【Arduino Uno R4】デジタルピンが「呼吸」する。全ピンSoftware PWMで描く光の波

// 基本的なアイデア（簡略化）
void softwarePWM(int brightness) {  // brightness: 0〜255
  for (int cycle = 0; cycle < 256; cycle++) {
    if (brightness > cycle) {
      digitalWrite(LED_PIN, HIGH);  // ON
    } else {
      digitalWrite(LED_PIN, LOW);   // OFF
    }
    delayMicroseconds(10);  // 短時間待機
  }
}

// ガンマ補正の計算式
float linearBrightness = (sin(t) + 1.0) * 127.5;  // 0〜255
float correctedBrightness = pow(linearBrightness / 255.0, 2.0) * 255.0;

// Deep Ocean（左→右）
float val = sin(t * speed + i * waveLen);

// Cyber Pulse（右→左）
float val = sin(t * speed - i * waveLen);  // 符号を反転

for (int i = 0; i < 14; i++) {
  float dist = abs(i - 6.5);  // 中心からの距離
  float val = sin(t * speed - dist * waveLen);
  // ...
}

// 上段の波のエネルギーを計算
int avgBrightness = 0;
for (int i = 0; i < 14; i++) {
  avgBrightness += waveBrightness[i];
}
avgBrightness /= 14;  // 平均値

// 6ビットのバーグラフに変換（0〜6本の点灯）
int barLevel = map(avgBrightness, 0, 255, 0, 6);
for (int i = 0; i < 6; i++) {
  levelMeterState[i] = (i < barLevel) ? 1 : 0;
}

/*
  Demo: 3-Pattern PWM Wave Animation
  Board: Arduino Uno R4 Minima / WiFi
  
  D0-D13: Wave Display (14 LEDs)
  A0-A5 : Level Meter (6 LEDs)
*/

// ピン定義
const int wavePins[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 };
const int numWavePins = sizeof(wavePins) / sizeof(wavePins[0]);
const int meterPins[] = { A0, A1, A2, A3, A4, A5 };
const int numMeterPins = sizeof(meterPins) / sizeof(meterPins[0]);

// 波のパターン定義
struct WavePattern {
  float speed;      // 速度（波の周期）
  float waveLen;    // 波長（隣接LED間の位相差）
  bool reverse;     // 逆方向フラグ
  bool ripple;      // 波紋モードフラグ
  bool useGamma;    // ガンマ補正フラグ
};

WavePattern patterns[] = {
  { 0.002,  0.2,  false, false, true  },  // Deep Ocean（ガンマ補正あり）
  { 0.006,  0.6,  true,  false, false },  // Cyber Pulse（高速逆方向）
  { 0.003,  0.4,  false, true,  false }   // Sonar Ripple（波紋）
};
int currentPattern = 0;
unsigned long patternStartTime = 0;
const unsigned long patternDuration = 10000;  // 10秒ごとに切り替え

// 明るさ配列
byte waveBrightness[14];
byte levelMeterState[6];

void setup() {
  // ピン初期化
  for (int i = 0; i < numWavePins; i++) {
    pinMode(wavePins[i], OUTPUT);
  }
  for (int i = 0; i < numMeterPins; i++) {
    pinMode(meterPins[i], OUTPUT);
  }
  
  patternStartTime = millis();
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  
  // パターン切り替え判定
  if (currentMillis - patternStartTime > patternDuration) {
    currentPattern = (currentPattern + 1) % 3;
    patternStartTime = currentMillis;
  }
  
  WavePattern &p = patterns[currentPattern];
  
  // --- 1. 計算フェーズ ---
  // sin関数を使って、各LEDの目標の明るさ(0-255)を計算
  for (int i = 0; i < numWavePins; i++) {
    float phase;
    
    if (p.ripple) {
      // 波紋モード：中心からの距離で位相を決定
      float dist = abs(i - 6.5);  // 中心（6.5）からの距離
      phase = currentMillis * p.speed - dist * p.waveLen;
    } else {
      // 通常モード：左から右（または逆）に進む波
      phase = currentMillis * p.speed + (p.reverse ? -1 : 1) * i * p.waveLen;
    }
    
    float val = sin(phase);
    float brightness = (val + 1.0) * 127.5;  // -1〜1 を 0〜255 に変換
    
    // ガンマ補正（Deep Oceanのみ）
    if (p.useGamma) {
      brightness = pow(brightness / 255.0, 2.0) * 255.0;
    }
    
    waveBrightness[i] = (byte)brightness;
  }
  
  // レベルメーターの計算（波の平均明るさ）
  int avgBrightness = 0;
  for (int i = 0; i < numWavePins; i++) {
    avgBrightness += waveBrightness[i];
  }
  avgBrightness /= numWavePins;
  
  int barLevel = map(avgBrightness, 0, 255, 0, numMeterPins);
  for (int i = 0; i < numMeterPins; i++) {
    levelMeterState[i] = (i < barLevel) ? 1 : 0;
  }
  
  // --- 2. 描画フェーズ (Software PWM) ---
  // ここを高速で回すことで、擬似的にアナログ出力を再現
  unsigned long pwmStart = micros();
  while (micros() - pwmStart < 5000) {  // 5ms間描画（= 200Hz PWM）
    int pwmCycle = micros() & 0xFF;  // 0-255のカウンター
    
    // 波のPWM
    for (int i = 0; i < numWavePins; i++) {
      digitalWrite(wavePins[i], (waveBrightness[i] > pwmCycle) ? HIGH : LOW);
    }
    
    // レベルメーターのPWM
    for (int i = 0; i < numMeterPins; i++) {
      digitalWrite(meterPins[i], levelMeterState[i]);
    }
  }
}

struct WavePattern {
  float speed;    // 速度
  float waveLen;  // 波長
  bool reverse;   // 逆方向
  bool ripple;    // 波紋モード
  bool useGamma;  // ガンマ補正
};

// フェーズ1: 計算（数ms）
for (int i = 0; i < 14; i++) {
  waveBrightness[i] = calculate(...);
}

// フェーズ2: 描画（5ms間高速ループ）
while (micros() - pwmStart < 5000) {
  // 全ピンを高速ON/OFF
}

int pwmCycle = micros() & 0xFF;  // 0〜255のカウンター
digitalWrite(pin, (brightness > pwmCycle) ? HIGH : LOW);