基于RT-Thread開(kāi)發(fā)電子魔方實(shí)現(xiàn)功能

一、應(yīng)用背景

魔方，又叫魯比克方塊（Rubik’s Cube），是匈牙利布達(dá)佩斯建筑學(xué)院厄爾諾·魯比克教授發(fā)明的機(jī)械益智玩具，由若干個(gè)積木塊組成，積木塊之間通過(guò)卡榫契合，能做到“組”的相對(duì)位置改變，從而構(gòu)成各種形狀的花紋，基本的玩法就是通過(guò)旋轉(zhuǎn)，打散各面色塊后用最快速度還原。魔方的設(shè)計(jì)初衷是用來(lái)認(rèn)識(shí)空間組成和結(jié)構(gòu)的教具，后來(lái)成為風(fēng)靡全球的玩具，形狀從原始的正方體發(fā)展出球型、鉆石型、粽子型等異形，階數(shù)從最早的三階擴(kuò)充到三十階以上。

魔方競(jìng)賽也成為國(guó)際比賽項(xiàng)目，通過(guò)世界魔方協(xié)會(huì)比賽的認(rèn)證成績(jī)甚至可以記載入世界紀(jì)錄當(dāng)中。

傳統(tǒng)魔方采用物理結(jié)構(gòu)契合，高階魔方使用時(shí)旋轉(zhuǎn)次數(shù)多，要求速度快、精度高，很容易磨損導(dǎo)致性能下降無(wú)法使用（我自己就有一天玩壞一個(gè)高階魔方的經(jīng)歷）。基于此，試圖將魔方功能“電子”化，減少機(jī)械磨損。

二、實(shí)現(xiàn)功能

本設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：電子魔方和GUI。

電子魔方基于RT-Thread開(kāi)發(fā)，使用N32G457驅(qū)動(dòng)WS2812板，通過(guò)點(diǎn)亮WS2812燈珠，實(shí)現(xiàn)魔方轉(zhuǎn)動(dòng)效果。本次開(kāi)發(fā)所用WS2812板為8*8的板卡，共用了5塊，搭成正方體形狀（留出底面），共計(jì)320顆燈珠，用于模擬一個(gè)8階魔方。

GUI為純軟件開(kāi)發(fā)，在電腦上運(yùn)行，可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作，實(shí)現(xiàn)魔方的轉(zhuǎn)動(dòng)。為配合電子魔方，設(shè)計(jì)了界面，8階魔方共有24個(gè)方向可轉(zhuǎn)動(dòng)（反向可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)3次實(shí)現(xiàn)），設(shè)計(jì)24個(gè)按鈕，由于高階魔方還原難度較高，因此還預(yù)留了“一鍵還原”功能。

圖四 GUI

三、開(kāi)發(fā)板和RT-Thread使用情況概述

使用N32G45XVL-STB開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板MCU芯片型號(hào)為國(guó)民技術(shù)的N32G457VEL7，LQFP100管腳封裝，板卡把所有GPIO都引出連接到J1，J2和J12插針上，非常便于開(kāi)發(fā)和調(diào)試，但在本項(xiàng)目中，僅使用了PA7（SPI0的MOSI接口）。

圖五 N32G45XVL-STB開(kāi)發(fā)板

安裝的RT-Thread Studio，版本: 2.1.5（構(gòu)建ID: 202201191915），其上已經(jīng)自帶了RT-Thread模塊，直接從SDK中拖取了Nations的n32g45xvl-stb板，并使能了其SPI功能，所用SPI為SPI0。

用于呈現(xiàn)的WS2812，采用購(gòu)買的88模塊成品，自己拼裝成立方體，考慮到底面沒(méi)有人會(huì)去看，因此直接空出來(lái)。

WS2812的實(shí)現(xiàn)原理比較簡(jiǎn)單，就是通過(guò)輸入特定長(zhǎng)度的高低電平，驅(qū)動(dòng)若干顆燈珠，每個(gè)顏色比特傳輸數(shù)據(jù)需要1.25us，可以略微超頻（甚至有的datasheet中表示可以超頻600ns，實(shí)測(cè)做不到的），在本項(xiàng)目中，采用的是SPI驅(qū)動(dòng)，將其設(shè)置為1.2us/顏色比特使用，分別通過(guò)SPI傳輸ffc0、f000作為其0、1碼表示。

圖六 WS2812的datasheet

四、硬件框架

其硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，采用5塊88的WS2812燈板串接作為輸出，將其搭建成立體形狀，串接各面的板和板之間串接順序?yàn)轫?、前、右、后、左，在平面展開(kāi)圖中，每塊燈板上的燈珠的順序?yàn)閺淖蟮接?，從上到下依次遞增，共320顆，在最初設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，使用了外部供電，后省略，直接由板上的5V從USB接口取電。大致框架如下：

圖七 硬件框架示意圖

五、軟件框架

由于上位機(jī)和下位機(jī)分別開(kāi)發(fā)，上位機(jī)所用語(yǔ)言為python，基于windows環(huán)境運(yùn)行（理論上移植linux也很簡(jiǎn)單），下位機(jī)使用c開(kāi)發(fā)，在N32開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，其操作/執(zhí)行流程如下：

圖八 軟件業(yè)務(wù)流程

六、軟件模塊說(shuō)明

1、定義

由于本項(xiàng)目使用pin資源較少，因此沒(méi)有修改drv_gpio.c文件中的定義

define N32F10X_PIN_NUMBERS 64

而是直接在代碼中定義了所用的pin腳和相關(guān)資源

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塊的變化，各個(gè)時(shí)期和地方的版本雖然有所區(qū)別，但主流采用紅、黃、藍(lán)、綠、白、橙六種顏色，目前主要有兩種配色：世界版（WCA大賽所用配色）和日版（Rubik教授最初研發(fā)時(shí)的配色）。

圖九 顏色要求

對(duì)于每個(gè)面具體的顏色，采用的是原色大辭典中標(biāo)準(zhǔn)色號(hào)：

圖十 標(biāo)準(zhǔn)色表

定義為：
Yellow：#ffff00
Green：#008000
Orange：#ffa500
Blue：#0000ff
Red：#ff0000
White：#ffffff

WS2812點(diǎn)燈采用24位色，與標(biāo)準(zhǔn)RGB不同，為GRB，因此初始六個(gè)顏色如下：
const uint32_t rgbclr[]={0xffff00,0x800000,0xa5ff00,0x0000ff,0x00ff00,0xffffff};

對(duì)于點(diǎn)燈采用的六個(gè)面（底面雖然不用點(diǎn)燈，但仍然需要存儲(chǔ)顏色），共計(jì)384塊，使用uint32_t格式儲(chǔ)存，每個(gè)數(shù)只使用其中24位，高8位空閑。

static uint32_t face[384]={0};

在本項(xiàng)目的硬件結(jié)構(gòu)中，只需要輸出320塊（沒(méi)有底）顏色，共計(jì)15360，考慮到WS2812信號(hào)必須間隔低電平間隔，預(yù)留200個(gè)0，每次輸出的buff：
static uint8_t buff[15560]={0};

2、點(diǎn)燈實(shí)現(xiàn)函數(shù)

點(diǎn)燈功能實(shí)現(xiàn)主要包括：
1）初始化SPI接口函數(shù)int rt_hw_spi_config(void)，并使用INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi_config);將其加入板卡初始化中。在這個(gè)函數(shù)中，將SPI0速率初始為13.333MHz。
2）修改單個(gè)node的buff函數(shù)void reflush_one_node(uint16_t node)，該函數(shù)的功能就是在旋轉(zhuǎn)時(shí)，修改對(duì)應(yīng)的buff值，每次修改48個(gè)uint8_t，使其輸出與WS2812的單顆燈珠相符合。
3）通過(guò)SPI寫(xiě)WS2812燈函數(shù)void draw_face2(void)，實(shí)際上是調(diào)用spi.c中的rt_spi_send(spi,buff,sizeof(buff));寫(xiě)入15560個(gè)uint8_t。

3、MSH交互功能

加入預(yù)留命令

1MSH_CMD_EXPORT(init_face,init_face);
2MSH_CMD_EXPORT(rotate_x_try,rotate_x_try<0-7>);
3MSH_CMD_EXPORT(rotate_y_try,rotate_y_try<0-7>);
4MSH_CMD_EXPORT(rotate_z_try,rotate_z_try<0-7>);

分別用于調(diào)用初始化方塊函數(shù)void init_face(void)、旋轉(zhuǎn)x軸函數(shù)static void rotate_x_try(int argc, charargv)、旋轉(zhuǎn)y軸函數(shù)static void rotate_y_try(int argc, charargv)、旋轉(zhuǎn)z軸static void rotate_z_try(int argc, char**argv)。

七、其它

作品圖片

視頻效果

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代碼地址

https://gitee.com/tobottest/rubiks-cube

原文標(biāo)題：【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的高階魔方

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