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LED CUBE. (Driven by RaspberryPi and 74HC154 chip)
【驱动程序 + 20多种特效】【C++】 一、GitHub地址Leopard-C/LedCube 二、原理图原理图(pdf) 我用立创EDA自己画的，并不专业，不过还是比较清晰的。 制作教程，参考视频：BV1Ex411C718 演示视频： BV1Kz411B7KT 三、核心类LedCube解析（src/driver/cube.h)程序运行大概的流程：
类LedCube中有一个后台线程，不停的扫描光立方。实际上，任何时刻，都只有一个LED灯被点亮，但是利用人眼的视觉暂留原理，只要扫描得足够快，就能看到多个LED灯被点亮。 static void backgroundThread();类中有两个三维数组，存储坐标(z, x, y)处的LED灯的状态。 using LedState = char; enum LED_State : char { LED_OFF = 0, LED_ON = 1 }; // [z][x][y], 用于后台扫描线程，真正表示光立方的状态 LedState leds[8][8][8]; // 缓冲区，用于主线程 LedState ledsBuff[8][8][8];类中提供的对LED灯的操作，都是对ledsBuff数组的修改，而后台扫描线程使用的是leds数组。 只有调用update()函数，将ledsBuff一次性拷贝到leds数组，才能真正改变光立方的状态。 void LedCube::update() { mutex_.lock(); memcpy(leds, ledsBuff, 512); mutex_.unlock(); }下面介绍以下该类对外提供的接口： 2.1 setup()初始化。 事实上，整个程序，只有一个LedCube的全局对象，定义在main函数所在的文件中，在其他地方通过extern关键字进行声明： // main.cpp LedCube cube; // other files extern LedCube cube;在主函数调用setup()函数，用于初始化74HC154芯片、熄灭所有LED灯等。 2.2 update()对光立方做一系列修改后，只有调用update()函数，才能真正起作用。 2.3 quit()退出函数，执行清理工作，正常退出的话，会由析构函数调用。 非正常退出，比如捕获到Ctrl+C发出的SIGINIT信号，应该主动调用该函数进行清理，否则程序退出时可能有一些LED仍然亮着。 2.4 clear()熄灭所有LED灯。 2.5 修改（x,y,z) 处LED灯状态 LedState& operator()(int x, int y, int z); LedState& operator()(const Coordinate& coord);如何使用： LedCube cube; cube(2, 5, 7) = LED_ON; cube(6, 6, 3) = LED_OFF; Coordinate coord = { 1, 4, 5 }; cube(coord) = LED_OFF; 2.6 点亮某一个面（Layer)可以是垂直于x或y或z轴的任何一个面。 （1）整个面的LED灯状态相同 void lightLayerX(int x, LedState state); void lightLayerY(int y, LedState state); void lightLayerZ(int z, LedState state);（2）显示图像 void lightLayerX(int x, const std::array& image); void lightLayerY(...); void lightLayerZ(...);其中参数image是一个8x8的数组，刚好对应光立方的一个面(8x8=64个LED灯)。 （2）显示图像（指定图像在图像库的编码） 如显示数字、字母、和自定义的图案。 void lightLayerX(int x, int imageCode, Direction viewDirection, Angle rotate); void lightLayerY(...) void lightLayerZ(...) imageCode：图像编码，在src/utility/image_lib.cpp中可以找到，即std::map的键。viewDirection：从哪个方向观察这个图像，如X_ASCEND表示沿着x轴正向的方向观察该图像。rotate：旋转，支持: ANGLE_0：不旋转ANGLE_90：顺时针旋转90度ANGLE_180：顺时针旋转180度ANGLE_270：顺时针旋转270度也就是说，在任何一个垂直于x或y或z轴的面上，都可以有 2 × 4 = 8 2 \times 4 = 8 2×4=8 种方式显示一个图案。 2种视角：沿着轴的正向还是负向4种旋转角度：0、90、180、270 // file: src/utility/image_lib.cpp std::map ImageLib::table = { { '0', util::toBinary({ 0x1C, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1C }) }, { '1', util::toBinary({ 0x08, 0x18, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x1C }) }, { '2', util::toBinary({ 0x1C, 0x22, 0x02, 0x02, 0x1C, 0x20, 0x20, 0x3E }) }, // ... { '9', util::toBinary({ 0x1C, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1E, 0x02, 0x22, 0x1C }) }, { 'A', util::toBinary({ 0x00, 0x1C, 0x22, 0x22, 0x22, 0x3E, 0x22, 0x22 }) }, { 'B', util::toBinary({ 0x00, 0x3C, 0x22, 0x22, 0x3E, 0x22, 0x22, 0x3C }) }, { 'C', util::toBinary({ 0x00, 0x1C, 0x22, 0x20, 0x20, 0x20, 0x22, 0x1C }) }, // ... { 'Z', util::toBinary({ 0x00, 0x3E, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x3E }) }, // 自定义的图案 // 直径为3的圆 { Image_Circle_Solid_3, util::toBinary({ 0x00, 0x18, 0x3C, 0x7E, 0x7E, 0x3C, 0x18, 0x00 }) }, // 8x8的实心矩形（8x8=64个LED灯全部点亮） { Image_Fill , util::toBinary({ 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF }) }, }; 2.7 点亮一行或一列（1）一行或一列全部点亮，或者全部熄灭 void lightRowXY(int x, int y, LedState); void lightRowYZ(int y, int z, LedState); void lightRowXZ(int x, int z, LedState);（2）分别指定一行或一列8个LED灯的状态 void lightRowXY(int x, int y, const std::array& states); void lightRowYZ(...); void lightRowXZ(...); // 例如下面一行代码，将点亮 x==5 && y==7 那一列的LED灯，隔一个亮一个 // LED_ON==1，表示点亮 // LED_OFF==0, 表示熄灭 lightXY(5, 7, { 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0 }); 2.8 点亮/熄灭一条空间直线 void lightLine(const Coordinate& start, const Coordinate& end, LedState state); start：线的起点 (x1, y1, z1)end：线的终点(x2, y2, z2)该函数实际上调用了src/utility/utils.h中的getLine3D函数。 使用的是 Bresenham生成线 算法。 void getLine3D(const Coordinate& start, const Coordinate& end, std::vector& line);给定线段的起点和终点，该函数会返回这条线段上的所有点（整数坐标）。 获取到所有点后，设置些点处的LED灯的状态即可。 2.9 绘制正方形 / 矩形 void lightSquare(const Coordinate& A, const Coordinate& B, FillType fillType); AB：矩形的对角线fillType：填充类型 FILL_SOLID：实心FILL_SURFACE：实心FILL_EDGE：边界（无填充） 2.10 绘制立方体 / 长方体 void lightCube(const Coordinate& A, const Coordinate& B, FillType fillType); AB：长方体的对角线fillType：填充类型 FILL_SOLID：实心FILL_SURFACE：只填充面（不填充内部）FILL_EDGE：只有边界（面和内部均无填充） 2.11 复制 / 移动一个面 void copyLayerX(int xFrom, int xEnd, bool clearXFrom = false); void copyLayerY(...); void copyLayerZ(...); xFrom：面的原始位置，即面x=xFromxEnd：面的目标位置，即面x=xEndclearXFrom：是否清空原来的面 true：移动false：复制 2.12 setLoopCount(int count) void setLoopCount(int count) { this->loopCount = count; }达到的效果是：控制灯的明暗程度。 这里假设有两个阈值， $ 0 < C1 < C2 < +\infty$ 当count < C1时，count越小，LED灯越暗当count > C2时，count越大，LED灯越暗当C1 < count < C2时，LED比较亮，且亮度变化不大，肉眼无法辨别。这里的C1，C2很难确定，而且影响亮度的因素比较多。 但是经过测试， C 1 ≈ 100 ， C 2 ≈ 200 C1 \approx 100，C2 \approx 200 C1≈100，C2≈200 这里的count实际上影响的是每个LED灯点亮的时间。因为任何一个时间都只有一个LED灯被点亮，后台线程在不断扫描整个光立方，即循环512次，逐一判断每个LED灯是否需要点亮。 每个LED灯被点亮后都会暂停一段时间(很短)，然后熄灭该LED灯，去点亮下一个需要被点亮的LED灯。 这里的暂停一段时间是通过空语句循环实现的 // 这里的loopCount，就是通过setLoopCount(int count)设置的 for (int i = 0; i < loopCount; ++i) { // ; }在树莓派上，根据测算，一次空语句循环需要5~6ns，默认的loopCount=150，也就是相当于暂停800ns。 loopCount越大或越小都会导致LED偏暗，而且过大时还会有其他副作用，如下： loopCount越小：每个LED灯被点亮的时间越短，看起来越暗。但是经过测试，loopCount在100~200之间LED灯的亮度变化不大，小于100，甚至说小于50才会观察到变暗。在loopCount在5左右时，LED基本完全不亮。loopCount越大，每个LED灯被点亮的时间越长，但是，相应的，对光立方进行一次扫描耗时也越长，这就导致每个LED灯两次被点亮之间的间隔变长，即不供电的时间变长，这也会导致LED灯看起来偏暗。loopCount越大，还有一个副作用，就是LED灯的亮度和当前光立方中被点亮的LED灯数量有关。被点亮的LED灯越多，扫描一次光立方的时间越长（只有在被点亮的LED灯处会执行暂停程序，如果某个LED灯为熄灭状态，直接跳过），再加之每次“暂停”的时间很长，因此出现的一个现象就是，被点亮的LED灯少时，LED灯特别亮，被点亮的LED灯多时，LED灯特别暗，对比十分明显。这里之所以使用空语句循环来执行延时（“暂停”），是因为只有这样才能做到纳秒级延时（虽然并不精确）。 如果使用sleep()、usleep()、nanosleep()、，尤其是nanosleep()，虽然函数的目的时暂停纳秒级的时间，但是其暂停时间都在微秒以上（在树莓派上50微秒）。 包括C++11提供的，std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconeds(xxx)); 也就是说，即使我写的程序是 sleep_for(nanoseconds(1))之类的，想要暂停1ns，实际上也会暂停50微秒，也就是这个参数在0~50000之间，程序全都会暂停50微秒左右。这可就太可怕了，如果需要同时点亮256个LED灯，那每次扫描的时间将是 50 u s × 256 = 12800 u s = 12.8 m s 50us \times 256 = 12800us = 12.8ms 50us×256=12800us=12.8ms，这个时间已经太长了，一个发光的LED灯，经过这个时间基本已经很暗或者熄灭了。 刚写程序时一直困扰在这里，每次点亮的LED灯变多时，LED灯都会特别暗，1个LED灯时特别刺眼，200个LED灯就已经明显变暗了。本来都想放弃了呢，后来，逐一判断到底是哪一条语句这么耗时，一开始以为是 digitalWrite函数的原因或者74HC154芯片反应慢之类的，后来才定位到sleep_for(nanoseconds(100))这个延时语句上。然后就去网上搜了一下，了解到精确的纳秒级暂停目前很难实现的，因为执行到暂停语句会牵扯到中断、时间片切换，还有内核调用（要从用户空间切换到内核再返回）（大概是这些吧，我不是专业的。。。），反正意思就是，你想暂停几纳秒、几十几百纳秒，做不到！！！ 可以看一下以下两个网页 https://frenchfries.net/paul/dfly/nanosleep.htmlhttps://stackoverflow.com/questions/18071664/stdthis-threadsleep-for-and-nanoseconds 四、特效Effect基类，其他特效类都继承自该类，需要重写以下两个虚函数 // 特效是如何显示的 virtual void show(); // 从一个文件流（文件指针fp当前位置，可能并非文件头）解析特效的参数 virtual bool readFromFP(FILE* fp);每个特效基本上都有一个Event类，用于描述一组特效参数。 下面以src/effect/layer_scan.h为例 LayerScanEffect类实现的特效是：按照某一个图案逐层(沿x轴或y轴或z轴)扫描光立方。 // 关于Event部分的代码 class LayerScanEffect : public Effect { public: struct Event { Event(Direction view, Direction scan, Angle r, int together, int interval1, int interval2); Direction viewDirection; Direction scanDirection; Angle rotate; int together; int interval1; int interval2; }; void setEvents(const std::vector& events) { events_ = events; } protected: std::vector events_; };这里Event类的成员变量的意思是： viewDirection：视角，就是你注视该图案的方向，沿哪个轴的哪个方向（X_ASCEND、X_DESCNED、Y_ASCEND、Y_DESCEND、Z_ASCEND、Z_DESCEND）scanDirection：扫描的方向（图案移动的方向）rotate：图案的旋转角度together：一次移动多少层interval1：每次移动的时间间隔（单位毫秒）interval2：扫描结束后暂停的时间（单位毫秒）（PS. 基本上每个特效都至少有interval，interval2两个参数，事实上，大多数特效都有四五个甚至更多参数，通过不同参数的组合，即一个Event对象，可以显示出不一样的效果，虽然是同一类特效） 四、EML文件为了更方便的创造出不同参数的(同一大类)特效，我创造了一种新的文本文件类型EML，Effect Markup Language。每个特效类都支持从eml文件读取参数。 下面看一个简单的eml例子： ------------------------------- Count Down -------------------------------- imageCode 5 4 3 2 1 viewDirection scanDirection rotate together interavl1 interval2 X_DESCEND X_ASCEND ANGLE_0 1 125 125 ------------------------------- Drop Line -------------------------------- IMAGE_FILL viewDirection dropDirection lineParallel rotate together interval1 interval2 X_ASCEND X_ASCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30 X_ASCEND X_DESCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30 X_ASCEND X_ASCEND PARALLEL_Z ANGLE_0 3 30 30 X_ASCEND X_DESCEND PARALLEL_Z ANGLE_0 3 30 30 Z_ASCEND Z_ASCEND PARALLEL_X ANGLE_0 3 30 30 Z_ASCEND Z_DESCEND PARALLEL_X ANGLE_0 3 30 30 Z_ASCEND Z_ASCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30 Z_ASCEND Z_DESCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30 以 |
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