基于STEP Pico的反应测试器

内容介绍

一、项目描述

1.项目需求

随机点亮板上的一个LED，按下板上的一个按键，在显示屏上显示出从灯亮到按键之间的时间。

2.设计思路

通过软件产生随机数（设为3~6），程序启动以后在随机数控制的时间下点亮板上的黄色LED，并在计时结束后熄灭，开始检测按键信号；处理器检测到被测试者按下按键以后，计算从黄色LED熄灭到接收到按键信号之间的时间差，并同时将该时间差通过串口和OLED屏幕输出显示；计时上限为10s，之后将进入下一轮测试。

此外，为提示被测试者在正确时间按下按键，在处理器等待按键信号以外的时间段（即从黄色LED熄灭到被测试者按下按键，或黄色LED再次亮起，即下一轮测试开始之间的时间段）红色LED会亮起，此时被测试者按键无效。

3.软件流程图

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二、项目硬件介绍

【基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台】，可以通过MicroPython编程来学习嵌入式系统的工作原理和应用，包含硬禾版本树莓派Pico核心模块及其扩展板。

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核心模块为硬禾设计的、完全兼容树莓派官方Pico的核心开发板STEP Pico，使用RP2040微控制器芯片，双核Arm Cortex-M0+处理器，最高可运行到133MHz；使用USB存储模式进行拖拽编程，烧写方便；此外还有26个GPIO管脚（含3个模拟输入）、2个UART、2个SPI控制器、2个I2C控制器等外设资源。同时STEP Pico相比于树莓派官方Pico还增加了4个WS2812彩色灯、1个电源指示灯、1个复位按键，USB端口也改为Type C。

扩展板外设包括2个按键输入、4个单色LED、12个WS3923B RGB三色灯、1个姿态传感器、1个128*64 OLED显示屏、1个蜂鸣器、1个可调电位计（用于电压表）、1路音频信号输入（用于示波器）和8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）。

核心模块与扩展板相结合，可以实现从反映测试器、音乐播放器到电压表、水平仪等多种应用。

本项目使用到了扩展板中的2盏LED灯和1个按键输入。

三、项目实现

1.模块介绍

本部分对主程序中引用的库做简单讲解。

board：该库中的pin_cfg类存储了扩展板外设与核心板连接对应的GPIO编号，例如黄色LED与核心板的GPIO 20连接，则需要用到该LED的GPIO编号时，可用pin_cfg.yellow_led代替。

本项目使用到了黄色LED、红色LED和按键1，对应代码如下：

class pin_cfg:
    yellow_led = 20
    red_led = 26
    k1 = 12

led：该库包含了扩展板上四个LED的初始化配置，调用后可直接引用r,g,b,y分别控制红色、绿色、蓝色和黄色LED。

from board import pin_cfg
import time
from machine import Pin

r = Pin(pin_cfg.red_led, Pin.OUT)
y = Pin(pin_cfg.yellow_led, Pin.OUT)

控制LED亮灭时，用到了machine库中Pin类的两种方法：

Pin.on() # Set pin to "1" output level
Pin.off() # Set pin to "0" output level

使用该方法即可实现LED的控制。

oled：该库与扩展板上SSD1306 OLED显示屏的显示有关。

首先该库用到了framebuf库中的若干方法：

FrameBuffer.fill(c) # Fill the entire FrameBuffer with the specified color
FrameBuffer.text(s, x, y) # Write text to the FrameBuffer using the the coordinates as the upper-left corner of the text

因为程序并不复杂，不需经常刷新，不必计较屏幕刷新区域，使用fill方法直接全部覆盖就好。

接下来该库使用了封装好的ssd1306库实现OLED显示屏的控制，涉及到下示方法：

SSD1306.show() # OLED screen output

time、random：两库用于生成随机延时时长。

random库下的uniform方法可以产生指定范围内的随机小数：

random.uniform(a, b) # Generate a random number in [a, b)

time库下的sleep方法可以产生指定秒数的延时：

time.sleep(s) # Let the program sleep for a period of time (seconds)

2.整体实现及效果

主程序包括两个主要模块（主程序循环和按键中断处理程序），两个全局变量（timer_start和flag_counting）和按键注册语句。

主程序循环：

while True:
    print_msg("") # Clear output
    y.on()
    time.sleep(random.uniform(3,6)) # Random time 3~6s
    y.off()
    r.off() # Switch to counting state
    timer_start = time.ticks_ms() # Start counting time
    flag_counting = 1 # Set flag
    time.sleep(10) # Next turn 10s after
    flag_counting = 0 # Clear flag (No input case)
    r.on() # Switch to idle state (No input case)

两个全局变量：

timer_start = 0 # Start time
flag_counting = 0 # Working state, 1: counting time, 0: idle

按键注册语句：

k1 = button(pin_cfg.k1, k1_callback, trigger = Pin.IRQ_FALLING)

按键注册语句与按键中断有关，在后文中介绍；其余部分注释标注了关键操作的说明，报告中不再赘述。主程序循环代码中print_msg函数与前文中定义：

# Print message on the OLED screen
def print_msg(msg):
    print(msg)
    oled.fill(0)
    oled.text(msg,0,32)
    oled.show()

首先将要显示的消息msg通过串口输出到PC终端上，然后使用fill方法将缓冲区全部置0（即不显示任何内容，实现清空效果），并使用text方法将msg写入缓冲区，最后再使用show方法将缓冲区中的内容显示到OLED屏幕上。

按键中断处理程序为一个回调函数（k1_callback）。按键注册语句会在按键信号下降沿（按键被按下）时调用该回调函数，即外部下降沿中断。

# Button handler
def k1_callback(pin):
    global flag_counting
    if flag_counting: # Counting time
        global timer_start
        timer_reaction = time.ticks_ms() - timer_start # ticks_diff
        print_msg("Time = " + str(timer_reaction) + " ms")
        flag_counting = 0 # Clear flag
        r.on() # Switch to idle state
    # Idle, do nothing

程序首先根据flag_counting标志判断当前是否处于正在计时的状态，仅在处于该状态时计算并显示时间差，否则不执行任何动作。若正在计时，则获取当前时间，计算时间差，调用print_msg函数格式化显示，清除flag_counting标志，并点亮红色LED。

拖拽编程，运行效果如下（以下图片从演示视频中截取）：

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