1. TASTER BEISPIEL ERKLÄRUNG: Seite 1. Strukturierte Programmierung Das erste Programm

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1 Das erste Programm Seite 1 1. TASTER Taster sind Bauelemente, mit denen Informationen von außen an den Computer weiter gegeben werden können. Sie lassen sich an nahezu allen Computern wiederfinden. In einer normalen Computertastatur sind 104-Tasten zu finden, wobei die Tasten anstatt 0 und 1 einen Buchstaben, einen Zahlencode oder ein Steuerkommando zurückgeben. Am Fahrstuhl, am Getränkeautomat und an Fabrikmaschinen (z.b. zur Überwachung der Endposition, des Füllstandes) sind überall Taster zu finden. Sie stellen somit die am meisten verwendete Schnittstelle des Menschen/der Maschine zum Computer dar. In vielen Fällen werden mit einem Taster nicht nur eine Funktion, sondern mehrere Funktionen erfüllt. Beim Handy wird bspw. zwischen einem kurzen oder langen Tastendruck unterschieden. Startet ein kurzer Tastendruck den Kalender, so wird bei längerem Drücken die Funktion Neuer Termin aktiviert. Ein Lichtdimmer schaltet bei einem kurzen Drücken das Licht an oder aus, während er bei längerem gedrückt halten die Helligkeit des Lichtes ändern. Beim Loslassen wird dieser Helligkeitswert gespeichert und für das nächste Einschalten als Defaultwert genutzt. Der NXT-Baustein kann bis zu 4 Taster (untere 4 Anschlüsse mit Beschriftung 1,2,3,4) bedienen. Zur Nutzung des Tasters muss dieser zunächst initialisiert werden, d.h. der Eingang und die Art des Sensors werden dem Betriebssystem mitgeteilt. Im Programmablauf muss dieser Taster regelmäßig abgefragt werden, um den Zustand des Tasters, also losgelassen = 0 oder gedrückt = 1 zu erfahren. BEISPIEL ERKLÄRUNG: 1) task main() ist unser Startpunkt. Diese Funktion (siehe Aufgabe Mehrere Tasten ) wird durch Starten unseres Programms per Maus auf dem grünen Pfeil- Button oder am NXT Baustein aktiviert. 2) Hiermit wird eine Variable namens taste angelegt (oder genauer gesagt, Speicher mit dem Namen taste reserviert, indem ganze Zahlen im Bereich von abgelegt werden können).

2 Das erste Programm Seite 2 3) Initialisierung des Tasters mit Angabe des verwendeten Anschlusses (Hier Anschluss Nr. 1). 4) Für das regelmäßige Abfragen des Tasters wird alles, was zwischen den geschweiften Klammern { } steht, endlos wiederholt. D.h nach Abarbeitung von Wait(50); fängt der Ablauf des Programms wieder bei taste=sensorvalue(..); an. 5) Die Funktion SensorValue( ) gibt den angeforderten Wert zurück. In unserem Fall gibt SensorValue( ) den aktuellen Zustand der Taste am Anschluss 1 zurück. Dieser wird der Variablen taste zugewiesen. 6) Hier wird der Inhalt der Variablen taste mit dem konstanten Wert 1 auf Gleichheit verglichen. Wenn die Bedingung zutrifft, wird die nachfolgende Anweisung TextOut() ausgeführt, andernfalls geht es mit der übernächsten Anweisung if() weiter. 7) Gibt die Textkonstante Down auf dem Bildschirm aus. 15 und LCD_LINE1 geben die Spalte und die Zeile auf dem Bildschirm an. 8) Computer sind sehr schnelle Rechner. Der Ablauf von 4 bis 7 dauert ca. 0,00001s. Da der Mensch max. 5 mal pro Sekunde eine Taste drücken kann, wird mit dieser Anweisung der Programmablauf um 50ms verzögert. 1) Schließe den Taster an den richtigen Eingang an. Teste das Programm durch Drücken der Taste. 2) Lösche die zwei Leerzeichen bei UP raus. Diskutiere mit deinen Freunden das nun auftretende Phänomen. 3) Bestimme die max. Zeilen und Spalten des Bildschirms. Wo ist der Nullpunkt? Was ist die max. Position? Wie sind die Werte zu Interpretieren? 4) Gib den Text Up und Down jeweils in einer unterschiedlichen Zeile aus. In einer IF-Abfrage können auch mehrere Kommandos bei Erfüllung abgearbeitet werden. Diese müssen dann in geschweiften Klammern { } zu einem Ausführungsblock umschlossen sein. 5) Erweitere das Programm um einen zweiten Taster. 6) Zähle die Anzahl der Tastendrücke. Dazu musst du eine weitere Variable count anlegen, diese vor der while-schleife mit count=0; auf 0 setzen und bei gedrückter Taste mit count=count+1; um 1 erhöhen. Die Ausgabe auf dem Display erfolgt mit NumOut(50,LCD_LINE1,count);. Beschreibe das Verhalten. Was passiert, wenn du die Wartezeit auf 500 erhöhst. TIPPS - Beachte die Groß- und Kleinschreibung. - Das Semikolon am Ende einer jeden Zeile zeigt das Ende einer Anweisung an. - Zu der IF-Abfrage gehört jeweils noch eine Anweisung, die bei Erfüllung der Bedingung ausgeführt wird, daher hier kein Semikolon anhängen. - Die geschweiften Klammern fassen mehrere Anweisungen zu einer Anweisung zusammen und müssen nicht mit einem Semikolon abgeschlossen werden. - Durch richtiges Einrücken der Anweisungszeilen entsprechend der Verschachtelungstiefe wird das Programm lesbarer.

3 Logische Abfragen Seite 3 2. DRÜCKEN UND LOSLASSEN Wie du in der Aufgabe zuvor gesehen hast, erfolgt die Abfrage regelmäßig. In unserem Beispiel alle 50ms, d.h. 1/0,05s = 20 Mal in der Sekunde. Wenn wir alle 50ms auf die gedrückte Taste reagieren, entspricht dies dem Verhalten, wenn du auf der Computertastatur für längere Zeit eine Taste gedrückt hältst: Tastenwiederholung. Bei einer Computertastatur ist das sogar gewollt, aber bei einer Klaviatur wäre es nervig, wenn 20 mal in der Sekunde der Ton a angeschlagen wird. Die Klaviertaste reagiert nur, wenn die Taste tatsächlich gedrückt wird und nicht auf das Halten dieser. Wenn wir uns das Verhalten zeitlich anschauen, dann kann das wie folgt dargestellt werden: 50ms 0,25s 0,12s t Die orangen Blitze symbolisieren das regelmäßige Abfragen der Taste alle 50ms. Unsere Taste wird jedoch einmal für 0,25s gedrückt und einmal für 120ms. Wir wollen nur auf das Drücken der Taste reagieren, also die blau umkreisten Zustände erkennen. Dazu benötigen wir einerseits den aktuellen Tastenzustand, aber auch den alten Zustand von vor 50ms. Ein Drücken der Taste ist dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Zustand eine 1 darstellt und der alte Zustand eine 0. BEISPIEL ERKLÄRUNG: 1) Definition einer weiteren Variablen, welche den alten Zustand der Taste speichern soll.

4 Logische Abfragen Seite 4 2) Wir können beliebig viele Vergleiche in einer IF-Abfrage durchführen. Bei Nutzung von && werden diese im Sprachgebrauch mit UND verknüpft. D.h. die erste Bedingung UND die zweite Bedingung müssen erfüllt sein, dann ist die gesamte IF-Bedingung erfüllt. 3) Hier wird der Variablen taste_old der Inhalt der Variablen taste zugewiesen. Nach dieser Anweisung haben beide Variablen den gleichen Inhalt. Da zuvor 50ms gewartet wurde, ist nun in taste_old der alte Tastenzustand gespeichert. Die Variable taste wird in der nächsten Ausführung mit dem aktuellen Tastenwert neu geladen. 1) Das Beispiel-Programm ist so nicht lauffähig. Vervollständige die IF-Abfrage, so dass auf das Drücken der Taste reagiert wird. 2) Warum erscheint auf dem Display nur beim erstmaligen Drücken der Taste der Text Pressed? Löse das Problem! 3) Erweitere das Programm um einen Zähler, der die Anzahl der Tastendrücke zählt. Zählt der Zähler nun richtig? 4) Erkenne nun auch zusätzlich noch das Loslassen des Tasters. Zeige auf dem Display dann entsprechend Released an. 5) Mit nachfolgenden Anweisungen kannst du einen Motor befehligen: OnFwd(OUT_A,100); //Schaltet den Motor am Anschluss A ein Off(OUT_A); //Schaltet den Motor am Anschluss A aus Ergänze dein Programm nun so, dass beim Drücken der Taste der Motor gestartet wird und beim Loslassen der Motor anhält 6) Die obige Funktion hätten wir auch einfacher haben können. Dazu hätten wir nicht auf das Drücken und Loslassen reagieren müssen, sondern nur auf gedrückt oder nicht gedrückt reagieren müssen. Nun wollen wir den Motor durch Drücken abwechselnd Ein- und Ausschalten. Dazu brauchen wir eine weitere Variable mode, die den aktuellen Zustand des Motors speichert. Wenn in der Variablen eine 0 ist, dann müssen wir beim Drücken der Taste den Motor einschalten und in der Variablen eine 1 speichern. Andernfalls muss der Motor ausgeschaltet werden und in der Variablen eine 1 gespeichert werden. Wichtig: Benutze hierzu folgendes Schema: if(mode==0) {} else {} TIPPS - && UND Verknüpfung ODER Verknüpfung - == Gleichheit!= Ungleichheit - > Größer >= Größer gleich - < Kleiner <= Kleiner gleich - Mit /* xxxxx */ kannst du dein Programm kommentieren, d.h. alles was innerhalb der Steuerzeichen /* und */ steht, wird nicht in Programmcode umgewandelt - Mit //xxx kannst du ab den Steuerzeichen // bis zum Ende der Zeile das Programm kommentieren - Alternativ zu zwei entgegengesetzten IF-Anweisungen kann eine IF-Abfrage mit einer ELSE-Anweisung erweitert werden if(). else.. D.h., ist die IF-Bedingung erfüllt, so wird die Anweisung zwischen IF() und ELSE ausgeführt, andernfalls die Anweisung hinter ELSE.

5 Wiederholende Abläufe Seite 5 3. KURZ ODER LANG Kommen wir nun auf unser Handy zu sprechen. Mit dem Erkennen des Drückens der Taste können wir nun vernünftig eine Telefonnummer eintippen, ohne dass mit einem Tastendruck gleich mehrere Ziffern erscheinen. Viele der Tasten haben aber noch Sonderfunktionen. Wenn wir längere Zeit die Taste 1 drücken, wird der Anrufbeantworter angerufen. Das längere Drücken der Mail- Taste bewirkt anstatt des Öffnens der Mails das Erstellen einer neuen Mailnachricht. Ein Notebook schaltet den Computer bei längeren drücken der Power-Taste ohne Nachfrage aus. Die Tastaturerkennung muss also zwischen einem kurzen und einem langen Tastendruck unterscheiden können. Bisher können wir folgende Tastenzustände unterscheiden: Das dauerhafte nicht Drücken einer Taste: if(taste == 0) Das dauerhafte Drücken einer Taste: if(taste == 1) Das Runterdrücken einer Taste: if((taste == 1) && (taste_old == 0)) Das Loslassen einer Taste: if((taste == 0) && (taste_old == 1)) Leider können wir nicht in die Zukunft schauen und beim Runterdrücken der Taste feststellen, ob dass dann ein kurzer oder langer Druck wird. Auch beim Loslassen der Taste können wir ohne weiteres nicht feststellen, wie lange die Taste gedrückt worden ist. Wenn wir jedoch beim Drücken der Taste die aktuelle Zeit speichern und beim Loslassen die Zeitdifferenz zwischen Runterdrücken und Loslassen bestimmen, haben wir alle notwendigen Informationen! lang kurz t Zeitschritte 4 15 gespeicherte Zeitpunkte 11-4= =3 gemessene Differenz

6 Wiederholende Abläufe Seite 6 BEISPIEL ERKLÄRUNG: 1) In der Variablen t0 soll der Zeitpunkt des Drückens der Taste gespeichert werden. Der Datentyp long ermöglicht die Speicherung von Zahlen mit einem Wertebereich von bis ) Die Funktion CurrentTick() gibt den aktuellen Zeitpunkt seit Start des NXT- Bausteins in 1ms Schritten an. 1) Ergänze die fehlenden Anweisungen im Schritt 3 2) Erweitere das Programm mit dem Ein-/Ausschalten des Motors so, dass folgende Spezifikation erfüllt ist: Taste Kurz: Wenn Motor Aus: Motor Ein (Drehrichtung entsprechend einer neu anzulegenden Variable dir ) Wenn Motor Ein: Motor Aus Taste Lang: Wenn Motor Aus: Variable dir von 0 auf 1 resp. von 1 auf 0 setzen Wenn Motor Ein: Variable dir von 0 auf 1 resp. von 1 auf 0 setzen und Drehrichtung des Motors ändern (OnFwd(),OnRev()) 3) Das Alternieren von 0 auf 1 resp. von 1 auf 0 kann einfacher mit dem Rest einer Division durch 2 bearbeitet werden. (0 + 1) / 2 = 0 Rest 1; (1 + 1) / 2 = 1 Rest 0 Die Anweisung dir=(dir +1) % 2; wäre also eine alternative Lösung. 4) Um einen langen Tastendruck erkennen zu können, müssen wir nicht unbedingt bis zum Loslassen der Taste warten. Wir können auch die Zeitüberschreitung während des dauerhaften Drückens der Taste feststellen. Ändere das Programm entsprechend, so dass bereits frühzeitig der lange Tastendruck detektiert wird, d.h. wenn die Maximalzeit für den kurzen Tastendruck abgelaufen ist. TIPPS - Der Computer arbeitet am liebsten mit Ganze Zahlen. Er kennt also kein Komma. Wenn zwei ganze Zahlen geteilt werden, gibt es immer ein ganzahliges Ergebnis und einen ganzzahligen Rest, welcher mit dem Modulo-Operator % abgefragt wird.

7 Zeitliche Bedingungen Seite 7 4. GESCHWINDIGKEITSSTELLER Viele elektronische Haushaltshelfer haben nur wenige Tasten zur Steuerung der Funktionalität. Der Dimmer für das Licht hat genauso wie die elektronische Zahnbürste nur eine Taste. Mit dieser einen Taste wird nicht nur Ein- / Ausgeschaltet, sondern auch die Helligkeit des Lichtes resp. die Drehzahl der Zahnbürste geändert. Mit einem kurzen Drücken wird das Licht Ein-/Ausgeschaltet. Ein langes Drücken führt zur Änderung der Helligkeit. Diese wird gespeichert und beim nächsten Einschalten als Vorgabe genommen. Wir wollen jetzt einen Geschwindigkeitssteller entwickeln, der wie folgt arbeitet: Taster Kurz Ein Lang Drehzahl ändern Kurz Aus Kurz Ein Lang Drehzahl ändern n MAX Motor t t -n MAX Ein kurzes Drücken der Taste schaltet den Motor Ein/Aus: - War der Motor zuvor Aus, wird er mit der zuletzt gespeicherten Geschwindigkeit eingeschaltet. - War der Motor zuvor Ein, wird die aktuelle Geschwindigkeit gespeichert und der Motor ausgeschaltet Ein langes Drücken der Taste ändert die Geschwindigkeit des Motors erst gegen Null, dreht dann die Richtung um und Beschleunigt zur max. negativen Drehzahl. Ist diese erreicht, wird die Drehzahl anschließend zurück auf die max. positive Drehzahl gesetzt. Offene Fragen hierzu: - Wie soll reagiert werden, wenn die Taste lang gedrückt wird, der Motor aber aus ist? 1) Ergänze dein Programm aus der vorherigen Aufgabe entsprechend. Die Geschwindigkeit kannst du mit dem zweiten Parameter in OnFwd(OUT_A,speed) einstellen. Der Wertebereich von Speed ist von 100 (max. Vorwärts) über 0 (Halt) bis -100 (max. Rückwärts). Du brauchst also OnRev() nicht zu benutzen. 2) Ergänze dein Programm nun so, dass bei -100 nicht auf +100 zurückgeschaltet wird, sondern dass die Geschwindigkeit nun langsam ansteigt, anstatt sich schlagartig in die andere Richtung zu ändern.

8 Funktionen Seite 8 5. MEHRERE TASTEN An vielen Geräten befinden sich dann doch mehr als eine Taste. Wenn wir nun nach unserem vorherigen Prinzip weiterarbeiten würden, müssten wir für jede Taste unsere Programmzeilen kopieren. Das macht einerseits das Programm sehr groß, andererseits aber auch unlesbar. Die Programmiersprache C bietet uns hier die Möglichkeit, einzelne Programmteile in Funktionen zu gliedern. Funktionen haben Übergabeparameter und Rückgabeparameter. Mit dem Übergabeparameter könnten wir die Taste spezifizieren, die bearbeitet werden soll. Der Rückgabeparameter würde dann den Status der Taste anzeigen: 0=Dauerhaftes nicht drücken, 1=Dauerhaftes Drücken, 2=Runterdrücken, 3=Loslassen Defintion: Aufruf: int process_key(int key) { if(key==in_1) return 0; if(key==in_2) return 1; } taste=process_key(in_1); Die Werte zwischen den runden Klammern sind die Übergabeparameter. Das aufrufende Programm übergibt mit dem Aufruf process_key(in_1) hier den Wert IN_1, welcher in der Variablen key aufgenommen wird. Die Funktion übergibt mit return 0; resp. 1; den Rückgabewert 0/1 an den Aufrufer. Dieser speichert diesen in der Variablen taste. Jetzt haben wir noch das Problem, dass für jede Taste der alte Tastenzustand gespeichert werden muss. Am einfachsten können wir das machen, indem wir die Variable als Array anlegen. Definition: int taste_old[4]; Aufruf: taste_old[0] = 10; taste_old[3] = (taste_old[0]+taste_old[1]+taste_old[2])/3;

9 Funktionen Seite 9 BEISPIEL 1) Erkläre deinem Partner das Programm und probiere es aus. 2) Erweitere das Programm so, dass beim Drücken der Taste der Motor Ein/Ausgeschaltet wird. 3) Steuere nun 2 Motoren an. 4) Erweitere die Funktion process_key() um das Erkennen von langen/kurzen Tastendrücken. Folgende Rückgabewerte sind gefordert: 0 Taste nicht gedrückt; 1 Taste kurz gedrückt; 2 Taste lange gedrückt. HINWEIS: - OnRev() / OnFwd() / SensorValue() / Off() sind ebenfalls Funktionen, der Programmcode hierfür ist allerdings in einer sogenannten Library abgelegt. - Die Main-Task entspricht ebenfalls einer Funktion, mit dem Unterschied, dass diese Funktion keine Werte entgegennimmt und keinen Wert zurückgibt. Gestartet wird die Main-Task vom Betriebssystem. - Ist eine Variable innerhalb der geschweiften Klammern einer Funktion definiert, so ist diese nur dort bekannt (Lokale Variable). Ist eine Variable außerhalb definiert (hier taste_old[]), so kann von überall auf diese Variable zugegriffen werden (Globale Var).

10 Seite CODE-SCHLOSS Zum Freischalten deines Handys benötigst du eine PIN. Dein Fahrrad kettest du mit einem Zahlenschloss an. Deine Aufgabe ist es nun, den NXT zu einem Code- Schloss zu verwandeln. Der einfachste Weg ist sicherlich, für jede Ziffer eine eigene Taste (in unserem Fall 3 Tasten) zu nehmen und die Freigabe des Codes über eine separate Taste zu aktivieren. Jedes Drücken einer der drei Ziffern- Tasten führt zum Hochzählen der entsprechenden Ziffern. Beim Drücken der Freigabetaste wird der Code überprüft. Ist der Code korrekt, wird der Motor kurzzeitig aktiviert. BEISPIEL 1) Erweitere das Programm zu einem Code-Schloss. 2) Nutze anstatt 4 Tasten nun 1 Taste für die Eingabe und Freigabe des Codes. Ein kurzes Drücken bewirkt das Erhöhen der jeweiligen Ziffer und ein langes Drücken das Weiterschalten zur nächsten Ziffer. Sobald ein gültiger Code eingegeben ist, wird das Code-Schloss freigegeben (beachte hierzu auch den Hinweis auf der nächsten Seite).

11 Seite 11 HINWEIS: Zur Speicherung der aktuell in Bearbeitung befindlichen Ziffer benötigst du eine weitere Variable (hier zustand ). Hat diese den Wert 0, so bedeutet dies, dass derzeit die erste Ziffer bearbeitet wird. Ein langer Tastendruck erhöht diese Variable um 1 und zeigt damit die Bearbeitung der nächsten Ziffer an. Wenn sie auf 4 erhöht wird, wird der Code überprüft und die Variable im Anschluss wieder auf 0 gesetzt. ERKLÄRUNG 1) Die Switch-Anweisung entspricht der IF-Anweisung mit dem Unterschied, dass hier die Variable zustand gegen verschiedene Werte (hier case 0: für 0; case 1: für 1; ) verglichen wird. HINWEIS: - Diese mit der SWITCH-Anweisung programmierte Funktionalität nennt man Zustandsautomat. Dieses beschreibt ein Verhaltensmodell, bestehend aus Zuständen, Zustandsübergängen und Aktionen.