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カラーセンサー情報取得

　秋月電子で販売されているカラーセンサーを利用して
　ArduinoとProcessingの協調システムをつくります。

　カラーセンサーは、次のように半田付けしました。



　ArduinoとProcessingの役割分担を決めます。

　Arduino担当

　　２つの機能を持たせます。

自動計測
ワンショット計測

　　自動計測では、３秒周期でデータを取得して
　　色に関する情報を内部変数に格納します。

　　ワンショット計測は、Processingコードからトリガー
　　を受け取って、その場で色に関する情報を取得します。
　　結果に関しても、Processingコードからの要求で
　　出力します。

　Processing担当

　　Arduinoにコマンドを送り、現在の色情報を取得します。
　　同時に色情報の％を矩形で表示します。



　　コマンドを決めます。

M ワンショット計測
C 色情報取得
S 現在の状態表示

　　ボタンの矩形領域を定義して、操作しやすくします。




Arduinoスケッチ

　Arduinoにカラーセンサーを接続するため、デジタルピンの
　どこを利用するのかを決めます。



　３秒ごとに自動でカラーセンサーから、情報取得するように
　タイマー２で1.5秒ごとにカウンタをインクリメントします。
　カウンタ値が奇数のときに、計測トリガーを出力します。


    void  update_trigger(void)
    {
      send_led( xcnt & ON );
      xcnt++ ;
      if ( xcnt & ON ) { tflag = ON ; }
    }

　1.5秒ごとにLEDの点灯、消灯を切換えると同時に、計測の
　トリガーに利用します。LEDの点滅で、Arduinoが動作中と
　判断できます。

　コマンドを定義します。

? help
M one shot measure
C show color values
H high range
L low  range
S show status

　コマンドを定義したなら、対応する処理を定義します。

　help

　　Processingでは必要ありませんが、TeraTermのような端末ソフト
　　で動作テストするときに使います。関数でまとめます。

void  show_help()
{
  rs_puts("? help")              ; crlf();
  rs_puts("M one shot measure")  ; crlf();
  rs_puts("C show color values") ; crlf();
  rs_puts("H high range")        ; crlf();
  rs_puts("L low range")         ; crlf();
  rs_puts("S show status")       ; crlf();
}

　　関数を起動するのは、コマンドインタプリタを使います。

    if ( cmd == '?' ) { show_help() ; }

　one shot measure

　　計測すればよいので、関数を利用します。

void get_color(byte which,byte xd)
{
  byte i ;
  long rgb[3] ;
  /* set RANGE */
  put_range( which ) ;
  /* disable GATE and CK */
  put_gate(OFF);
  put_ck(OFF);
  /* open GATE */
  put_gate( ON ) ;
  delay(xd+2);
  put_gate(OFF);
  /* loop */
  for ( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
    /* interval */
    delayMicroseconds(4);
    /* get RGB information */
    *(rgb+i) = get_color_value() ;
  }
}

word get_color_value()
{
  word result ;
  byte i ;
  /* clear */
  result = 0 ;
  /* loop */
  for ( i = 0 ; i < 12 ; i++ ) {
    /* shift */
    result >>= 1 ;
    /* CK : H */
    put_ck( ON ) ;
    /* delay */
    delayMicroseconds(2);
    /* get data */
    if ( PINC & 0x01 ) { result |= 0x800 ; }
    /* CK : L */
    put_ck( OFF ) ;
    /* delay */
    delayMicroseconds(2);
  }
  /* adjust */
  result &= 0xfff ;

  return( result );
}

　　12ビットデータ入力を３回として、12ビットデータ入力は
　　独立した関数でまとめます。

　　コマンドインタプリタの扱いは、以下。

    if ( cmd == 'M' ) { get_color(bflag,timcnt); }

　show color values

　　各色は０から4095の値をとるので、10進数４桁を表示する
　　独立した関数を用意し、その関数をサブで利用します。

void  show_digit4(word x)
{
  byte j ;
  char msg[4] ;
  /* separate */
  for ( j = 0 ; j < 4 ; j++ ) {
    *(msg+3-j) = x % 10 + '0' ;
    x /= 10 ;
  }
  /* show */
  for ( j = 0 ; j < 4 ; j++ ) { rs_putchar( *(msg+j) ); }
}

void show_values()
{
  /* copy */
  rmdat = rxdat ;
  gmdat = gxdat ;
  bmdat = bxdat ;
  /* show */
  rs_putchar('C');
  show_digit4( rmdat );
  show_digit4( gmdat );
  show_digit4( bmdat );
  /* new line */
  crlf();
}

　　コマンドインタプリタの扱いは、以下。

    if ( cmd == 'C' ) { show_values(); }

　high range

　　フラグを用意してあるので、セットして対応。

    if ( cmd == 'H' ) { bflag = ON ; }

　low range

　　フラグを用意してあるので、リセットして対応。

    if ( cmd == 'L' ) { bflag = OFF ; }

　show status

　　計測しているかどうかは、変数値の奇数、偶数で
　　判断しています。

    if ( cmd == 'S' ) {
      rs_putchar('S');
      if ( xcnt & ON ) { rs_putchar('m'); }
      else             { rs_putchar('i'); }
      crlf();
    }


　スケッチとしてまとめると、以下。

#include <MsTimer2.h>

#define OFF 0
#define ON  OFF+1

#define LD 0
#define HD 1

/* color sensor pin assignment */
#define RANGE_BIT 3
#define CK_BIT    2
#define GATE_BIT  1
#define DOUT_BIT  0

/* monitor LED */
#define LED_BIT 5

/* global variables */
byte tflag ;
byte bflag ;
byte uflag ;
byte sindex ;
byte sbuf[8] ;
byte xcnt ;
word rxdat ;
word gxdat ;
word bxdat ;
word rmdat ;
word gmdat ;
word bmdat ;
byte timcnt ;

void  send_led(byte x)
{
  if ( x ) { PORTB |=  (1 << LED_BIT) ; }
  else     { PORTB &= ~(1 << LED_BIT) ; }
}

void  update_trigger(void)
{
  send_led( xcnt & ON );
  xcnt++ ;
  if ( xcnt & ON ) { tflag = ON ; }
}

void  rs_putchar(char x)
{
  Serial.write(x);
}

void  rs_puts(char *x)
{
  while ( *x ) {
    rs_putchar( *x ) ;
    x++ ;
  }
}
void  crlf()
{
  rs_putchar('\r');
  rs_putchar('\n');
}

byte  get_hex(char x)
{
  byte result ;

  result = 0 ;
  if ( '0' <= x && x <= '9' ) { result = x - '0' ; }
  if ( 'A' <= x && x <= 'F' ) { result = x - 'A' + 10 ; }
  if ( 'a' <= x && x <= 'f' ) { result = x - 'a' + 10 ; }

  return result ;
}

void  show_digit4(word x)
{
  byte j ;
  char msg[4] ;
  /* separate */
  for ( j = 0 ; j < 4 ; j++ ) {
    *(msg+3-j) = x % 10 + '0' ;
    x /= 10 ;
  }
  /* show */
  for ( j = 0 ; j < 4 ; j++ ) { rs_putchar( *(msg+j) ); }
}

void  show_help()
{
  rs_puts("? help")              ; crlf();
  rs_puts("M one shot measure")  ; crlf();
  rs_puts("C show color values") ; crlf();
  rs_puts("H high range")        ; crlf();
  rs_puts("L low range")         ; crlf();
  rs_puts("S show status")       ; crlf();
}

void get_color(byte which,byte xd)
{
  byte i ;
  long rgb[3] ;
  /* set RANGE */
  put_range( which ) ;
  /* disable GATE and CK */
  put_gate(OFF);
  put_ck(OFF);
  /* open GATE */
  put_gate( ON ) ;
  delay(xd+2);
  put_gate(OFF);
  /* loop */
  for ( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
    /* interval */
    delayMicroseconds(4);
    /* get RGB information */
    *(rgb+i) = get_color_value() ;
  }
}

void put_range(byte x)
{
  if ( x == ON ) {
    PORTC |= (1 << RANGE_BIT) ;
  } else {
    PORTC &= ~(1 << RANGE_BIT) ;
  }
}

void put_gate(byte x)
{
  if ( x == HD ) {
    PORTC |= (1 << GATE_BIT) ;
  } else {
    PORTC &= ~(1 << GATE_BIT) ;
  }
}

void put_ck(byte x)
{
  if ( x == ON ) {
    PORTC |= (1 << CK_BIT) ;
  } else {
    PORTC &= ~(1 << CK_BIT) ;
  }
}

word get_color_value()
{
  word result ;
  byte i ;
  /* clear */
  result = 0 ;
  /* loop */
  for ( i = 0 ; i < 12 ; i++ ) {
    /* shift */
    result >>= 1 ;
    /* CK : H */
    put_ck( ON ) ;
    /* delay */
    delayMicroseconds(2);
    /* get data */
    if ( PINC & 0x01 ) { result |= 0x800 ; }
    /* CK : L */
    put_ck( OFF ) ;
    /* delay */
    delayMicroseconds(2);
  }
  /* adjust */
  result &= 0xfff ;

  return( result );
}

void show_values()
{
  /* copy */
  rmdat = rxdat ;
  gmdat = gxdat ;
  bmdat = bxdat ;
  /* show */
  show_digit4( rmdat );
  show_digit4( gmdat );
  show_digit4( bmdat );
  /* new line */
  crlf();
}

void setup()
{
  /* initialize serial port */
  Serial.begin(9600);
  sindex = 0 ;
  /* define digital pin */
  PORTB = 0x00 ;
  PORTC = 0x03 ;
  PORTD = 0x01 ;
  /* set initial state */
  DDRB = 0xff ;
  DDRC = 0xfc ;
  DDRD = 0xfe ;
  /* clear flags */
  tflag = OFF ;
  bflag = OFF ;
  uflag = OFF ;
  /* initialize variables */
  timcnt = 0 ;
  xcnt   = 0 ;
  /* 1500ms period */
  MsTimer2::set(1500,update_trigger);
  /* enable */ 
  MsTimer2::start();
}

void loop()
{
  byte cmd ;
  /* timer handling */
  if ( tflag == ON ) {
    /* clear flag */
    tflag = OFF ;
    /* measure */
    get_color(bflag,timcnt);
  }
  /* serial handling */
  if ( uflag == ON ) {
    /* clear flag */
    uflag = OFF ;
    /* new line */
    crlf();
    /* get command */
    cmd = *(sbuf+0) ;
    /* help */
    if ( cmd == '?' ) { show_help() ; }
    /* one shot measure */
    if ( cmd == 'M' ) { get_color(bflag,timcnt); }
    /* show color values  */
    if ( cmd == 'C' ) { show_values(); }
    /* set Hight range */
    if ( cmd == 'H' ) { bflag = ON ; }
    /* set Low range */
    if ( cmd == 'L' ) { bflag = OFF ; }
    /* show status */
    if ( cmd == 'S' ) {
      rs_putchar('S');
      if ( xcnt & ON ) { rs_putchar('m'); }
      else             { rs_putchar('i'); }
      crlf();
    }
  }
}

/* receive interrupt */
void serialEvent()
{
  char ch;

  if ( Serial.available() > 0 ) {
    /* get 1 character */
    ch = Serial.read();
    /* store */
    *(sbuf+sindex) = ch ;
    /* increment */
    sindex++ ;
    /* judge */
    if ( ch == '\r' ) {
      sindex = 0 ; 
      uflag = ON ;
    }
  }
}


Processingスケッチ

　スケッチを動かしたときのGUIを考えます。



　ボタンを画像で用意していきます。

　ボタンをクリックしたときの処理を定義していきます。

　Exit

　　Exitの領域をクリックしたときは、終了させます。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,200+YBEGIN,200+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      exit();
    }

　Measure

　　ボタン領域をクリックしたときは、ArduinoにコマンドMを送信。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,YBEGIN,YBEGIN+HEIGHT)    ) {
      /* println("Measure"); */
      cport.write('M');
      cport.write('\r');
    }

　Color

　　ボタン領域をクリックしたときは、ArduinoにコマンドCを送信。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,30+YBEGIN,30+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("Color"); */
      cport.write('C');
      cport.write('\r');
    }


　Status

　　ボタン領域をクリックしたときは、ArduinoにコマンドSを送信。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,60+YBEGIN,60+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("Status"); */
      cport.write('S');
      cport.write('\r');
    }

　H range

　　ボタン領域をクリックしたときは、ArduinoにコマンドHを送信。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,100+YBEGIN,100+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("range H"); */
      cport.write('H');
      cport.write('\r');
    }

　L range

　　ボタン領域をクリックしたときは、ArduinoにコマンドLを送信。

    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,130+YBEGIN,130+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("range L"); */
      cport.write('L');
      cport.write('\r');
    }


　関数drawの内容を定義します。

　バー描画

　　イベントフラグで通知されたなら、関数を呼び出します。

  if ( dflag == true ) {
    /* clear flag */
    dflag = false ;
    /* draw */
    bar_draw(xr,xg,xb);
  }

　　実際のバー描画は、専用関数で実行。

void bar_draw(int rx,int gx,int bx)
{
  /* red */
  fill(255,  0,  0); rect(BSX,  BSY,rx,BSHEIGHT);
  /* green */
  fill(  0,255,  0); rect(BSX,BSHEIGHT+BSY,gx,BSHEIGHT);
  /* blue */
  fill(  0,  0,255); rect(BSX,2*BSHEIGHT+BSY,bx,BSHEIGHT);
}

　データ入力

　　受信割込みから、データが入ったと通知がくるので
　　各色の成分値を計算します。

  if ( uflag == true ) {
    /* clear flag */
    uflag = false ;
    /* get command */
    cmd = sbuf[0] ;
    /* get color values */
    if ( cmd == 'C' ) {
      xr = 0 ;
      xg = 0 ;
      xb = 0 ;
      for ( int i = 1 ; i < 5 ; i++ ) {
        /* multiply */
        xr *= 10 ;
        xg *= 10 ;
        xb *= 10 ;
        /* digit -> value */
        xr += get_hex( sbuf[i]   ) ;
        xg += get_hex( sbuf[i+4] ) ;
        xb += get_hex( sbuf[i+8] ) ;
      }
      /* send draw */
      dflag = true ;
    }

　　受信バッファには、情報が数字で格納されているので
　　数値に変換します。

byte get_hex(byte x)
{
  byte result ;
  /* default */
  result = 0 ;
  /* judge */
  if ( '0' <= x && x <= '9' ) { result = (byte)(x - 48) ; }
  if ( 'A' <= x && x <= 'F' ) { result = (byte)(x - 55) ; }
  if ( 'a' <= x && x <= 'f' ) { result = (byte)(x - 87) ; }

  return result ;
}

　スケッチとしてまとめると、以下。

PImage imgMeasure ;
PImage imgColor   ;
PImage imgStatus  ;
PImage imgRH ;
PImage imgRL ;
PImage imgExit ;

import processing.serial.*;

Serial cport;

/* button caption */
PImage imgMeasure ;
PImage imgColor   ;
PImage imgStatus  ;
PImage imgRH ;
PImage imgRL ;
PImage imgExit ;

/* frame rate */
int FRATE = 45 ;

int WX = 320 ;
int WY = 240 ; 

int XBEGIN = 0 ;
int YBEGIN = 0 ; 
int WIDTH  = 80 ;
int HEIGHT = 24 ; 

int BSX      = 100 ;
int BSY      =  30 ;
int BSHEIGHT =  20 ;

int xr ;
int xg ;
int xb ;

boolean dflag ;

byte[]  sbuf ;
byte    sindex;
boolean uflag ;
byte    cmd ;

byte get_hex(byte x)
{
  byte result ;
  /* default */
  result = 0 ;
  /* judge */
  if ( '0' <= x && x <= '9' ) { result = (byte)(x - 48) ; }
  if ( 'A' <= x && x <= 'F' ) { result = (byte)(x - 55) ; }
  if ( 'a' <= x && x <= 'f' ) { result = (byte)(x - 87) ; }

  return result ;
}

boolean isRangeOk(int x,int bx,int ex)
{
  boolean result ;
  /* default */
  result = false ;
  /* judge */
  if ( bx <= x && x <= ex ) { result = true ; }

  return result ;
}       

void bar_draw(int rx,int gx,int bx)
{
  /* red */
  fill(255,  0,  0); rect(BSX,  BSY,rx,BSHEIGHT);
  /* green */
  fill(  0,255,  0); rect(BSX,BSHEIGHT+BSY,gx,BSHEIGHT);
  /* blue */
  fill(  0,  0,255); rect(BSX,2*BSHEIGHT+BSY,bx,BSHEIGHT);
}

void setup()
{
  /* title caption */
  frame.setTitle("Color sensor");
  /* select framerate */
  frameRate(FRATE);
  /* select displya dimension */
  size(WX,WY);
  /* select back ground color with WHITE */
  background(255);
  /* initialize serial port */
  cport = new Serial(this,"COM1",9600);
  sindex = 0 ;
  dflag = false ;
  uflag = false ;
  /* get image */
  imgMeasure = loadImage("measure.png");
  imgColor   = loadImage("color.png");
  imgStatus  = loadImage("status.png");
  imgRH      = loadImage("rh.png");
  imgRL      = loadImage("rl.png");
  imgExit    = loadImage("exit.png");
  /* event flag */
  lflag = false ;
  rflag = false ;
  /* test string */
  textSize( 12 );
  textAlign( LEFT );
}

void draw()
{
  /* */
  fill(0,0,0);
  text("element",100,20);
  /* draw button */
  image(imgMeasure,XBEGIN,  0+YBEGIN);
  image(imgColor  ,XBEGIN, 30+YBEGIN);
  image(imgStatus ,XBEGIN, 60+YBEGIN);
  image(imgRH     ,XBEGIN,100+YBEGIN);
  image(imgRL     ,XBEGIN,130+YBEGIN);
  image(imgExit   ,XBEGIN,200+YBEGIN);
  /* data handling */
  if ( uflag == true ) {
    /* clear flag */
    uflag = false ;
    /* get color values */
    xr = 0 ;
    xg = 0 ;
    xb = 0 ;
    for ( int i = 1 ; i < 5 ; i++ ) {
      /* multiply */
      xr *= 10 ;
      xg *= 10 ;
      xb *= 10 ;
      /* digit -> value */
      xr += get_hex( sbuf[i]   ) ;
      xg += get_hex( sbuf[i+4] ) ;
      xb += get_hex( sbuf[i+8] ) ;
    }
    /* send draw */
    dflag = true ;
  }
  /* show bar */
  if ( dflag == true ) {
    /* clear flag */
    dflag = false ;
    /* draw */
    bar_draw(xr,xg,xb);
  }
  /* command interpreter */
  if ( uflag == true ) {
    /* clear flag */
    uflag = false ;
    /* get command */
    cmd = sbuf[0] ;
    /* status */
    if ( cmd == 'S' ) {
      fill(0,0,0);
      if ( sbuf[1] == 'i' ) { text("idle",100,200); }
      if ( sbuf[1] == 'm' ) { text("measure",100,200); }
    }
    /* get color values */
    if ( cmd == 'C' ) {
      xr = 0 ;
      xg = 0 ;
      xb = 0 ;
      for ( int i = 1 ; i < 5 ; i++ ) {
        /* multiply */
        xr *= 10 ;
        xg *= 10 ;
        xb *= 10 ;
        /* digit -> value */
        xr += get_hex( sbuf[i]   ) ;
        xg += get_hex( sbuf[i+4] ) ;
        xb += get_hex( sbuf[i+8] ) ;
      }
      /* send draw */
      dflag = true ;
    }
  }
}

void mouseClicked()
{
  /* enable */
  if ( mouseButton == LEFT ) {
    /* Measure */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,YBEGIN,YBEGIN+HEIGHT)    ) {
      /* println("Measure"); */
      cport.write('M');
      cport.write('\r');
    }
    /* Color */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,30+YBEGIN,30+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("Color"); */
      cport.write('C');
      cport.write('\r');
    }
    /* Status */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,60+YBEGIN,60+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("Status"); */
      cport.write('S');
      cport.write('\r');
    }
    /* range H */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,100+YBEGIN,100+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("range H"); */
      cport.write('H');
      cport.write('\r');
    }
    /* range L */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,130+YBEGIN,130+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      /* println("range L"); */
      cport.write('L');
      cport.write('\r');
    }
    /* Exit */
    if ( isRangeOk(mouseX,XBEGIN,XBEGIN+WIDTH) &&
         isRangeOk(mouseY,200+YBEGIN,200+YBEGIN+HEIGHT) ) {
      exit();
    }
  } 
}

void serialEvent(Serial p)
{
  byte ch ;

  if ( cport.available() > 0 ) {
    ch = (byte)cport.read();
    /* judge */
    if ( ch == '\r' ) {
      uflag = true ;
      sindex = 0 ;
    }
    /* store */
    sbuf[sindex] = ch ;
    /* update */
    sindex++ ;
  }
}

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