内容介绍

Funpack3-5 基于BeagleBone® Black的LED呼吸灯

BeagleBone® Black是一款基于TI AM3358的嵌入式开发板，该芯片的原理框图如下图所示。该芯片包含一颗主频高达1GHz的ARM Cortex-A8内核与两颗可编程实时处理器（Programmable Real-Time Units，PRU），还包括独立的显示单元与众多外设。借助PRU的实时特性，使得其非常适合用做工业领域的控制与协议栈实现，以实现对工业以太网（Profinet、EtherCAT、EtherNET等协议）的接入。

本设计拟通过AM3358的PRU，通过读写GPIO来实现按键控制呼吸灯速度的功能。开发平台直接使用Cloud9，其中按键输入为P9-30，呼吸灯输出为P9-27，程序运行在PRU0上。下面将详细该项目的具体实现过程，包含硬件上按键与LED的电路搭建，与软件上对PRU IO读写与呼吸灯控制逻辑的实现。

硬件

参考BeagleBone Black开发板原理图可知，该开发板有P8 P9两个扩展排座。其中P8端口多被板卡上的LCD、MMC等外设复用，由于需要使用PRU0进行控制，因此在P9上选取两个GPIO端口用于读写。

参考开发板手册P69页的Table7.2 Expansion Header P9 Pinout，选取P9-27作为输出，对应的PRU0端口为pr1_pru0_pru_r30_5。同样地选取P9-30为输入，对应的PRU0端口为pr1_pru0_pru_r31_2。在后续的软件代码中将会将这两个寄存器映通过宏定义的方式，定义到P9-27/30。

其中P9-27连接到LED灯，GPIO输出高电平时点亮；P9-30连接到按键，按键没有按下时通过上拉电阻拉低，为低电平。按键按下后端口上的电压为R2 R3对VCC的分压，为高电平。

软件

软件部分的实现主要分为两个部分，即呼吸灯的实现与控制逻辑。其中呼吸灯的实现主要通过可变PWM占空比来实现亮度的渐变，借助软件延迟实现占空比可调。控制逻辑包括按键的读取与呼吸灯速度参数的改变。软件的具体流程图如下图所示：

bbb.drawio.png

对PRU而言，GPIO的操作本质上是对R30（输出）与R31寄存器的读写。SDK在prugpio.h中定义了扩展端口P9上IO与PRU相关寄存器的对应关系，其中P9-27对应的是PRU0的Bit5，P9-30对应的是PRU0的Bit2。在进行读写操作时只需要将R30/R31与该值相与，即可提取出该端口上的IO电平。

// R30/R31 output bits on pru0
#define P9_31   (1<<0)
#define P9_29   (1<<1)
#define P9_30   (1<<2)
#define P9_28   (1<<3)
#define P9_92   (1<<4)
#define P9_27   (1<<5)
#define P9_91   (1<<6)
#define P9_25   (1<<7)

呼吸灯通过可变PWM占空比实现，当PWM频率高到肉眼无法察觉时便可以忽略开关闪烁。当占空比越高时灯越亮，占空比越低灯越暗，叠加变暗与变亮两个过程就可以实现连续的呼吸灯效果，其具体过程的示意图如下所示。

具体代码描述如下，该函数传入一个speed用来控制流水灯的速度。在第一个循环时，PWM占空比随着变量i的累加逐渐变小，灯由亮变暗。第二个循环时变量递减，灯由暗变亮。

// breath led, the speed range is 1~10
void breath_led(int speed) {
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        __R30 |= led; // LED -> 1
        delay((1000-i)/speed);
        __R30 &= ~led; // LED -> 0
        delay(i/speed);
    }
    for (i = 1000; i > 0; i--) {
        __R30 |= led; // LED -> 1
        delay((1000-i)/speed);
        __R30 &= ~led; // LED -> 0
        delay(i/speed);
    }
}

其中延迟函数如下所示，借助内联汇编__asm__(" nop");使用软件延迟实现，一个nop指令对应一个时钟周期的长度。考虑到涉及循环周期的计算，实际的延迟时间略大于设定时间。

// delay by nop
void delay(uint32_t delay_us) {
    uint32_t i;

    double cycle_time_s = 1.0 / (double)PRU_CLK_FREQ;
    // us -> s
    double delay_s = (double)delay_us * 1e-6;
    // cal the clock cycles
    uint32_t cycle_count = (uint32_t)(delay_s / cycle_time_s);
    // delay by one clock cycle
    for (i = 0; i < cycle_count; i++) {
        __asm__(" nop"); 
    }
}

控制逻辑包含对按键的读取与流水灯参数的下发，当按键按下时R31对应的Bit位置高，此时保存流水灯速度的变量speed_level以1为步进累加，最后将速度参数传入流水灯函数以控制速度。

while(1) {
    if(__R31 & key){
        speed_level ++;
        if(speed_level > 3){
            speed_level = 1;
        }
    }
    breath_led(speed_level*3);
}

总结

AM3358是工业界较为常用的一款处理器，Coretx A8+PRU的组合使得其可以兼顾高性能与高实时性，非常适合将对实时性要求较高的任务卸载到PRU以提高响应速率，传统任务继续使用高性能Coretx A8来运行以提高效率。一个典型的引用场景是工业现场PLC设备的组网，TI官方提供了运行在PRU上的Profinet/EtherCAT协议栈，非常适合进行实时的机械控制。

在本项目中，我们有机会借助BeagleBone Black来一窥AM3358上PRU的开发流程，为后续应用的选型评估提供了相当有价值的参考。

附录

////////////////////////////////////////
//  blinkR30.pru0.c
//  Blinks LEDs wired to P9_29 (and others) by writing register R30 on the PRU
//  Wiring: P9_29 connects to the plus lead of an LED.  The negative lead of the
//          LED goes to a 220 Ohm resistor.  The other lead of the resistor goes
//          to ground.
//  Setup:  config-pin P9_27 pruout config-pin P9_30 pruin
//  See:    prugpio.h to see which pins attach to R30
//  PRU:    pru0
////////////////////////////////////////
#include <stdint.h>
#include <pru_cfg.h>
#include "resource_table_empty.h"
#include "prugpio.h"

#define PRU_CLK_FREQ 200000000

volatile register unsigned int __R30;
volatile register unsigned int __R31;

uint32_t led = P9_27;
uint32_t key = P9_30;
uint32_t speed_level = 1;

// delay by nop
void delay(uint32_t delay_us) {
    uint32_t i;
    
    double cycle_time_s = 1.0 / (double)PRU_CLK_FREQ;
    // 将微秒转换为秒
    double delay_s = (double)delay_us * 1e-6;
    // 算出需要的时钟周期数
    uint32_t cycle_count = (uint32_t)(delay_s / cycle_time_s);
    // 使用nop实现延迟
    for (i = 0; i < cycle_count; i++) {
        __asm__(" nop"); 
    }
}

// breath led, the speed range is 1~10
void breath_led(int speed) {
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        __R30 |= led; // LED -> 1
        delay((1000-i)/speed);
        __R30 &= ~led; // LED -> 0
        delay(i/speed);
    }
    for (i = 1000; i > 0; i--) {
        __R30 |= led; // LED -> 1
        delay((1000-i)/speed);
        __R30 &= ~led; // LED -> 0
        delay(i/speed);
    }
}

void main(void) {

    // Clear SYSCFG[STANDBY_INIT] to enable OCP master port
    CT_CFG.SYSCFG_bit.STANDBY_INIT = 0;

    while(1) {
        if(__R31 & key){
            speed_level ++;
            if(speed_level > 3){
                speed_level = 1;
            }
        }
        breath_led(speed_level*3);
    }
    __halt();
}

// Sets pinmux
#pragma DATA_SECTION(init_pins, ".init_pins")
#pragma RETAIN(init_pins)
const char init_pins[] =  
    "/sys/devices/platform/ocp/ocp:P9_27_pinmux/state\0pruout\0" \
    "/sys/devices/platform/ocp/ocp:P9_30_pinmux/state\0pruin\0" \
    "\0\0";