1)
  17. # Frame
  18. frame = ttk.Frame(root_window, padding=10,relief="ridge")
  19. frame.grid(sticky=(N, W, S, E))
  20. frame.columnconfigure(0, weight=1)
  21. frame.rowconfigure(0, weight=1)
  22. frame.propagate(False)
  24. # スライダー値を整数に変換して、シリアルポートへ出力する関数
  25. def Serial_com():
  26.   sleep_val = 0.005                # UART受信待機時間　5mS
  27.   check_code = 0x00              # チェックコード初期値セット
  28.   retry_count = 0                # リトライ回数クリア
  30.   val2 = val.get()                  # スライダー値を加工したい場合、val2を使用する。
  31.   val3 = IntVar()                  # val2(整数)変換値　格納用
  32.   val4 = StringVar()              # 16進文字列　格納用
  33.   val5 = StringVar()              # 16進文字列　格納用
  34.   val6 = StringVar()              # 受信結果　格納用
  36.   data_upper = int(val2 / 256)                        # val2の上位1バイト取り出し
  37.   data_lower = val2 - data_upper * 256                  # val2の下位1バイト取り出し
  38.   culc_data = ((data_upper+data_lower) & 0xff) ^ data_lower    # 上位1バイトと下位1バイトのサム値の下位1バイト と val2の下位1バイト のXOR計算
  39.   print(hex(culc_data))            # debug
  41.   serial_data_upper = data_upper.to_bytes(1,'big')          # 上位1バイトの整数を(バイナリ)文字列に変換。
  42.   serial_data_lower = data_lower.to_bytes(1,'big')          # 下位1バイトの整数を(バイナリ)文字列に変換。
  43.   serial_culc_data = culc_data.to_bytes(1,'big')            # チェックデータ（整数）を(バイナリ)文字列に変換。
  45.   # シリアルポートの定義とオープン
  46.   ser = serial.Serial(    
  47.        port = 'COM4',
  48.          baudrate = 19200,          #　これより上は、R8C29と通信できない。
  49.            parity = serial.PARITY_NONE,
  50.              bytesize = serial.EIGHTBITS,
  51.               stopbits = serial.STOPBITS_ONE,
  52.            timeout = None,
  53.              xonxoff = 0,
  54.               rtscts = 0,
  55.   )
  57.   while True:              # スライダー値を繰り返して送信
  58.     retry_count+=1        # リトライ回数インクリメント
  60.     #シリアルポートのリセット　
  61.     ser.reset_input_buffer()      # 受信バッファクリア
  62.     ser.reset_output_buffer()    # 送信バッファクリア
  64.     # UART送信    上位1バイト + 下位1バイト + チェックデータ1バイト
  65.     ser.write(serial_data_upper)  # 上位1バイトをUART送信
  66.     time.sleep(sleep_val)        # 一定時間（受信側デバイスが1バイト受信するまで）待機
  68.     ser.write(serial_data_lower)  # 下位1バイトをUART送信
  69.     time.sleep(sleep_val)        # 一定時間（受信側デバイスが1バイト受信するまで）待機
  71.     ser.write(serial_culc_data)    # チェックデータをUART送信
  72.     time.sleep(sleep_val+0.03)    # 一定時間（受信側デバイスが1バイト受信するまで）30mS長めに待機(待機時間35mS)
  74.     while ser.in_waiting == 0:    # シリアル受信するまで待機
  75.       if retry_count > 10:      # 受信待ちの繰り返しが10回を超えた場合、受信待機を終了する。
  76.         break              # 受信待機を抜ける。
  77.       retry_count+=1        # リトライ回数　インクリメント
  79.     if retry_count <= 10:        #　リトライ回数が10回以内なら、正常コードの受信として受信バッファからデータ転送する。
  80.       check_code = int.from_bytes(ser.read(1), byteorder='big')    # 受信した1バイトをbytes型からint型へ変換
  81.     if check_code == 0xa5:      # OKコードを受信ならメインループへ戻る。
  82.         val6.set('Data OK')
  83.         fg_color='blue'
  84.         break              # メインループへ戻る
  85.     if (retry_count > 10) & (check_code != 0xa5):    # 10回以内のリトライでOKコードが受信できない場合は、メインループへ戻る。
  86.       val6.set('Data Error')
  87.       fg_color='red'
  88.       break                # メインループへ戻る
  90.     print(' Retry count = ', retry_count)          # debug
  92.   ser.close()                # シリアルポートを閉じる。
  94.   # テキストボックスの生成　4ヶ
  95.   val3.set(int(str(val2)))                    # 整数に変換。
  96.   label = tkinter.Label(text = "Original_data (Dec)　")
  97.   label.grid(row=2, column=0, padx=10, sticky=(W))
  98.   text_Val = tkinter.Entry(root_window, textvariable=val3, width=10)  # テキストボックスにスライダー値をセット
  99.   text_Val.configure(font=("Arial", 14))
  100.   text_Val.grid(row=2, column=10, padx=10, sticky=(W))
  102.   val4.set(binascii.b2a_hex(serial_data_upper))      # (バイナリ)文字列を16進文字列に変換。
  103.   label = tkinter.Label(text = "Serial_data_upper　(Hex)")
  104.   label.grid(row=4, column=0, padx=10, sticky=(W))
  105.   text_Val = tkinter.Entry(root_window, textvariable=val4, width=10)  # テキストボックスにUART送信値をセット
  106.   text_Val.configure(font=("Arial", 14))
  107.   text_Val.grid(row=4, column=10, padx=10, sticky=(W))
  109.   val5.set(binascii.b2a_hex(serial_data_lower))      # (バイナリ)文字列を16進文字列に変換。
  110.   label = tkinter.Label(text = "Serial_data_lower　(Hex)")
  111.   label.grid(row=6, column=0, padx=10, sticky=(W))
  112.   text_Val = tkinter.Entry(root_window, textvariable=val5, width=10)  # テキストボックスにUART送信値をセット
  113.   text_Val.configure(font=("Arial", 14))
  114.   text_Val.grid(row=6, column=10, padx=10, sticky=(W))
  116.   label = tkinter.Label(text = "UART Data check ")
  117.   label.grid(row=8, column=0, padx=10, sticky=(W))
  118.   text_Val = tkinter.Entry(root_window, textvariable=val6, fg=fg_color, width=10)  # テキストボックスにUARTデータが正常か異常かセット
  119.   text_Val.configure(font=("Arial", 14))
  120.   text_Val.grid(row=8, column=10, padx=10, sticky=(W))
  122. # 初期値をセット
  123. val = IntVar()
  124. val.set(0)
  125. Serial_com()
  127. # スライダー（スケール）の作成
  128. #sc = ttk.Scale(      # (1)  (2)とスライダーのデザインが違う
  129. sc = tkinter.Scale(    # (2)  (1)とスライダーのデザインが違う
  130.     frame,
  131.     variable=val,
  132.     orient=VERTICAL,  #HORIZONTAL,
  133.     length=300,
  134.     from_=65535,
  135.     to=0,
  136.     command=lambda s:Serial_com())
  137. sc.grid(row=0, column=0, sticky=(N, E, S, W))
  139. # リトライ用ボタン
  140. button1 = ttk.Button(    #(1)  (2)とボタンと形状が違う 幅広
  141. #button1 = tkinter.Button(  #(2)  (1)とボタンと形状が違う　幅狭
  142.     root_window,
  143.     text='Retry',
  144.     command=lambda: Serial_com())
  145. button1.grid(row=10, column=0, padx=5, sticky=(W))
  147. root_window.mainloop()
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