项目介绍

本项目使用硬禾学堂在“2022年寒假在家一起练”活动中提供的基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习平台，使用 MicroPython平台进行编程，利用平台提供的姿态传感器以及LCD显示器实现一个简单的水平仪应用。水平仪应用通过一个滚动的小球或气泡，来显示当前板子的倾斜度，当板子处于水平位置的时候，小球停在屏幕的正中间，倾斜板子，小球偏移，并能够显示偏移的角度（二维信息）。

项目需求

• 完成对MMA7660FC姿态传感器的数据采集。

• 完成对MMA7660FC姿态传感器采集到的数据的分析与倾角的计算。

• 实现对ST7789LCD屏幕的驱动。

• 将每一时刻的倾角体现为“气泡”与“液体”相对位置，在屏幕上的具体位置（圆盘和导管）绘制气泡，并发送到屏幕上，并把倾角的角度值显示到屏幕上。

设计思路

1. 程序流程图

   

2. 建立一个模块命名为GOS.py(Game kit Operating System)，简单地封装对于硬件资源的直接调用。GOS.py模块下包含三个类的定义，分别为Control，Display，Gesture。其中Control类中包含了对于按钮和遥感状态的抽象，在水平仪的应用中用到得不多，故不在此具体描述。

3. Display类封装了初始化屏幕的代码以及一个名为UI的内部类。初始化代码包含了一个简单的开机动画（仅仅是显示了自己的id）。UI类定义了显示在屏幕上的部件的位置和尺寸信息，考虑到计算的复杂性，并未存储buffer信息。新的UI部件可以直接通过继承UI类来获取相应的位置和尺寸信息。

4. Gesture类封装了姿态传感器的初始化代码以及读取三轴倾角值的函数，函数的角度支持弧度制以及角度值。通过封装可以在调用的时候不过多地考虑底层实现的细节。

5. main.py模块包含对于水平仪应用（app）的导入，这么设计是为了考虑到将来对于应用的可拓展性（支持多个应用）。

6. 水平仪应用GOS_App_spirit_level.py是水平仪具体是实现的文件。其中包括：

   • 对于硬件的初始化，包括屏幕，控制器（按钮和摇杆）以及姿态传感器。

   • 打开垃圾回收机制，防止内存不够用。

   • 定义一个容器类Container继承于Display.UI，包含了一块内存空间作为buffer，用于存储每一时刻的气泡和容器的位置，可以通过显示函数发送到屏幕。

   • 主循环中，每次迭代都计算了姿态传感器发送的姿态信息，转换为气泡在容器上的位置后写入容器的buffer，再发送到屏幕上。

硬件介绍

• RP2040是Raspberry Pi 的首款微控制器。它为微控制器领域带来了我们高性能、低成本和易用性的标志性价值。RP2040 提供了硬件SPI总线以及硬件 I2C 总线各两组，我们可以使用一组SPI总线控制LCD屏幕，使用一组I2C总线接收姿态传感器的返回数据。

• MMA7660FC是具有数字输出的I2C、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度传感器，提供低通滤波器、零重力加速度偏移和增益误差补偿，并可以转化为6位数字值，用户可配置输出数据的传输速率。该器件可通过中断引脚(INT)识别传感器的数据变化、产品的朝向和姿态等。MMA7660FC采用非常小的3mmx3mmx0.9mmDFN封装。

• LCD显示器使用的是ST7789，240x240分辨率，使用一组SPI总线与微控制器通信。

功能实现

1. 普通水平状态，气泡基本在正中间，略微有点偏移可能是因为桌面或者系统误差
   
2. 左上角显示的是三轴角度信息，只需要关注前两个数据
   
3. 任意角度可以正常偏移气泡
   
4. 极限位置，气泡在圆周内
   

主要代码片段及说明

1. Display类的定义

   class Display:
        '''用于驱动屏幕以及提供组件的基类'''
        def __init__(self):
            '''初始化，定义SPI'''
            spi = SPI(0, baudrate=40_000_000, polarity=1, phase=1,
                      sck=Pin(2, Pin.OUT),
                      mosi=Pin(3, Pin.OUT))
            self.screen = st7789c.ST7789(
                spi, 240, 240,
                reset=Pin(0, Pin.OUT),
                dc=Pin(1, Pin.OUT),
                rotation=0)
            self.screen.init()
    ​
        def setup(self):
            '''显示开机图像'''
            self.screen.fill(st7789c.BLACK)
            self.screen.text(font2, "Powered By", 10, 10)
            self.screen.text(font2, "Godalin", 10, 50)
            utime.sleep(5)
    ​
        class UI:
            '''组件的基类，提供位置与尺寸的信息'''
            def __init__(self, x, y, w, h):
                self.x = x
                self.y = y
                self.w = w
                self.h = h
    ​
            @property
            def position(self):
                return (self.x, self.y, self.w, self.h)
    ​
            @property
            def center(self):
                return (self.x + self.w // 2, self.y + self.h // 2)

2. Gesture类的定义

   class Gesture():
        '''用于包装姿态传感器'''
        
        def __init__(self):
            self.sensor = mma7660fc.MMA7660FC()
    ​
        def angles_h(self, mode="rad"):
            '''用于获取角度，可选角度数或者弧度数
           将重力加速度在三轴的分量转化计算出三个轴的倾角
           '''
            Ax, Ay, Az = self.sensor.read_accl()
    ​
            tx = math.atan2(Ax, math.sqrt(Ay * Ay + Az * Az))
            ty = math.atan2(Ay, math.sqrt(Ax * Ax + Az * Az))
            tz = math.atan2(Az, math.sqrt(Ax * Ax + Ay * Ay))
    ​
            if mode == "rad":
                return tx, ty, tz
    ​
            elif mode == "degree":
                tx = tx / math.pi * 180
                ty = ty / math.pi * 180
                tz = tz / math.pi * 180
    ​
                return tx, ty, tz

3. App模块主循环

   while True:
        # 获取一次倾角测量
        tx_t, ty_t, tz_t = gest.angles_h()
        
        # 进行滑动平均
        tx = avg(tx, tx_t, beta)
        ty = avg(ty, ty_t, beta)
        tz = avg(tz, tz_t, beta)
    ​
        # 计算一些值，用于计算气泡的位置
        pos_x = 1 - math.sin(ty)
        pos_y = 1 - math.sin(tx)
    ​
        # 显示角度文字的更新
        disp.text(font1, "X:{:+03d} deg".format(int(tx / math.pi * 180)),
                  10, 10, st7789.WHITE, st7789.RED)
        disp.text(font1, "Y:{:+03d} deg".format(int(ty / math.pi * 180)),
                  10, 20, st7789.WHITE, st7789.RED)
        disp.text(font1, "Z:{:+03d} deg".format(int(tz / math.pi * 180)),
                  10, 30, st7789.WHITE, st7789.RED)
    ​
        # 先绘制气泡再进行刻度和文字的绘制，形成文字在玻璃上，气泡在下方的效果
        # 气泡位置的更新
        rail1.update(bubble, int(50 * pos_x), 0)
        rail2.update(bubble, 0, int(50 * pos_y))
        plate.update(bubble, int(80 * pos_x), int(80 * pos_y))
    ​
        # 绘制圆形刻度线以及水平垂直刻度线
        rail1.buffer.fill_rect(29, 0, 2, 20, red)
        rail1.buffer.fill_rect(59, 0, 2, 20, red)
        rail1.buffer.fill_rect(89, 0, 2, 20, red)
        rail2.buffer.fill_rect(0, 29, 20, 2, red)
        rail2.buffer.fill_rect(0, 59, 20, 2, red)
        rail2.buffer.fill_rect(0, 89, 20, 2, red)
    ​
        circle(plate.buffer, 1, 1, 178, red)
        circle(plate.buffer, 46, 46, 88, red)
        plate.buffer.fill_rect(89, 1, 2, 178, red)
        plate.buffer.fill_rect(1, 89, 178, 2, red)
    ​
        # 书写文字刻度
        for s, ly, lx in zip(scales, loc_y, loc_x):
            plate.buffer.text(s, 92, ly, red)
            plate.buffer.text(s, lx, 93, red)
    ​
        # 将三部分含气泡的部分发送给屏幕
        disp.blit_buffer(rail1.buffer, *rail1.position)
        disp.blit_buffer(rail2.buffer, *rail2.position)
        disp.blit_buffer(plate.buffer, *plate.position)
    ​
        # 延时
        utime.sleep_ms(10)

遇到的主要难题及解决方法

1. MicroPython 脚本版本的屏幕驱动库性能较低，无法实现流畅的屏幕刷新。

   解决方法：使用交流群中老师提供的MicroPython固件，其中包含了用C语言写的st7789c拓展库，使用这个库可以实现高速刷屏，流畅程度很高，肉眼看不出刷屏的时间间隙。

2. 标准图形库framebuf使用color565编码的颜色（由LCD屏幕提供）无法正常显示，蓝色0x001f被显示为浅绿色，红色0xf800被显示为蓝色。

   解决方法：查找st7789c的源代码仓库，发现其中的一条issue：这是链接，指出FrameBuffer类使用的数据编码是little endian，小端，而屏幕的blit_buffer方法使用的是big endian，大端，两种颜色的编码相反，所以显示异常。该issue提供了下面的函数以供进行大小端的转换：

   # 颜色编码转换
    def swap_rgb565(color):
     color = int.from_bytes(color.to_bytes(2, 'little'), 'big', False)
    return color

3. 由于想做美观的水平仪UI，需要用到圆形的绘制，而st7789c库以及framebuf标准库中并未提供相应的方法进行圆形的绘制，故需要自己写一个快速的算法进行绘制圆形。

   解决方法：通过网络查找，找到一个名为中点圆的算法很符合需求，而且很快速。这是博客的链接。大致的原理是，只需要计算八分之一的圆所需要的像素，利用对称性每次绘制八个点来画圆。原帖的算法指定了圆心和半径的大小，而我修改算法，改为指定直径以及圆外接正方形的左上顶点坐标来绘制圆形，以实现对于任意直径的支持。代码保存在cirle.py模块中，具体如下：

   # 中点圆算法
    def circle(display, x0, y0, d, color):
        r = d >> 1
        xc = x0 + r
        yc = y0 + r
        if d == r << 1:
            r -= 1
            d = 3 - (r << 1)
    ​
            def circle_plot(x, y):
                display.pixel(xc + x, yc + y, color)
                display.pixel(xc + x, yc - y - 1, color)
                display.pixel(xc - x - 1, yc + y, color)
                display.pixel(xc - x - 1, yc - y - 1, color)
                display.pixel(xc + y, yc + x, color)
                display.pixel(xc + y, yc - x - 1, color)
                display.pixel(xc - y - 1, yc + x, color)
                display.pixel(xc - y - 1, yc - x - 1, color)
        else:
            def circle_plot(x, y):
                display.pixel(xc + x, yc + y, color)
                display.pixel(xc + x, yc - y, color)
                display.pixel(xc - x, yc + y, color)
                display.pixel(xc - x, yc - y, color)
                display.pixel(xc + y, yc + x, color)
                display.pixel(xc + y, yc - x, color)
                display.pixel(xc - y, yc + x, color)
                display.pixel(xc - y, yc - x, color)
    ​
        xi = 0
        yi = r
        while True:
            circle_plot(xi, yi)
            if d < 0:
                d = d + (xi << 2) + 6
            else:
                d = d + (xi - yi << 2) + 10
                yi -= 1
            xi += 1
    ​
            if xi > yi:
                break

   ​

4. 由于姿态传感器的噪声，并不能在摆弄的时候形成平稳的动画。

   解决方案：采用的滑动平均值进行滤波：

   # 滑动平均值函数
   def avg(avg, this, beta):
        return avg * (1 - beta) + this * beta

   其中avg是第上次迭代获取的平均值，返回值是新的平均值作为需要的输出，this是本次迭代的观测值。可以取avg=0作为初始值。程序中我采用beta=0.2，获得不错的效果，并且得益于取平均值的过程，模拟出了真实世界的惯性效果。

未来的计划或建议

• 水平仪由于自身工作需求，姿态传感器的模式始终保持active模式，因此可能具有不必要的性能损失。MMA7660FC有一个中断引脚，还没仔细研究，可以将其利用起来实现一些功能，如节约性能。

• 水平仪由于硬件本身的工作原理或者制作工艺，存在一定的偏差，可以设计一种校准的功能，以某个姿态作为原点的基准，在此功能下可以实现校准。当然也可以用传感器的原始数据作为结果，这种功能仍会保留。

• 将某些耗时的计算用C语言实现，用MicroPython提供的工具编译为mpy文件，即原生字节码以提高效率。目前这个技术我只了解了一点点，并没有很好地掌握。或者直接使用Pico C SDK进行开发，提高性能。目前Pico C SDK开发在朋友的帮助下克服了flash空间大小的限制，实现了Bad Apple!!的播放，后续可以上传到视频网站。

• 在开发的过程中，虽然建立了较高层次的系统抽象以方便地调用硬件，但是并未把按钮和摇杆利用起来。后续如果做了多个APP，可以在系统层面写图形化见面或者shell，有效地把硬件资源利用起来。