内容介绍

Funpack3-5 点灯项目——PRU实现呼吸灯与闪烁速度切换

1. 项目简介

大家好，很高兴参加 Funpack 3-5 活动！我是一名电子爱好者，大家可以叫我苏格拉。本次项目任务是利用 BeagleBone Black 自带的 PRU（Programmable Real-time Unit）控制外部 LED 模块实现呼吸灯效果（PRU 的优势是具备实时性，能精确控制延迟时间），同时使用一个按键来切换 LED 闪烁速度。硬件方面选用开源硬件 BeagleBone Black （简称 BBB）作为主控，DFRobot 数字按钮模块 和 DFRobot 食人鱼红色 LED 模块 作为外部设备搭配完成任务。

软件开发直接采用 BeagleBone Black 系统自带的 Cloud9 IDE，可以很边便捷的上传程序到开发板。Cloud9 是 BeagleBone Black 单板计算机上的 IDE 本机。通过 Cloud9 我们可以直接调用 BBB 的 PRU。浏览器地址栏输入：http://192.168.7.2/ide.html 即可进入 Cloud9 IDE，以下是进入 Cloud9 的界面。(点击图片可放大查看)

我们可以到 Cloud9 中名为 PRU 的文件夹，里边是有关 PRU 使用的示例程序。我们将修改示例程序来完成按键控制呼吸灯的代码。

2. 硬件介绍

主控板：

使用的主控为 BeagleBone Black，搭载 TI 的 AM335x 系列处理器，具备 PRU 子系统用于实时控制。BeagleBone Black 的 PRU（Programmable Real-Time Unit）子系统 是其强大的一部分，专门设计用于实时任务和快速 I/O 操作。PRU 是独立的微处理器单元，不依赖于主 CPU，其可实现 纳秒级 的实时响应，非常适合需要精准时序控制的应用，例如 PWM 生成、信号处理和高速数据采集。

两个 PRU 内核：

BeagleBone Black 的 PRU 子系统包含两个独立的 32 位 RISC 内核 ( PRU0 和 PRU1 )，它们可以独立运行不同的程序，通过共享资源（如内存和寄存器）协同工作。PRU 可以直接控制 BeagleBone Black 的 GPIO 引脚。


BeagleBone Black 引脚图

外设：

DFRobot 食人鱼红色 LED 模块：通过 GPIO 控制亮度变化，实现呼吸灯效果。
DFRobot 数字按钮模块：通过 GPIO 读取按键输入，用于切换闪烁速度。

3. 设计思路

使用 PRU 的 GPIO 引脚驱动 LED，根据占空比调节亮度，模拟 PWM 信号形成呼吸灯效果。

利用循环延迟实现定时，按键输入用于切换延迟时间，从而实现快慢两种呼吸灯模式。

设计方案包括以下模块：
LED 呼吸灯控制：根据设定的占空比模拟 PWM 控制 LED 亮度，逐步实现亮度的渐亮与渐暗循环。

按键控制逻辑：检测按键的状态变化，当检测到按键按下时切换延迟时间，实现闪烁速度的快慢切换。

4. 项目功能演示

功能 1：LED 呼吸灯效果：LED 按照一定占空比从暗到亮、再从亮到暗，循环变化。
功能演示详细可见项目视频
功能 2：按键控制闪烁速度：通过按下按键，切换 LED 呼吸灯模式的速度（慢速与快速）。
功能演示详细可见项目视频

5. 项目总结报告

5.1 项目描述

本项目目标是通过 PRU 控制 GPIO，实现 LED 的呼吸灯效果，并通过按键控制闪烁速度的切换。主要利用 PRU 高效处理实时任务的特点，实现精确的 LED 占空比控制，并处理按键输入的逻辑。

5.2 软件流程图

5.3 主要代码片段与说明

1. 设置 LED 的占空比： PWM 信号生成（呼吸灯的核心）

基本原理:

使用循环逐步调节 LED 的 占空比，实现亮度从低到高再从高到低的变化。
占空比控制逻辑：
定义 brightness 变量表示当前的占空比百分比。
如果当前循环次数 i 小于 brightness，GPIO 输出高电平（点亮 LED）。
否则，GPIO 输出低电平（熄灭 LED）

代码片段

for (i = 0; i < MAX_BRIGHTNESS; i++) {

    if (i < brightness) {
        gpio1[GPIO_SETDATAOUT] = GPIO_PIN; /* 点亮 LED */
    } else {
        gpio1[GPIO_CLEARDATAOUT] = GPIO_PIN; /* 熄灭 LED */
    }
    delay_cycles(cycle_delay); /* 控制呼吸灯速度 */
}

2. 按键切换闪烁速度：

按键状态检测：通过读取 GPIO_PIN_BUTTON 引脚的输入状态判断是否按下按键。通过按键输入切换 cycle_delay，间接改变延迟时间，从而调节亮暗变化速度（快/慢）

button_state = gpio1[GPIO_DATAIN] & GPIO_PIN_BUTTON;

if (button_state && !last_button_state) {

    if (cycle_delay == CYCLE_DELAY_SLOW) {
        cycle_delay = CYCLE_DELAY_FAST;
    } else {
        cycle_delay = CYCLE_DELAY_SLOW;
    }
}

last_button_state = button_state;

5.4 功能展示与说明

功能演示详细可见项目视频

LED 呼吸灯效果：

通过占空比调节，LED 从暗到亮再到暗，形成类似“呼吸”的动态变化效果。
实现方式：使用循环控制占空比，同时设置步长 STEP 调整变化幅度。

闪烁速度切换：

按键按下后，切换延迟时间，调整 LED 呼吸灯的速度（快速与慢速）。
实现方式：检测按键输入，根据状态变化动态调整延迟时间。

6. 心得体会

在本次项目中，我对 PRU 的实时处理能力有了更深入的了解，同时学习了如何使用 GPIO 控制外设。特别是在按键控制逻辑的实现过程中，进一步提升了对嵌入式系统中硬件与软件结合的理解。希望未来活动可以加入更多硬件模块的扩展，例如传感器或通信模块，增加项目的趣味性和挑战性。

更多信息可参考：pru-software-support-package/pru-software-support-package - The PRU Software Support Package

如有疑问，欢迎联系我！