树莓派RP2040--使用姿态传感器制作水平仪

内容介绍

一.项目介绍

1.RP2040开发板：

引用部分官方介绍：RP2040开发板主控采用树莓派Pico芯片RP2040：双核Arm Cortex M0+内核，主频133MHz (200MHz Max.)，264KB内存。开发板上有：外扩2MB Flash，一个240*240彩色IPS LCD，SPI接口，控制器ST7789, 板载温度传感器，三轴姿态传感器MMA7660。还有SPI、I2C以及2路模拟信号输入。

下面是外观图和原理框图。

Flo0Ttmj96ItJyRhkeOIZv6unAmv Fo_bQewUYVRVxvSA5ClIGJ8PyagJ

2.IDE：

RP2040是树莓派主控，按说现在树莓派用Micropython来做比较多，当使用Micropython时，IDE可用Thonny，在2021年12月的Fastbond活动中，是第一次使用Micropython+Thonny，当时非常惊叹于入门方便，所以本次刚开始也使用Micropython，但因为对Micropython了解实在太少，经过一番学习和试错，最后只能放弃，在群里大佬帮助下，最终选用了Arduino IDE.

Arduino IDE设置适配树莓派Pi PICO也有一番波折，可参照这个网站，这是机翻网站，读起来很怪，但是有用，在这里建议将pico-setup-windows先下载下来，如果通过Arduino的开发板设置中查找PICO来下载，会让人发狂，很容易下载最后失败，特别是在Arduino首选项设置：

https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json

这个网址单独打开也可以，就是在Arduino IDE中无法连续下载，目前没搞清楚原因。

当Arduino IDE设置好了后，开发板选项会像如下这样：

Fp_y1bQ-fdKlvrDBKbh0TdIf4eD5

二.任务完成思路和实现过程

此次活动我选取了任务8：在LCD屏上设计一款水平仪，通过一个滚动的小球或气泡，来显示当前板子的倾斜度，当板子处于水平位置的时候，小球停在屏幕的正中间，倾斜板子，小球偏移，并能够显示偏移的角度（二维信息）。

以下对本次任务进行分解：

第一步：读取姿态传感器数据（代码和对应库文件详见附件中）

RP2040开发板自带MMA7660三轴姿态传感器，这颗传感器的库很容易找，MicroPython和C的库都有，如果是Arduino里面，建议直接从Github或者Gitee上下载，电子森林上也有，

在开发板上线路如下，可看出来是用I2C总线。

FqoBtr0yJzyznKsvUdTiPqb64IjD

arduino中的库下载好了后，有一个demo可以看，这个demo比较简单，我这个程序小白也能看明白，调用传感器数据显示在串口上，具体的细节在附件程序中。

FvEQdRrayNTxEiYVOvrB0n6qprSF

第二步：在LCD上显示，包括参考图片中的圆圈，标线，以及倾斜时小球的运动等。（代码和对应库文件在附件中，所需TFT_eSPI库文件非通用，已重新适配该RP2040开发板）

1.LCD部分：240*240，彩色IPS LCD，SPI接口，控制器ST7789，这里特别备注，因为这个开发板的ST7789据说采用了国产替代，同时LCD模块内部接线不确定，导致TFT_eSPI的库无法适配，需要在库文件～Arduino\libraries\TFT_eSPI\TFT_Drivers里面的ST7789相关文件中修改Pin对应关系和一些指令（具体不详，我采用群里大佬修改后的库）

FnqM5qgLdN8z9ascqBha-EuK76Lm

第三步：实现和调试(完整代码详见附件)

程序中需要载入的库如下：

其中，TFT_eSPI库是更新适配这个开发板后的版本

#include <TFT_eSPI.h> // Graphics and font library for ST7735 driver chip
#include <SPI.h>
#include <Wire.h>
#include "MMA7660.h"

需要调试的部分：

（1）调用三轴传感器的数据，因为这个传感器的数据输出线性不好，我能想到的办法是多次取值做均分，本来也查到一些平滑处理数据的方法，多次尝试后因为没搞清楚原理，最后只能放弃使用那些高大上的方法。

部分代码如下：


.
.
  acc.getXYZ(&x1,&y1,&z1);
  delay(6);
  acc.getXYZ(&x2,&y2,&z1);
  delay(6);
  acc.getXYZ(&x3,&y3,&z1);
  delay(6);
  acc.getXYZ(&x4,&y4,&z1);
  delay(6);
  acc.getXYZ(&x5,&y5,&z1);
  delay(6);
.
.
  x = (x1+x2+x3+x4+x5)/5;
  y = (y1+y2+y3+y4+y5)/5;

  Y0 = (x + 22)*5;
  X0 = abs(y - 24)*5;//传感器输出值映射到坐标X,Y
.
.

（3）显示部分：TFT_eSPI库中有现成的指令划圈，很省事，但是因为需要调用传感器数据，同时要保持传感器数据刷新，来直观显示变动小圆球，所以需要显示刷新，这个问题在之前没遇到过，最粗暴的方法是用全局刷新，但是会导致屏闪，看TFT_eSPI库的例程，有DMA的方法，结果花了两周来琢磨DMA的显示，因为对软件原理了解太少了，出现很多问题，比如在loop中放入传感器数据刷新这段的时候，貌似会导致开发板死机，个人猜测是因为数据溢出，但也想不到办法确认和调试，最终也只能放弃，用全局刷新来做。

部分代码如下：

.
. //划圈
  tft.fillScreen(TFT_SILVER);
  tft.drawCircle(120, 120, 20, TFT_BLUE);//内1蓝
.
. //打mark点
  tft.setTextSize(1);
  tft.setTextColor(TFT_BLACK);
  tft.drawString("15", 1, 123);//左1黑
.
. //显示小球全局刷新
  tft.fillCircle(X0, Y0, 7, TFT_RED);
  delay(70);

补充说明几点：

1. 因为RP2040出厂默认内部固件是Micropython，所以如果需要用Arduino IDE来编译，需要重新刷对应的固件（刷固件操作：即关机-->同时按住B键和RESET键-->USB连接电脑-->打开开关-->松开B键-->此时电脑中会出现新文件夹-->此时再松开RESET键），在附件中已经注明（需要进行两步，第一步1st. firmware.uf2，第二步2nd. rp2-pico-20220117-v1.18.uf2），然后在Arduino IDE中才会出现对应的端口。

2. 另需要再注意，第一次在Arduino中上传文件时，需要按刷固件操作来做，然后需要在Arduino IDE中快编译结束时再松开B键，此时电脑中有文件夹出现了，那才能让第一次上传文件成功，第一次上传成功后，Arduino 中的端口会再次出现变化，这时要重新选择对应的端口一次（如果操作有实在不清楚，可电话联系本人）

第四步：演示效果

贴上演示效果如下：

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三.活动总结，一些感想

本次活动是寒假练参加的第二个活动，留下来不少遗憾，比如没能搞清楚Micropython下的显示画圆圈的方法，没能搞清楚Arduino 下TFT_eSPI中DMA刷新的原理，同时也学到了很多，对Micropython语法和TFT_eSPI库的设置更改都有了更多了解。

感谢硬禾学堂在2021年的活动，让我从对软件一无所知，到现在能简单完成一些小项目，学习了很多，也认识了群里很多大佬，接下来2022年，自己要更努力，也会一如既往支持硬禾学堂后面的活动。