A szimulátorunk műszerfalán számos kapcsoló helyezkedik el. Egy arduino micrót asználunk arra, hogy ezek állapotát ellenőrizzük és továbbítsuk a szimulátort futtató számítógépre. Az arduinóval egy joystickot emulálunk, amivel 32 nyomógomb állapotot tudunk küldeni. Ez a része nem gond. A probléma az, hogy ennyi digitális vagy analóg lába nincs ennek a kicsi arduino boardnak, így valamit ki kellett találni, hogyan lehetne ezt mégis kezelni. A megoldás egy kapcsoló mátrix építése.

Ez igazából egy példa, a mátrix mérete voltaképp tetszőlegesen növelhető. Nézzük, hogy működik ez a 4x4-es mátrix.

4 lábat kimenetként használunk, 4 lábat pedig bemenetként. A kimeneti lábak lesznek a sorok, a bemeneti lábak pedig az oszlopok. Ez annyit tesz, hogy az egy sorban levő kapcsolók egyik vége ugyanarra a kimeneti lábra lesznek kötve, az egy oszlopban levő kapcsolók másik lába pedig ugyanarra a bemenetre.

Például az első sor így néz ki:

Az arduino 2-es lába a kimenet, ide egy diódán keresztül rákötjük a kapcsolókat. A kapcsolók másik lábait pedig rendre a bemeneti lábakra kötjük, Ezt ismételjük soronként.

Ha egy oszlopot nézünk, azt látjuk, hogy minden sor külön kimeneti lábról egy diódán keresztül csatlakozik a kapcsolóhoz, a kapcsolók másik lába pedig ugyanarra a bemenetre megy.

A működési elv:

Alaphelyzetben a bemeneti lábakra bekapcsoljuk a PULL_UP regisztert (ha nincs földelve, stabil HIGH érték legyen), a kimeneti lábakat pedig HIGH értékre állítjuk (+5V -ot kapcsolunk rá, azaz nem földeljük!).

A kapcsolók állapotát soronként ellenőrizzük. Először földeljük az első kimeneti sort (LOW értékre állítjuk az első kimeneti lábat). Végig ellenőrizzük a bemeneti lábakat. Ahol az érték LOW, ott a kapcsolónk be van kapcsolva. Értelemszerűen ahol HIGH, ott a kapcsoló ki van kapcsolva. Ahogy megvizsgáltuk a bemeneteket, a kimeneti lábat HIGH értékre visszaállítjuk, így alaphelyzetbe kerül megint a mátrixunk és jöhet a következő sor. Itt ugyanezt kell tenni. A sorhoz tartozó kimeneti lábat LOW-ra, majd az oszlopokhoz tartozó bemeneti lábakat beolvassuk. A beolvasások végén mindig tegyük vissza a sorhoz tartozó kimenetet HIGH-ra!

Miért kell a dióda?

A sorokat úgy ellenőrizzük, hogy rendre leföldeljük őket. Mivel oszloponként a kapcsolók lábai is össze vannak kötve, ezért ha egy oszlopban bekapcsolunk egy kapcsolót, akkor ott az összes kapcsoló lábán megjelenik a föld. Itt gyönyörű áramkörök alakulhatnak ki, ráadásul mivel mindig csak egy kimenet van földelve, a többi pedig +5V-ra rakva, jó eséllyel akár a boardunkat is elfüstölhetjük egy remek kis rövidzárral (bár lehet van erre benne valami védelem, én inkább nem próbálom ki).

A dióda katódját a kimeneti lábra kötjük, az anódját pedig a kapcsolóra. Ezzel biztosítjuk, hogy csak az adott sor kimeneti lábáról érkező föld tud megjelenni a bemeneten (egy másik soron keresztül nem fog záródni a kör a dióda miatt), illetve két kimenet sosem kerülhet összezárásra (kivéve, ha mindkettő föld, de azzal meg nincs gond).

Mekkora mátrixot lehet így kezelni?

Elméletileg csak az arduino I/O lábainak száma korlátoz minket.  Íme egy teljesen felesleges táblázat, mert nem igényel bonyolult számítást, de kiváló térkitöltő ebben a posztban. Feltétlenül jelezd, ha te is így gondolod.

 Tinkercad-en összeraktam egy áramkört erre (a képek onnan kerültek kivágásra), megmutatom az arduino code-ot és hogyan fut a szimuláció: