树莓派-光立方
LED CUBE. (Driven by RaspberryPi and 74HC154 chip)
【驅動程序 + 20多種特效】【C++】
一、GitHub地址
Leopard-C/LedCube
二、原理圖
原理圖(pdf)
我用立創EDA自己畫的，并不專業，不過還是比較清晰的。
制作教程，參考視頻：BV1Ex411C718
演示視頻：
BV1Kz411B7KT
三、核心類LedCube解析（src/driver/cube.h)
程序運行大概的流程：
類LedCube中有一個后臺線程，不停的掃描光立方。實際上，任何時刻，都只有一個LED燈被點亮，但是利用人眼的視覺暫留原理，只要掃描得足夠快，就能看到多個LED燈被點亮。
static void backgroundThread();類中有兩個三維數組，存儲坐標(z, x, y)處的LED燈的狀態。
using LedState = char; enum LED_State : char { LED_OFF = 0, LED_ON = 1 };// [z][x][y], 用于后臺掃描線程，真正表示光立方的狀態 LedState leds[8][8][8]; // 緩沖區，用于主線程 LedState ledsBuff[8][8][8];類中提供的對LED燈的操作，都是對ledsBuff數組的修改，而后臺掃描線程使用的是leds數組。
只有調用update()函數，將ledsBuff一次性拷貝到leds數組，才能真正改變光立方的狀態。
void LedCube::update() {mutex_.lock();memcpy(leds, ledsBuff, 512);mutex_.unlock(); }下面介紹以下該類對外提供的接口：
2.1 setup()
初始化。
事實上，整個程序，只有一個LedCube的全局對象，定義在main函數所在的文件中，在其他地方通過extern關鍵字進行聲明：
// main.cpp LedCube cube;// other files extern LedCube cube;在主函數調用setup()函數，用于初始化74HC154芯片、熄滅所有LED燈等。
2.2 update()
對光立方做一系列修改后，只有調用update()函數，才能真正起作用。
2.3 quit()
退出函數，執行清理工作，正常退出的話，會由析構函數調用。
非正常退出，比如捕獲到Ctrl+C發出的SIGINIT信號，應該主動調用該函數進行清理，否則程序退出時可能有一些LED仍然亮著。
2.4 clear()
熄滅所有LED燈。
2.5 修改（x,y,z) 處LED燈狀態
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 點亮某一個面（Layer)
可以是垂直于x或y或z軸的任何一個面。
（1）整個面的LED燈狀態相同
void lightLayerX(int x, LedState state); void lightLayerY(int y, LedState state); void lightLayerZ(int z, LedState state);（2）顯示圖像
void lightLayerX(int x, const std::array<std::array<char,8>>& image); void lightLayerY(...); void lightLayerZ(...);其中參數image是一個8x8的數組，剛好對應光立方的一個面(8x8=64個LED燈)。
（2）顯示圖像（指定圖像在圖像庫的編碼）
如顯示數字、字母、和自定義的圖案。
void lightLayerX(int x, int imageCode, Direction viewDirection, Angle rotate); void lightLayerY(...) void lightLayerZ(...)- imageCode：圖像編碼，在src/utility/image_lib.cpp中可以找到，即std::map的鍵。
- viewDirection：從哪個方向觀察這個圖像，如X_ASCEND表示沿著x軸正向的方向觀察該圖像。
- rotate：旋轉，支持:
- ANGLE_0：不旋轉
- ANGLE_90：順時針旋轉90度
- ANGLE_180：順時針旋轉180度
- ANGLE_270：順時針旋轉270度
也就是說，在任何一個垂直于x或y或z軸的面上，都可以有 2×4=82 \times 4 = 82×4=8 種方式顯示一個圖案。
- 2種視角：沿著軸的正向還是負向
- 4種旋轉角度：0、90、180、270
2.7 點亮一行或一列
（1）一行或一列全部點亮，或者全部熄滅
void lightRowXY(int x, int y, LedState); void lightRowYZ(int y, int z, LedState); void lightRowXZ(int x, int z, LedState);（2）分別指定一行或一列8個LED燈的狀態
void lightRowXY(int x, int y, const std::array<LedState,8>& states); void lightRowYZ(...); void lightRowXZ(...);// 例如下面一行代碼，將點亮 x==5 && y==7 那一列的LED燈，隔一個亮一個 // LED_ON==1，表示點亮 // LED_OFF==0, 表示熄滅 lightXY(5, 7, { 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0 });2.8 點亮/熄滅一條空間直線
void lightLine(const Coordinate& start, const Coordinate& end, LedState state);- start：線的起點 (x1, y1, z1)
- end：線的終點(x2, y2, z2)
該函數實際上調用了src/utility/utils.h中的getLine3D函數。
使用的是 Bresenham生成線 算法。
void getLine3D(const Coordinate& start, const Coordinate& end, std::vector<Coordinate>& line);給定線段的起點和終點，該函數會返回這條線段上的所有點（整數坐標）。
獲取到所有點后，設置些點處的LED燈的狀態即可。
2.9 繪制正方形 / 矩形
void lightSquare(const Coordinate& A, const Coordinate& B, FillType fillType);- AB：矩形的對角線
- fillType：填充類型
- FILL_SOLID：實心
- FILL_SURFACE：實心
- FILL_EDGE：邊界（無填充）
2.10 繪制立方體 / 長方體
void lightCube(const Coordinate& A, const Coordinate& B, FillType fillType);- AB：長方體的對角線
- fillType：填充類型
- FILL_SOLID：實心
- FILL_SURFACE：只填充面（不填充內部）
- FILL_EDGE：只有邊界（面和內部均無填充）
2.11 復制 / 移動一個面
void copyLayerX(int xFrom, int xEnd, bool clearXFrom = false); void copyLayerY(...); void copyLayerZ(...);- xFrom：面的原始位置，即面x=xFrom
- xEnd：面的目標位置，即面x=xEnd
- clearXFrom：是否清空原來的面
- true：移動
- false：復制
2.12 setLoopCount(int count)
void setLoopCount(int count) {this->loopCount = count; }達到的效果是：控制燈的明暗程度。
這里假設有兩個閾值， $ 0 < C1 < C2 < +\infty$
- 當count < C1時，count越小，LED燈越暗
- 當count > C2時，count越大，LED燈越暗
- 當C1 < count < C2時，LED比較亮，且亮度變化不大，肉眼無法辨別。
這里的C1，C2很難確定，而且影響亮度的因素比較多。
但是經過測試，C1≈100，C2≈200C1 \approx 100，C2 \approx 200C1≈100，C2≈200
這里的count實際上影響的是每個LED燈點亮的時間。因為任何一個時間都只有一個LED燈被點亮，后臺線程在不斷掃描整個光立方，即循環512次，逐一判斷每個LED燈是否需要點亮。
每個LED燈被點亮后都會暫停一段時間(很短)，然后熄滅該LED燈，去點亮下一個需要被點亮的LED燈。
這里的暫停一段時間是通過空語句循環實現的
// 這里的loopCount，就是通過setLoopCount(int count)設置的 for (int i = 0; i < loopCount; ++i) {// ; }在樹莓派上，根據測算，一次空語句循環需要5~6ns，默認的loopCount=150，也就是相當于暫停800ns。
loopCount越大或越小都會導致LED偏暗，而且過大時還會有其他副作用，如下：
- loopCount越小：每個LED燈被點亮的時間越短，看起來越暗。但是經過測試，loopCount在100~200之間LED燈的亮度變化不大，小于100，甚至說小于50才會觀察到變暗。在loopCount在5左右時，LED基本完全不亮。
- loopCount越大，每個LED燈被點亮的時間越長，但是，相應的，對光立方進行一次掃描耗時也越長，這就導致每個LED燈兩次被點亮之間的間隔變長，即不供電的時間變長，這也會導致LED燈看起來偏暗。
- loopCount越大，還有一個副作用，就是LED燈的亮度和當前光立方中被點亮的LED燈數量有關。被點亮的LED燈越多，掃描一次光立方的時間越長（只有在被點亮的LED燈處會執行暫停程序，如果某個LED燈為熄滅狀態，直接跳過），再加之每次“暫停”的時間很長，因此出現的一個現象就是，被點亮的LED燈少時，LED燈特別亮，被點亮的LED燈多時，LED燈特別暗，對比十分明顯。
這里之所以使用空語句循環來執行延時（“暫停”），是因為只有這樣才能做到納秒級延時（雖然并不精確）。
如果使用sleep()、usleep()、nanosleep()、，尤其是nanosleep()，雖然函數的目的時暫停納秒級的時間，但是其暫停時間都在微秒以上（在樹莓派上50微秒）。
包括C++11提供的，std::this_thread::sleep_for(std::chrono::nanoseconeds(xxx));
也就是說，即使我寫的程序是 sleep_for(nanoseconds(1))之類的，想要暫停1ns，實際上也會暫停50微秒，也就是這個參數在0~50000之間，程序全都會暫停50微秒左右。這可就太可怕了，如果需要同時點亮256個LED燈，那每次掃描的時間將是50us×256=12800us=12.8ms50us \times 256 = 12800us = 12.8ms50us×256=12800us=12.8ms，這個時間已經太長了，一個發光的LED燈，經過這個時間基本已經很暗或者熄滅了。
剛寫程序時一直困擾在這里，每次點亮的LED燈變多時，LED燈都會特別暗，1個LED燈時特別刺眼，200個LED燈就已經明顯變暗了。本來都想放棄了呢，后來，逐一判斷到底是哪一條語句這么耗時，一開始以為是 digitalWrite函數的原因或者74HC154芯片反應慢之類的，后來才定位到sleep_for(nanoseconds(100))這個延時語句上。然后就去網上搜了一下，了解到精確的納秒級暫停目前很難實現的，因為執行到暫停語句會牽扯到中斷、時間片切換，還有內核調用（要從用戶空間切換到內核再返回）（大概是這些吧，我不是專業的。。。），反正意思就是，你想暫停幾納秒、幾十幾百納秒，做不到！！！
可以看一下以下兩個網頁
四、特效
Effect基類，其他特效類都繼承自該類，需要重寫以下兩個虛函數
// 特效是如何顯示的 virtual void show();// 從一個文件流（文件指針fp當前位置，可能并非文件頭）解析特效的參數 virtual bool readFromFP(FILE* fp);每個特效基本上都有一個Event類，用于描述一組特效參數。
下面以src/effect/layer_scan.h為例
LayerScanEffect類實現的特效是：按照某一個圖案逐層(沿x軸或y軸或z軸)掃描光立方。
// 關于Event部分的代碼 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<Event>& events) {events_ = events;}protected:std::vector<Event> events_; };這里Event類的成員變量的意思是：
- viewDirection：視角，就是你注視該圖案的方向，沿哪個軸的哪個方向（X_ASCEND、X_DESCNED、Y_ASCEND、Y_DESCEND、Z_ASCEND、Z_DESCEND）
- scanDirection：掃描的方向（圖案移動的方向）
- rotate：圖案的旋轉角度
- together：一次移動多少層
- interval1：每次移動的時間間隔（單位毫秒）
- interval2：掃描結束后暫停的時間（單位毫秒）
（PS. 基本上每個特效都至少有interval，interval2兩個參數，事實上，大多數特效都有四五個甚至更多參數，通過不同參數的組合，即一個Event對象，可以顯示出不一樣的效果，雖然是同一類特效）
四、EML文件
為了更方便的創造出不同參數的(同一大類)特效，我創造了一種新的文本文件類型EML，Effect Markup Language。每個特效類都支持從eml文件讀取參數。
下面看一個簡單的eml例子：
<##>------------------------------- Count Down --------------------------------<LayerScan> <IMAGESCODE><####> imageCode<CODE> 5<CODE> 4<CODE> 3<CODE> 2<CODE> 1 <END_IMAGESCODE> <EVENTS><#####> viewDirection scanDirection rotate together interavl1 interval2<EVENT> X_DESCEND X_ASCEND ANGLE_0 1 125 125 <END_EVENTS> <END><##>------------------------------- Drop Line --------------------------------<DropLine> <IMAGESCODE><CODE> IMAGE_FILL <END_IMAGESCODE> <EVENTS><#####> viewDirection dropDirection lineParallel rotate together interval1 interval2<EVENT> X_ASCEND X_ASCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30<EVENT> X_ASCEND X_DESCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30<EVENT> X_ASCEND X_ASCEND PARALLEL_Z ANGLE_0 3 30 30<EVENT> X_ASCEND X_DESCEND PARALLEL_Z ANGLE_0 3 30 30<EVENT> Z_ASCEND Z_ASCEND PARALLEL_X ANGLE_0 3 30 30<EVENT> Z_ASCEND Z_DESCEND PARALLEL_X ANGLE_0 3 30 30<EVENT> Z_ASCEND Z_ASCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30<EVENT> Z_ASCEND Z_DESCEND PARALLEL_Y ANGLE_0 3 30 30 <END_EVENTS> <END><END><END>解析eml文件的容錯能力比較低，只會簡單地進行語法檢查，應該保證傳入的eml文件沒有語法錯誤。
六、展示（圖片）
（光立方做的比較丑，emmm，關鍵是特效代碼嘛！）
（第一次使用錫焊，足足用了兩卷焊錫，一開始經常焊不上，掉的錫得有1/3，后來慢慢掌握了技巧。孰能生巧，第一次使用錫焊就焊了1000多個焊點，學會了錫焊，哈哈哈！）
七、展示（視頻）
BV1Kz411B7KT
【光立方】【樹莓派】特效展示，20+種
END
leopard.c@outlook.com
總結
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