基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台制作一个反应测试器

内容介绍

1.项目介绍

基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台，通过MicroPython编程，设计制作一个简易的反应测试器，实现在随机时间点亮扩展板上的12个WS2812B RGB三色灯，并在按下扩展板上的一个按键后，计算灯亮到按键之间的时间间隔，通过USB传输数据，将时间间隔作为测试反应时间显示在PC上，并且在OLED上同时显示反应时间，以此实现测试反应速度的功能。

2.设计思路

利用扩展版上的WS2812B RGB三色灯作为测试开始的信号，同时记录初始时间；
使用一个按键，并设置按键按下后记录结束时间；
然后计算开始时间和结束时间之间的时间间隔，并作为本次测试的反应时间；
通过USB传输显示到PC上，同时将反应时间显示在扩展板的OLED上；
最后将主程序放入循环体中，实现反应测试程序的重复运行。

3.软件流程图

项目的程序流程图如下：

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4.硬件介绍

使用到的硬件：

1个按键输入
12个WS2812B RGB三色灯
1个128*64 OLED显示屏

5.实现的功能及图片展示

5.1 通过USB传输，将反应时间显示在PC上

Fj7ZoAOzf4j3M3qRKhjXyOcZKjCk

5.2 同时，将反应时间显示在扩展板OLED上合适的位置

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Fq9-4kYXArpX9AxpAdHh_NV7chNx

6.主要代码片段及说明

6.1 导入程序所需的模块

例如：导入time模块用于计算时间间隔；导入random模块使得灯光在随机时间点亮起；导入button模块，实现按键状态的读取；导入ws2812b模块，用于控制WS2812B RGB三色灯。

import ws2812b
from oled import oled
from button import button
from board import pin_cfg

import time
from machine import Pin
import random

6.2 测试结果的显示

定义一个print_result函数，实现将测试反应时间结果的字符通过print(msg)显示在PC上，并且通过oled.text()和oled.show()两个函数将结果显示在OLED上，然后添加参数i和j作为字符在OLED上的横纵坐标，以控制字符显示在OLED屏上合适的位置。

def print_result(msg,i,j):
    #输出字符到OLED上
    print(msg)
    oled.text(msg,i,j)
    oled.show()

6.3 定义回调函数k1_callback，输出测试结果

通过函数time.ticks_ms()的返回值和变量timer_start作差得到反应时间间隔timer_reaction的值，通过前文定义好的print_result函数输出测试结果，并设置print_result的参数：print_result( 想要输出的字符 , 输出字符的行 , 输出字符的列 )，注意将timer_reaction的值转为字符再输出。

def k1_callback(pin):
    #回调函数
    global timer_start
    timer_reaction = time.ticks_ms() - timer_start
    print_result("Your reaction", 15, 20)
    print_result("time was", 35, 30)
    print_result(str(timer_reaction) + "ms", 45, 40)
    #输出结果

6.3 测试反应时间的循环体

设置按键k1作为反应时间的触发信号，按下k1键就通过定义好的函数print_result()和k1_callback()，来计算反应时间间隔，并且在PC和OLED上显示测试结果；

使用random.uniform()函数的返回值作为time.sleep()函数的参数，控制WS2812B RGB三色灯在随机时间点亮起，同时开始计时；

使用time.sleep()函数控制灯亮持续0.5秒后熄灭；

通过一个循环体while让测试反应程序循环运行，在灯灭10秒后开始下一个循环，并引入oled.fill(0)函数用于刷新屏幕上的字符，避免重复运行程序后出现的字符重叠遮挡的现象，从而实现多次反复测试的功能。

k1 = button(pin_cfg.k1, k1_callback, trigger=Pin.IRQ_FALLING)

oled.fill(0)
#刷新屏幕

while True:
    time.sleep(random.uniform(3,5))
    ws2812b.on_all()
    #随机时间点亮LED
    timer_start = time.ticks_ms()
    #计算并输出测试结果
    time.sleep(0.5)
    ws2812b.off_all()
    time.sleep(10)
    oled.fill(0)
    #刷新OLED屏

7.遇到的主要难题及解决方法

7.1 在程序设计的过程中，我们发现由于OLED屏的显示容量有限，反应测试结果的文本过长，无法在一行之内显示出来，影响了我们查看反应测试时间。

为了解决这一问题，我们通过多行输出，并且在print_result函数中引入变量i和j来作为OLED输出文本的横纵坐标，实现了反应测试时间的换行输出，解决了文本显示不全的问题，同时还实现了文本的居中显示，使得测试结果的显示更加美观。

7.2 添加循环体使得程序重复运行后，我们发现在最初程序设计中，我们没有考虑到程序的重复运行在进行两次及以上时，反应测试的时间显示会由于OLED屏尚未刷新，仍旧保留着之前的显示结果，从而导致文本内容相互重叠，难以辨认测试结果；

因而，在循环体之前和循环体的结尾，我们都使用到了oled.fill(0)函数，用于重置OLED屏的显示状态，进而实现了程序的反复运行的同时只显示最近一次的反应测试时间，避免了文本重叠。

OLED上文本重叠：

FrXpBt4g4r98AFOZ0JIKMq7gufz4

改进后：

Fp6GpurHio060NvxIfiNQdN8eFuh

7.3 作为嵌入式系统的初学者，在调试代码的过程中，由于没有及时将更新后的模块脚本上传到平台中去，常常会出现由于缺失模块无法运行，或是导入错误的同名模块，而导致程序运行无法得到预期的结果。在经过本次项目的学习之后，我也吸取了类似的经验教训，养成了时常保存和检查代码的习惯。

8.未来的计划和建议

本次项目是我第一次接触到嵌入式系统的学习，随着有关micropython用法和嵌入式相关知识的学习，不断深入了解和完善程序设计。

同时，我还学到了许多硬件的使用方法，例如：按键、单色LED、蜂鸣器、WS2812B RGB三色灯、OLED显示屏等，并通过硬件各种功能的不同组合，来满足我们对程序设计的需求。未来我计划继续深入嵌入式系统的学习，探索更多的功能和玩法；若条件允许，将在现有平台的基础上继续扩展更多的硬件设备，扩展更多的功能，以满足进阶的设计需要。

在本次项目的设计过程中，虽然我完成了反应测试器的设计，满足了主要的功能，但是我希望能够在现有的设计之上，拓展更多的功能，比如：

通过在OLED屏上点亮一些预设的图案来进行装饰；
在反应测试的过程中，加上蜂鸣器的音效，实现视听信号同步，加强测试信号便于测试者反应；
加上计数功能，在重复运行的过程中，记录并显示最快的反应时间；
实现在每次循环的过程中，WS2812B RGB三色灯都会亮起不同颜色的灯光作为测试信号；

加入到本次2023寒假在家一起练活动中，我受益匪浅，希望今后能够多多参与到类似的活动中，学习不仅仅是有关嵌入式系统的知识，充实我们的假期生活，更好地提升自己。