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BitShifting ist eine Methode, bei welcher einzelne Bits nacheinander über einen Pin des Arduino “geshiftet” – d.h. herausgeschrieben – werden. Diese Funktion kann genutzt werden um z.B. mehrere LEDs mit nur wenigen Pins anzusteuern. Dies kann Sinn machen, wenn man z.B. eine Segmentanzeige mit vielen Stellen steuern möchte.

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Um die Funktionsweise des BitShifting zu verstehen hilft es, sich die grundlegenden Operationen des Microkontrollers vorzustellen. Ein Microkontroller – wie jede andere CPU auch – arbeitet nur auf der Basis von 0 (AUS) und 1 (EIN). Diese werden so verarbeitet, dass logische Systeme damit konstruiert werden können. Die Basis dafür bilden die sog. bitweisen Operanden. Ein Byte besteht grundsätzlich aus acht Bits. Man kann sich den Zusammenhang zwischen Bits und Bytes also folgendermassen vorstellen…

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D.h. alle Werte der Bits in einem Byte zusammengenommen ergeben den Wert des Bytes. Dabei gilt folgende Logik …

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Durch alle Kombinationen lassen sich so mit jedem Byte 256 Werte (von 0 bis 255) darstellen, je nachdem, welches Bit “aktiv” und welches “nicht aktiv” ist. Im folgenden Tutorial wird genau dies mit dem “Beispiel ShiftOut 01″ visualisiert.

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byte test = B00100000; // Direkte Zuweisung des Bit Wertes
byte test = 40; // Zuweisung über den Wert des Bytes
byte test = bitWrite(test, 3, HIGH); // Zuweisung des Wertes über die Funktion bitWrite() 

Wenn wir uns nun vorstellen, dass jedes Bit eine LED darstellt, welche je nach Wert des Bits aus EIN od. AUS gesetzt wird, dann können wir mit Hilfe eines Bytes acht unterschiedliche LEDs ansteuern. Es geht also lediglich darum, wie wir ein Byte versenden und dann wieder so decodieren können um damit eine LED zu schalten. Dafür nutzen wir ein ShiftRegister des Types 75HC595. Dieses erlaubt es uns über einen Daten PIN (DATA_PIN) das gesamte Byte zu senden und je nach dessen Wert bis zu acht Ausgänge zu schalten.

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Die Funktion ShitOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, bitOrder, Wert) übernimmt dabei das Timing und das Herausschreiben des kompletten Bytes. DATA_PIN ist dabei der PIN, über welchen die Daten versandt werden. CLOCK_PIN ist für das Timing. bitOrder beschreibt ob wir das Byte von Links nach Rechts (MSBFIRST – most significant bit first) oder von Rechts nach Links (LSBFIRST – last significant bit first) lesen möchten. Wert kennt dann nur noch zwei Zustände HIGH od. LOW.

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Beispiel

Ein gutes Tutorial zur Verwendung eines Shift Registers ist hier dokumentiert. Folgende Komponenten werden für das Tutorial benötigt:

1x Arduino
1x Shift Register 74HC595 (Datenblatt)
8x Vorwiderstand
1x Display Kingsbright (Datenblatt)
2x Breadboard MiniImage Removed

Das Display besteht eigentlich aus 8 einzelnen LEDs, welche in der uns vertrauten Form angeordnet sind. Auf der Rückseite des Diplays befinden sich die entsprechenden Anschlüsse. Im Datenblatt des Diplays finden wir die Information, wie diese Anschlüsse belegt werden müssen.

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Um das Shift Register ansprechen zu können, müssen wir uns zunächst das Timing des Registers ansehen. Hierzu gibt es im Datenblatt der 74HC595 ein sog. Timing Diagramm.

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#define LATCH_PIN 8  //Pin zu ST_CP vom 74HC595
#define CLOCK_PIN 12 //Pin zu SH_CP vom 74HC595
#define DATA_PIN 11  //Pin zu DS vom 74HC595
 
void setup() 
{
  pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT);
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);
}
 
void loop() 
{
  for(int i=0; i<8; i++)
  {
    registerWrite(i, HIGHLOW); // Entsprechende LED anmachen
    delay(1000);
  }
}
 
void registerWrite(int _whichPin, int _whichState) 
{
 
  byte bitsToSend = 0; // Dieses Byte hat acht Bits also: 00000000
 
  digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
 
  bitWrite(bitsToSend, _whichPin, _whichState); // Hier wird das entsprechende Bit im Byte gesetzt (z.B. 00100000)
 
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, bitsToSend);
 
  digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
 
}

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