Funpack3-5 BeagleBone® Black 变频呼吸灯

项目描述

本项目基于 BeagleBone® Black 实现了一个变频呼吸灯，所有功能全部基于 BeagleBone® Black 裸板，无需其他外设

BeagleBone® Black 是一款面向开发人员和业余爱好者的低成本、高扩展、并有社区支持的开发平台。处理器选用了TI AM3358芯片，基于ARM Cortex-A8架构处理器。还配备了丰富的扩展资源，包括HDMI接口、以太网、SD 卡槽、并预留了足够多的管脚用于AD转换、LCD显示屏、PWM输出、I2C、串口等等。板卡可运行完整的 Linux 系统，且支持多种编程语言。

基本目标如下：

1. 使用 PRU 控制一个 LED
2. 需要实现呼吸灯效果
3. 使用一个按键控制闪烁速度

硬件及软件

硬件原理图

本项目所需功能在 BeagleBone® Black 裸板上全集成了，因此硬件部分直接基于裸板即可：

基于上述原理图我们可以知道如下信息：

1. 输入为 S2 ，对应的 IO 为 LCD_DATA2，即 P8_43

• • 根据官方文档可知该 io 连接在 PRU1 上

3. 输入为是个 led 中的任意一个即可，分别为：

• • USR0：对应 GPIO1_21
  • USR1：对应 GPIO1_22
  • USR2：对应 GPIO1_23
  • USR3：对应 GPIO1_24

软件 IO 适配

软件上我们需要配合硬件来操作，因此我们需要在 PRU 上编写代码前先关注下怎么配置 io

输入

对于输入 S2，由于上述硬件限制，因此我们只能够将程序放到 PRU1 上
又因为 S2 的输入刚好在 LCD 是 IO 上，BeagleBone® Black 中默认将这个 IO 作为了显示输出，如果我们需要在 PRU 中操作的话需要在 Linux 侧关闭原本输出功能
关闭 S2 的输出很简单，编辑板上 /boot/uEnv.txt 文件即可，将其中 disable_uboot_overlay_video=1 取消注释即可：

###Disable auto loading of virtual capes (emmc/video/wireless/adc)
#disable_uboot_overlay_emmc=1
# 就下面这句，取消注释即可
disable_uboot_overlay_video=1
#disable_uboot_overlay_audio=1
#disable_uboot_overlay_wireless=1
#disable_uboot_overlay_adc=1

此为，由于该 io 默认不是通过 PRU 控制，我们还需要在每次启动 PRU 程序前通过板载的 config-pin 将该 io 配置成 PRU 输入即可：

config-pin P8_43 pruin
config-pin -q P8_43

输出

对于输出的 LED 灯，默认这几个 LED 都被 Linux kernel 使用了：

cat /sys/class/leds/beaglebone\:green\:usr0/trigger
cat /sys/class/leds/beaglebone\:green\:usr1/trigger
cat /sys/class/leds/beaglebone\:green\:usr2/trigger
cat /sys/class/leds/beaglebone\:green\:usr3/trigger

因此我们需要在启动 PRU 程序前将其关闭。这里有两种方式关闭：

1. 直接在启动 PRU 程序前通过自定义脚本往对应的节点里边关闭 Linux 的输出即可
2. 借助官方提供的编译脚本来间接实现上述步骤
   
   在这里我们可以直接采用第二种方式来实现，基本步骤就是在对应的 PRU 源码中插入如下语句即可：

#pragma DATA_SECTION(init_pins, ".init_pins")
#pragma RETAIN(init_pins)
const char init_pins[] =
	"/sys/class/leds/beaglebone:green:usr0/trigger\0none\0" \
	"/sys/class/leds/beaglebone:green:usr1/trigger\0none\0" \
	"/sys/class/leds/beaglebone:green:usr2/trigger\0none\0" \
	"/sys/class/leds/beaglebone:green:usr3/trigger\0none\0" \
	"\0\0";

• 编译脚本会自动提取上述信息并自动设置对应 Linux kernel 的 io

各功能对应的主要代码片段及说明

之后就是软件部分了，这部分的核心逻辑如下：

按键部分

uint8_t isEdgeTriggered() {
    static uint8_t lastButtonState = 1;

    if (((__R31 & USER_KEY2) != USER_KEY2) && lastButtonState == 1) {
        delay_ms(100);
        if (((__R31 & USER_KEY2) != USER_KEY2)) {
            lastButtonState = 0;
            return lastButtonState;
        }
    }
    else if (((__R31 & USER_KEY2) == USER_KEY2) && lastButtonState == 0) {
        lastButtonState = 1;
        return lastButtonState;
    }
    return 2;
}

• 这部分主要的逻辑是通过 PRU 的 R31 寄存器从对应的 IO 口读取值
• 然后通过配合延时逻辑实现软件消抖，防止误触
• 最后通过一个静态变量实现边缘检测，在不同边沿返回不同的值，如果没有边沿则返回 2，方便其他逻辑

呼吸灯部分

void breathEffect(unsigned int delayTime) {
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < STEP; i++) {
        led(3, 1);
        delay_us(i * delayTime / STEP);
        led(3, 0);
        delay_us((STEP - i) * delayTime / STEP);
    }

    for (i = STEP; i > 0; i--) {
        led(3, 1);
        delay_us(i * delayTime / STEP);
        led(3, 0);
        delay_us((STEP - i) * delayTime / STEP);
    }
}

• 这部分逻辑通过传入的延时时间来控制对应的频率
• 同时也能够通过宏 STEP 来控制不同的步进，使得变频更加顺滑

总体逻辑

基本流程图如下：

对应的源码实现如下：

void main(void) {
    unsigned int delayTime = SPEED_SLOW;
    led_init();
    led(0, 1);
    led(1, 0);
    led(2, 0);
    while (1) {
        if (isEdgeTriggered() == 1) {
            if (delayTime == SPEED_FAST) {
                delayTime = SPEED_SLOW;
                led(0, 1);
                led(1, 0);
                led(2, 0);
            } else if (delayTime == SPEED_SLOW) {
                delayTime = SPEED_MEDIUM;
                led(0, 0);
                led(1, 1);
                led(2, 0);
            } else {
                delayTime = SPEED_FAST;
                led(0, 0);
                led(1, 0);
                led(2, 1);
            }
        }
        breathEffect(delayTime);
    }
}

• 这部分为总体逻辑部分，我们会在开始初始化 led0 ~ led2，用于显示当前的挡位信息
• 之后会通过按键检测切换不同的挡位，并亮起对应的 led
• 最后通过上述呼吸灯程序来点亮 led3

功能展示及说明

本项目最终效果如下：

• 通过下方 S2 开关切换挡位
• 上方右边三个 led 为挡位显示
• 上方最左边的 led 为对应控制的呼吸灯

对本活动的心得体会

本项目以 BeagleBone® Black 为核心，开发了一款变频呼吸灯，通过硬件与软件的结合，充分展示了嵌入式开发的魅力。在以下方面让我收获颇多：

• 技术层面

1. 1. 硬件资源的高效利用：通过合理配置 PRU（可编程实时单元）和 GPIO 管脚，最大程度发挥了硬件的潜力
   2. Linux 系统与 PRU 的结合：利用 PRU 实现高效的实时控制，充分体现了 Linux 系统的灵活性和实时性之间的平衡
   3. 软件逻辑的模块化设计：将按键检测、呼吸灯效果及主逻辑分别独立成模块，便于调试和扩展
   4. 实时控制能力的发挥：PRU 的高效性在呼吸灯的控制中得到了充分验证，通过精细的延时和步进调整，实现了顺滑的变频效果，表现出优秀的实时控制性能

• 实践能力提升

1. 1. 硬件与软件的协同开发能力：在硬件资源有限的情况下，需要结合硬件设计和软件调试，通过逐步排查和配置，实现对复杂功能的精准控制
   2. 动手调试能力的加强：从禁用 Linux 默认功能，到使用 config-pin 命令配置 IO，以及调试 LED 输出模式，整个过程强化了对嵌入式开发流程的理解和实践
   3. 嵌入式系统的深入理解：项目开发过程中，涉及到对 PRU 寄存器的直接操作和 Linux 系统层的配置，深刻体会到嵌入式系统底层设计的复杂性和精妙之处
      总之，本项目从硬件、软件到调试，充分展示了嵌入式开发的魅力和挑战，为未来进一步探索嵌入式技术打下了良好的基础