Funpack3-5 BBB板网页点灯

内容介绍

1. 项目描述

项目介绍：

在此项目中，我使用了 BeagleBone Black (BBB) 进行了一系列试验，包括 GPIO 控制、页面 IDE 体验和基于 Web 界面的点灯（开关和呼吸灯）功能实现。

BeagleBone Black 提供了完善的开发环境，可以通过 USB 模拟网卡和SSL连接并访问。页面IDE功能强大，我现在版本是Cloud9，如果刷了最近固件就是 Vscode 环境，更友好了。

设计思路：

首先，来点亮板上的LED，再通过控制外部GPIO 点呼吸灯，最后写网页控制点灯。

软件端，后台：使用 httplib 开启http服务，提供4个接口（点亮、熄灭、呼吸灯开启、呼吸灯关闭）；前台：使用layui框架，可以增加一些好看的UI。

硬件连接和软件架构：

通过IO口P9.12（对应GPIO_60）来控制LED。

2. 主要功能展示

2.1. 点亮板载led

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
        FILE * trigger = fopen("/sys/class/leds/beaglebone:green:usr3/trigger", "w");
        FILE * brightness = fopen("/sys/class/leds/beaglebone:green:usr3/brightness", "w");
        int on = 0;
                                        
        fprintf(trigger, "none\n");
                                            
        while(1) {
                fprintf(brightness, "%d\n", on);
                fflush(brightness);
                if(!on) 
                        on = 1;
                else 
                        on = 0;
                usleep(100000);
        }
}

通过系统内的LED驱动来控制板载LED，使其闪烁。

2.2. gpio 介绍

使用GPIO的时候首先需要来看一下引脚

image (1).png

BBB 板的每一侧都有两个 23 引脚列，总共有 92 个引脚可供用户使用。右侧标头指定为 P8，左侧标头指定为 P9。

GPIO 编号方案：bbb 的 GPIO 引脚分为 3 组，每组 32 个： GPIO0 、 GPIO1和GPIO2。

可以使用约定GPIOX_Y来引用单个引脚，其中X是其 GPIO 寄存器， Y是其在该寄存器中的编号。然而，在软件中对特定引脚的所有引用都使用其绝对引脚号！一个GPIO的绝对引脚编号按以下方式计算： Z = 32*X + Y ，其中X又是 GPIO 寄存器， Y是该寄存器内的位置。

所以一个IO口有三种编号：PX_Y, GPIOX_Y, GPIOX。

以我用的 P9_12 为例：

P9_12 内部是 GPIO1_28, 也是 GPIO60 (1*32+28) , 60 就是绝对引脚号。

2.3. 控制外部GPIO

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <unistd.h>


#define GPIO_PIN "60"  // p9-12


// 导出 GPIO 引脚
void exportGPIO(const std::string &pin) {
    // 检测目录是否存在，存在就跳过，否则会报错并取消导入
    std::ifstream f("/sys/class/gpio/gpio" + pin);
    if(f.good()){
        std::cout<<"目录已存在，跳过导入";
        return;
    }
    
    std::cout<<"/sys/class/gpio/export"<<pin<<std::endl;
    std::ofstream exportFile("/sys/class/gpio/export");
    exportFile << pin;
    exportFile.close();
}

// 设置 GPIO 引脚方向
void setGPIODirection(const std::string &pin, const std::string &direction) {
    std::ofstream directionFile("/sys/class/gpio/gpio" + pin + "/direction");
    directionFile << direction;
    directionFile.close();
}

// 设置 GPIO 引脚值
void setGPIOValue(const std::string &pin, int value) {
    std::cout<<pin<<" "<<value<<std::endl;
    std::ofstream valueFile("/sys/class/gpio/gpio" + pin + "/value");
    valueFile << value;
    valueFile.close();
}


int main()
{
    int a;
    // 初始化 GPIO：导出并设置输出模式
    exportGPIO(GPIO_PIN);
    usleep(100);
    setGPIODirection(GPIO_PIN, "out");

    usleep(100);
    while(1){
        setGPIOValue(GPIO_PIN, 0);
        usleep(1000000);
        setGPIOValue(GPIO_PIN, 1);
        usleep(1000000);
    }
    return 0;
}

控制外部gpio，主要是这三个步骤：

导出gpio引脚：将引脚从内核空间导出到用户空间
设置方向：配置为out为输出模式
设置引脚值：设置为高低电平

也可以在系统内直接使用，以GPIO60为例

echo 60 > /sys/class/gpio/export  				# 导出
echo out > /sys/class/gpio/gpio60/direction  	# 设置方向
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio49/value			# 设置值

2.4. 软件 PWM 实现呼吸灯

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cmath>
#include <unistd.h>


#define GPIO_PIN "60"  // p9-12


// 导出 GPIO 引脚
void exportGPIO(const std::string &pin) {
    // 检测目录是否存在，存在就跳过，否则会报错并取消导入
    std::ifstream f("/sys/class/gpio/gpio" + pin);
    if(f.good()){
        std::cout<<"目录已存在，跳过导入";
        return;
    }
    
    std::cout<<"/sys/class/gpio/export"<<pin<<std::endl;
    std::ofstream exportFile("/sys/class/gpio/export");
    exportFile << pin;
    exportFile.close();
}

// 设置 GPIO 引脚方向
void setGPIODirection(const std::string &pin, const std::string &direction) {
    std::ofstream directionFile("/sys/class/gpio/gpio" + pin + "/direction");
    directionFile << direction;
    directionFile.close();
}

// 设置 GPIO 引脚值
void setGPIOValue(const std::string &pin, int value) {
    std::ofstream valueFile("/sys/class/gpio/gpio" + pin + "/value");
    valueFile << value;
    valueFile.close();
}

// 模拟 PWM 信号输出函数
void softwarePWM(const std::string &pin, int dutyCycle, int period_us) {
    int highTime = period_us * dutyCycle / 100; // 高电平持续时间
    int lowTime = period_us - highTime;        // 低电平持续时间

    // 设置高电平
    setGPIOValue(pin, 1);
    usleep(highTime);

    // 设置低电平
    setGPIOValue(pin, 0);
    usleep(lowTime);
}

int main()
{
    // 呼吸灯周期 2秒 (steps*period_us/1e6)
    const int steps = 100;        // 每个周期的步数
    const int period_us = 20000;   // 模拟 PWM 的周期，单位为微秒
    
    // 初始化 GPIO：导出并设置输出模式
    exportGPIO(GPIO_PIN);
    usleep(100);
    setGPIODirection(GPIO_PIN, "out");
    usleep(100);

    while (true) {
        // 渐亮
        for (int i = 0; i <= steps; ++i) {
            double brightness = (1 - cos(2 * M_PI * i / steps)) / 2 * 100; // 占空比百分比
            softwarePWM(GPIO_PIN, static_cast<int>(brightness), period_us);
   
        }
        // 渐暗
        for (int i = steps; i >= 0; --i) {
            double brightness = (1 - cos(2 * M_PI * i / steps)) / 2 * 100; // 占空比百分比
            softwarePWM(GPIO_PIN, static_cast<int>(brightness), period_us);
        }
    }
    
    return 0;
}

代码注释写的很清楚，就不赘述了。

2.5. 网页端控制

用httplib 开启http 服务，并开四个接口

    httplib::Server svr;
    
    svr.Get("/api/ledOn", [&](const httplib::Request& req, httplib::Response& res) {
        fprintf(brightness, "%d\n", 1);
        fflush(brightness);
    });

    svr.Get("/api/ledOff", [&](const httplib::Request& req, httplib::Response& res) {
        fprintf(brightness, "%d\n", 0);
        fflush(brightness);
    });
    
    svr.Get("/api/breathOn", [&](const httplib::Request& req, httplib::Response& res) {
        startBreath();
    });
    svr.Get("/api/breathOff", [&](const httplib::Request& req, httplib::Response& res) {
        stopBreath();
    });
    
    svr.listen("192.168.7.2", 1234);

led的开关（ledOn, ledOff）直接控制就行，呼吸灯需要开启线程执行

std::atomic<bool> breathRunningFlag(false);
std::thread taskThread;

// 任务
void taskBreath(){
    Util::BBB_Breath b;
    b.init();
    while(breathRunningFlag){
        b.once();
    }
}
// 启动任务
void startBreath(){
    if(breathRunningFlag)
        return;
     breathRunningFlag = true;
     taskThread = std::thread(taskBreath);
}
void stopBreath(){
    if(!breathRunningFlag)
        return;
     breathRunningFlag = false;
     if(taskThread.joinable()){
        taskThread.join();
     }
}

BBB_Breath 类，init初始化，once用来闪一周期

void Util::BBB_Breath::init(){
    // 初始化 GPIO：导出并设置输出模式
    exportGPIO(this->GPIO_PIN);
    usleep(100);
    setGPIODirection(this->GPIO_PIN, "out");
    usleep(100);
}

void Util::BBB_Breath::once(){
    // 渐亮
    for (int i = 0; i <= this->STEPS; ++i) {
        double brightness = (1 - cos(2 * M_PI * i / this->STEPS)) / 2 * 100; // 占空比百分比
        softwarePWM(this->GPIO_PIN, static_cast<int>(brightness), this->PERIOD_US);

    }
    // 渐暗
    for (int i = this->STEPS; i >= 0; --i) {
        double brightness = (1 - cos(2 * M_PI * i / this->STEPS)) / 2 * 100; // 占空比百分比
        softwarePWM(this->GPIO_PIN, static_cast<int>(brightness), this->PERIOD_US);
    }
}

完整代码会放到附件中。

编译：

g++ main.cpp util.cpp lib/json/cJSON.c -lpthread -std=c++11

展示

前端页面

呼吸靓照

image (2).png

3. 心得体会

BBB板还是挺好玩，后续把BBB固件升了，再玩一玩。硬禾的活动也参加过不少了，每个活动都挺好，感谢硬禾，感谢得捷，感谢BeagleBone基金会。

要说这个活动的缺点嘛，还是有的，这个活动时间太长了，毕竟dealine才是第一生产力。嘿嘿嘿

4. 参考：

Setting Up the BeagleBone Black's GPIO Pins