牟曉東

對(duì)于許多經(jīng)常進(jìn)行開(kāi)源硬件編程的中小學(xué)創(chuàng)客而言，具備扎實(shí)的學(xué)科知識(shí)是入門的基礎(chǔ)技能，比如算法的設(shè)計(jì)與程序代碼調(diào)試、物理電學(xué)部分基礎(chǔ)理論和一定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力等等。通常從一個(gè)創(chuàng)意的設(shè)想到實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)，再到圖形化或Python代碼編程的運(yùn)行測(cè)試，以及最終的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與程序升級(jí)，每個(gè)環(huán)節(jié)幾乎都離不開(kāi)各種知識(shí)的綜合應(yīng)用。以樹(shù)莓派滑桿映射操控“流水燈帶”為例，需要設(shè)計(jì)者對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、滑桿傳感器和燈帶等設(shè)備比較熟悉，同時(shí)又要具備一定的數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用（比如數(shù)字范圍的映射、取整等），最終實(shí)現(xiàn)燈帶隨滑桿所處的不同位置而點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)不同數(shù)量燈珠的動(dòng)態(tài)“流水”效果。

實(shí)驗(yàn)器材包括樹(shù)莓派和古德微擴(kuò)展板各一塊，滑桿傳感器模塊一個(gè)，WS281x燈帶一條，ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個(gè)，杜邦線若干。

首先，將古德微擴(kuò)展板正確安裝于樹(shù)莓派上，并且將模數(shù)轉(zhuǎn)換器插入擴(kuò)展板的Up引腳列;接著，通過(guò)杜邦線將滑桿的VCC端、GND端和OTB（或OTA）端分別連接至擴(kuò)展板24號(hào)引腳的VCC端、GND端和A0模擬端，再將燈帶的起始端插入18號(hào)引腳，注意三根引線的標(biāo)注要正確對(duì)應(yīng);最后，給樹(shù)莓派連接數(shù)據(jù)線，通電啟動(dòng)操作系統(tǒng)（如圖1）。

登錄進(jìn)入古德微機(jī)器人“積木”界面，開(kāi)始圖形化編程。

首先對(duì)燈帶進(jìn)行初始化設(shè)置，從“智能硬件”—“燈帶”中找到“設(shè)置GPIO”模塊，將參數(shù)設(shè)置為燈帶與擴(kuò)展板連接的引腳號(hào)18，并且將可控制燈珠的個(gè)數(shù)設(shè)置為60，亮度為50;然后建立一個(gè)“重復(fù)當(dāng)‘真’”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，將變量滑桿值賦值為從A0模擬端獲取的滑桿位置數(shù)據(jù)進(jìn)行“先映射、后取整”，因?yàn)槠湓紨?shù)據(jù)范圍是從0到32767，而燈帶的燈珠數(shù)量是60（編號(hào)為從0到59），所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)范圍的重新映射;對(duì)映射后得到的數(shù)據(jù)再進(jìn)行“取整”處理，目的是防止出現(xiàn)非整數(shù)而不能正確對(duì)應(yīng)編號(hào)為整數(shù)范圍的燈珠序號(hào);接著再建立一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，變量i的初值為0，終值為變量滑桿值，步長(zhǎng)為1，執(zhí)行的操作是設(shè)置燈帶的前i個(gè)燈珠顏色均為紅色，注意一定要添加“燈帶刷新顯示”模塊;為了實(shí)現(xiàn)燈帶燈珠發(fā)光后再隨滑桿的滑動(dòng)而動(dòng)態(tài)顯示滑桿的對(duì)應(yīng)位置，需要再添加一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)完成熄滅剛剛點(diǎn)亮的所有燈珠功能，對(duì)應(yīng)的RGB值均設(shè)置為0即可;最后，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中添加一條“等待0.01秒”的延時(shí)等待模塊（如圖2）。

程序編寫完畢后，點(diǎn)擊“保存”按鈕將程序保存為“滑桿映射操控‘流水燈帶’”;點(diǎn)擊“連接設(shè)備”后再點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕（記得打開(kāi)LOG調(diào)試區(qū)），此時(shí)調(diào)節(jié)滑桿的位置，燈帶上就會(huì)亮起對(duì)應(yīng)位置的紅燈，同時(shí)會(huì)在調(diào)試區(qū)顯示有滑桿值。比如當(dāng)滑桿處于大約中間位置時(shí)，調(diào)試區(qū)會(huì)顯示數(shù)字29（或30），此時(shí)也會(huì)亮起30個(gè)發(fā)紅光的燈珠;多次測(cè)試均會(huì)實(shí)現(xiàn)滑桿映射操控“流水燈帶”的效果（如圖3）。

通過(guò)Windows的“遠(yuǎn)程桌面連接”登錄進(jìn)入樹(shù)莓派操作系統(tǒng)，打開(kāi)IDE開(kāi)始Python代碼編程。

首先，仍是導(dǎo)入相關(guān)的庫(kù)模塊并進(jìn)行初始化設(shè)置：為了防止出現(xiàn)“SyntaxError： Non-ASCII character ‘＼xe5’ in file”之類的編碼提示錯(cuò)誤，建議先添加一行“# -*- coding： utf-8 -*-”代碼;導(dǎo)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器庫(kù)模塊：“import Adafruit_ADS1x15”，導(dǎo)入能夠控制燈帶的rpi_ws281x 庫(kù)：“import rpi_ws281x as ws”，導(dǎo)入時(shí)間庫(kù)：“import time”;然后，新建變量adc生成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的具體實(shí)例：“adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115（）”;新建變量LED_COUNT和LED_PIN，分別賦值為60和18，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)燈帶的60個(gè)燈珠數(shù)量和連接擴(kuò)展板的引腳號(hào)18;創(chuàng)建燈帶對(duì)象strip并進(jìn)行實(shí)例化：“strip = ws.PixelStrip（LED_COUNT，LED_PIN）”，將變量LED_COUNT和LED_PIN的數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞進(jìn)去;“strip.begin（）”代碼的作用是對(duì)燈帶進(jìn)行初始化。

接著，建立一個(gè)“while 1：”循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)變量Sliding_Bar來(lái)實(shí)現(xiàn)從A0模擬端讀取滑桿位置數(shù)據(jù)，為其賦值為：“adc.read_adc（0， gain=1）”;再新建變量numbers，賦值為“int（Sliding_Bar/547）”，完成從0-32767范圍到0-59范圍的映射及取整（其中的547作為除數(shù)的目的是將32767映射為59，等等），并且將變量Sliding_Bar和numbers通過(guò)print（）均打印輸出;再建立一個(gè)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)數(shù)量燈珠的for循環(huán)，在range（）函數(shù)中將終值設(shè)置為變量numbers，循環(huán)語(yǔ)句為“strip.setPixelColor（i，ws.Color（0，255，0））”，作用是設(shè)置對(duì)應(yīng)燈珠的RGB顏色為“0，255，0”，即綠色;然后，通過(guò)語(yǔ)句“strip.show（）”對(duì)燈帶進(jìn)行刷新操作;第二個(gè)for循環(huán)實(shí)現(xiàn)的功能是熄滅剛剛點(diǎn)亮的燈珠，因此其中設(shè)置的RGB顏色為“0，0，0”;最后，添加延時(shí)0.01秒的語(yǔ)句“time.sleep（0.01）”。

將程序保存為“滑桿映射操控‘流水燈帶’.py”，但需要注意的是，此時(shí)如果直接在IDE界面中點(diǎn)擊Run按鈕進(jìn)行程序的測(cè)試，會(huì)出現(xiàn)“Can’t open /dev/mem：Permission denied”的拒絕訪問(wèn)錯(cuò)誤提示（如圖4）。

此時(shí)，可以到命令行模式下使用超級(jí)用戶權(quán)限sudo來(lái)運(yùn)行程序——先通過(guò)“cd pycode”命令進(jìn)入程序的保存目錄，再輸入“sudo python 滑桿映射操控‘流水燈帶’.py”命令后回車，然后再不斷調(diào)節(jié)滑桿的位置，命令行窗口開(kāi)始有一對(duì)一對(duì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，也就是變量Sliding_Bar和numbers的值;同時(shí)，燈帶也會(huì)對(duì)應(yīng)亮起相關(guān)數(shù)量的燈珠，發(fā)光顏色是綠色（如圖5）。

效果與圖形化編程所實(shí)現(xiàn)的滑桿映射操控“流水燈帶”幾乎是一樣的，大家不妨一試。值得注意的是，由于在Python代碼編程時(shí)使用了“while 1：”循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中并未設(shè)置任何跳出循環(huán)的動(dòng)作響應(yīng)，因此中止程序的運(yùn)行方式可直接在命令行模式下按“Ctrl+C”組合鍵來(lái)強(qiáng)行中斷程序。