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一粒金砂(中级)

【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的高阶魔方 [复制链接]

一、应用背景
魔方,又叫鲁比克方块(Rubik’s Cube),是匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺·鲁比克教授发明的机械益智玩具,由若干个积木块组成,积木块之间通过卡榫契合,能做到“组”的相对位置改变,从而构成各种形状的花纹,基本的玩法就是通过旋转,打散各面色块后用最快速度还原。魔方的设计初衷是用来认识空间组成和结构的教具,后来成为风靡全球的玩具,形状从原始的正方体发展出球型、钻石型、粽子型等异形,阶数从最早的三阶扩充到三十阶以上。
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图一、形态各异的魔方
魔方竞赛也成为国际比赛项目,通过世界魔方协会比赛的认证成绩甚至可以记载入世界纪录当中。
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图二、世界魔方协会(WCA)
传统魔方采用物理结构契合,高阶魔方使用时旋转次数多,要求速度快、精度高,很容易磨损导致性能下降无法使用(我自己就有一天玩坏一个高阶魔方的经历)。基于此,试图将魔方功能“电子”化,减少机械磨损。
二、实现功能
本设计分为两个部分:电子魔方和GUI。
电子魔方基于RT-Thread开发,使用N32G457驱动WS2812板,通过点亮WS2812灯珠,实现魔方转动效果。本次开发所用WS2812板为8*8的板卡,共用了5块,搭成正方体形状(留出底面),共计320颗灯珠,用于模拟一个8阶魔方。
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图三、机械版8阶魔方和电子版8阶魔方
GUI为纯软件开发,在电脑上运行,可以通过鼠标或键盘操作,实现魔方的转动。为配合电子魔方,设计了界面,8阶魔方共有24个方向可转动(反向可以通过旋转3次实现),设计24个按钮,由于高阶魔方还原难度较高,因此还预留了“一键还原”功能。
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图四、GUI

三、开发板和RT-Thread使用情况概述
使用N32G45XVL-STB开发板,该开发板MCU芯片型号为国民技术的N32G457VEL7,LQFP100管脚封装,板卡把所有GPIO都引出连接到J1,J2和J12插针上,非常便于开发和调试,但在本项目中,仅使用了PA7(SPI0的MOSI接口)。
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图五、N32G45XVL-STB开发板
安装的RT-Thread Studio,版本: 2.1.5(构建ID: 202201191915),其上已经自带了RT-Thread模块,直接从SDK中拖取了Nations的n32g45xvl-stb板,并使能了其SPI功能,所用SPI为SPI0。
用于呈现的WS2812,采用购买的88模块成品,自己拼装成立方体,考虑到底面没有人会去看,因此直接空出来。
WS2812的实现原理比较简单,就是通过输入特定长度的高低电平,驱动若干颗灯珠,每个颜色比特传输数据需要1.25us,可以略微超频(甚至有的datasheet中表示可以超频600ns,实测做不到的),在本项目中,采用的是SPI驱动,将其设置为1.2us/颜色比特使用,分别通过SPI传输ffc0、f000作为其0、1码表示。
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图六、WS2812的datasheet
四、硬件框架
其硬件结构非常简单,采用5块8
8的WS2812灯板串接作为输出,将其搭建成立体形状,串接各面的板和板之间串接顺序为顶、前、右、后、左,在平面展开图中,每块灯板上的灯珠的顺序为从左到右,从上到下依次递增,共320颗,在最初设计和调试时,使用了外部供电,后省略,直接由板上的5V从USB接口取电。大致框架如下:
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图七、硬件框架示意图
五、软件框架
由于上位机和下位机分别开发,上位机所用语言为python,基于windows环境运行(理论上移植linux也很简单),下位机使用c开发,在N32开发板上运行,其操作/执行流程如下:
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图八、软件业务流程
六、软件模块说明
1、定义
由于本项目使用pin资源较少,因此没有修改drv_gpio.c文件中的定义

define N32F10X_PIN_NUMBERS 64

而是直接在代码中定义了所用的pin脚和相关资源

define SPI1_BUS_NAME “spi1”

define SPI1__DEVICE_NAME “spi10”

define SPI1_NCS_PIN 29 //PA4

如之前所述,魔方最重要的就是色块的变化,各个时期和地方的版本虽然有所区别,但主流采用红、黄、蓝、绿、白、橙六种颜色,目前主要有两种配色:世界版(WCA大赛所用配色)和日版(Rubik教授最初研发时的配色)。
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图九、颜色要求
对于每个面具体的颜色,采用的是原色大辞典中标准色号:
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图十、标准色表
定义为:
Yellow:#ffff00
Green:#008000
Orange:#ffa500
Blue:#0000ff
Red:#ff0000
White:#ffffff
WS2812点灯采用24位色,与标准RGB不同,为GRB,因此初始六个颜色如下:
const uint32_t rgbclr[]={0xffff00,0x800000,0xa5ff00,0x0000ff,0x00ff00,0xffffff};
对于点灯采用的六个面(底面虽然不用点灯,但仍然需要存储颜色),共计384块,使用uint32_t格式储存,每个数只使用其中24位,高8位空闲。
static uint32_t face[384]={0};
在本项目的硬件结构中,只需要输出320块(没有底)颜色,共计15360,考虑到WS2812信号必须间隔低电平间隔,预留200个0,每次输出的buff:
static uint8_t buff[15560]={0};
2、点灯实现函数
点灯功能实现主要包括:
1)初始化SPI接口函数int rt_hw_spi_config(void),并使用INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi_config);将其加入板卡初始化中。在这个函数中,将SPI0速率初始为13.333MHz。
2)修改单个node的buff函数void reflush_one_node(uint16_t node),该函数的功能就是在旋转时,修改对应的buff值,每次修改48个uint8_t,使其输出与WS2812的单颗灯珠相符合。
3)通过SPI写WS2812灯函数void draw_face2(void),实际上是调用spi.c中的rt_spi_send(spi,buff,sizeof(buff));写入15560个uint8_t。
3、MSH交互功能
加入预留命令
MSH_CMD_EXPORT(init_face, init_face);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_x_try, rotate_x_try <0-7>);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_y_try, rotate_y_try <0-7>);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_z_try, rotate_z_try <0-7>);
分别用于调用初始化方块函数void init_face(void)、旋转x轴函数static void rotate_x_try(int argc, charargv)、旋转y轴函数static void rotate_y_try(int argc, charargv)、旋转z轴static void rotate_z_try(int argc, char**argv)。

七、其它
作品图片
e4d18a484cfb1c443c91e8aee0523073.png.jpg

视频效果
https://v.youku.com/v_show/id_XNTg1MzE3NDQxMg==.html?spm=a2hcb.profile.app.5~5!2~5~5!3~5!2~5~5~A
代码地址

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作者:

tobot
原文链接:

https://club.rt-thread.org/ask/article/3a4c64768c09f9cc.html


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如何进行多位键识别?


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这是怎么进行扭动的?只能用上位机进行操作?


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五彩晶圆(中级)

9个方块的都玩不转,这么多方块的那就要命了。 

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默认摸鱼


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一粒金砂(中级)

哇,现在国内的GUI软硬件进步挺快的哦,前一阵子,说是人工神经网络迭代搜索算法,将芯片功耗大幅降下来了!

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