少ないポートでキー入力

　マイコンを使って、ユーザー入力があるアプリを作っていると、ポートが足りないことが時々起こります。 これに対応する方法を考えます。

ポートが足りない時にとるべき措置

　マイコンを使っていると、ポートが足りないという事態によく陥ります。その場合、さまざまな対応方法がありますが、当方でやったことのある方法をご紹介します。

ロジックＩＣでＩＯを拡張する

　入力/出力がきっちり８ビット足りないとか、８ビットでデータを渡す（＝データバス的な）処理がある場合には、ロジックＩＣを使ってＩＯを拡張しています。条件が合えば、最も安い拡張だと思います。74HC595や、74HC165あたりがターゲットです。

ＳＰＩで、ＩＯエキスパンダを接続する

　拡張するＩＯが、入力出力で数ビットづつだとか、拡張した入力ポートからの信号で割り込み駆動を行う必要があるとか、３２ビット以上の大量拡張の必要が生じた場合などは、ＳＰＩ接続でＩＯエキスパンダを使用します。ＭＣＰ２３Ｓ０８が当方の定番です。４個（３２ビット）までなら、チップ側のアドレス選択を使って振り分けできるので、チップセレクトを分ける必要もありません。

ＳＰＩで、ＡＴＴＩＮＹ２３１３を接続する

　拡張するＩＯでＰＷＭを行いたいとか、シリアル回線も必要とかいう需要の場合、ＳＰＩ接続でマイコンをもうひとつ増設します。当方定番サブマイコンは、アトメルのＡＴＴＩＮＹ２３１３です。何といっても１００円ですし。

ハードとソフトで何とかする

　これが、今回のテーマなのですが、キー入力などの場合でマイコンにＡＤコンバータを搭載している場合、うまく回路を作れば、複数キーを１つのポートで受信できます。

ＡＤコンバータでキー入力

　ネットで検索してみると、上のような回路図が出てきました。たった１ビットのアナログ入力に７個のキーを割り当てています。ただし、この回路では、複数キーを同時に押した場合、右側の（スイッチ番号が小さいほうの）キーが優先されます。このことが問題にならない場合、非常に有効な方法です。実際、ＭＰ３のポータブルプレーヤーや、デジタルフォトフレームなんかの製品にも、この手の回路があるようです。

　マイコン内臓ＡＤＣで一般的解像度は１０ビットなので、それに合わせて計算してみました。 また、ＶＣＣの電圧は５Ｖとしています。（最近では異論もありましょうが）
　まず、何も押されていなければ、Ｒ１によるプルアップで、ＡＤＣの電圧はＶＣＣになります。１０ビットのＡＤＣであれば、上限値である１０２３が返って来るハズです。 　キー１が押されていれば、電圧は０．６３Ｖとなり、取込値は１２９に、キー２であれば取込値は２５９になりそうです。もちろん、抵抗の誤差が１％とか、５％とかありますが、この１２９と２５９の中点である、１９４より、小さいかどうかを判定すれば、キー１が押されているということが言えそうです。

//	判定ルーチン１
//	（効率わるい）
int adv2key(int adcval)
	{
	if (adcval < 194)       return 1;
	else if (adcval < 320)  return 2;
	else if (adcval < 449)  return 3;
	else if (adcval < 582)  return 4;
	else if (adcval < 709)  return 5;
	else if (adcval < 836)  return 6;
	else if (adcval < 962)  return 7;

	return 0;
	}

　何も考えずに判定ルーチンを書くと、こんな感じになりました。でもちょっと考えると、このコードは、７回if文を通過するので、効率が悪いと言えます。せっかく不等号で判定するので、いじってみます。

//	判定ルーチン２
//	（ソフト的には効率よさそうだけど・・・）
int adv2key(int adcval)
	{
	if (adcval < 582)	// key 1〜4
		{
		if (adcval < 320)	// key 1 or 2
			{
			if (adcval < 194) return 1;
			else              return 2;
			}
		else				// key 3 or 4
			{
			if (adcval < 449) return 3;
			else              return 4;
			}
		}
	else				// key 5〜7,0
		{
		if (adcval < 836)	// key 5 or 6
			{
			if (adcval < 709) return 5;
			else              return 6;
			}
		else				// key 7 or 0
			{
			if (adcval < 962) return 7;
			else              return 0;
			}
		}

	return 0;	//ここには来ない
	}

　この形だと、どんな場合でも、if文３回通過で判定できるので、効率が良いように見えます。パソコンのプログラムで、あるデータ範囲を判定する方法であれば、このように、まず大きく２つに分けて、その中をさらに２つに・・・というアプローチは、効率的です。ところが、マイコンのキー判定ルーチンとしては、非効率なのです。
　マイコンシステムにキーが７個あるとして、マイコン動作時間の全てのうち、キーが押されている時間は、僅かなものであると言えましょう。つまり、ＡＤコンバータから取得されるデータは圧倒的に１０２３近辺の値に偏っていることになります。そこで、この部分を先に判定することにより、キーが押されていないケースの場合、if文一回で戻れるように変更しました。

//	判定ルーチン３
//	（この場合、これがいいと思う）
int adv2key(int adcval)
	{
	if (adcval >= 962) return 0;
	if (adcval < 582)	// key 1〜4
		{
		if (adcval < 320)	// key 1 or 2
			{
			if (adcval < 194) return 1;
			else              return 2;
			}
		else				// key 3 or 4
			{
			if (adcval < 449) return 3;
			else              return 4;
			}
		}
	else				// key 5〜7,0
		{
		if (adcval < 836)	// key 5 or 6
			{
			if (adcval < 709) return 5;
			else              return 6;
			}
		else				// key7
			{
			return 7;
			}
		}

	return 0;	// ここにはこない
	}