制作一个交通灯控制器基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台

内容介绍

制作一个交通灯控制器

基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台

项目介绍

项目名称如下

2023寒假一起练平台（1）- 基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台 - 电子森林 (eetree.cn)

平台包含：

树莓派Pico扩展板 x1
硬禾版本树莓派Pico核心模块 - STEP Pico x1
Type-C 数据线 x1

目标：制作一个交通灯控制器

具体要求：仿真马路上的交通灯的工作状态切换，利用板上的红、黄、绿三种颜色的LED显示道路状态的切换，行人按键时，具有优先功能
实现方式：利用板上的3个不同颜色的LED模拟交通灯，程序会轮流切换三个灯的状态，并根据按键的输入（中断或查询机制）调整交通灯的切换。

设计思路

利用循环实现红、黄、绿三种颜色的LED显示道路状态的切换。
循环中查询实现行人按键时，具有优先功能。

框图

新建 BMP 图像 (2)

简单的硬件介绍

板卡硬件：

2个按键输入
4个单色LED
12个WS2812B 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）
8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）

RP2040芯片概述

RP2040具有双M0+处理器核心，DMA，内部存储器和外设块通过AHB/APB总线结构连接。
代码可以通过专用SPI、DSPI或QSPI接口从外部内存直接执行。小型缓存可以提高典型应用程序的性能。
可以通过SWD接口进行调试。
内部SRAM可以包含代码或数据。它被定位为一个单独的264 kB区域，但物理上划分为6个库，以允许不同主机同时并行访问。
DMA总线主机可用于从处理器卸载重复的数据传输任务。
GPIO引脚可以直接驱动，也可以从各种专用逻辑功能驱动。
专用硬件实现SPI、I2C、UART等固定功能。
可灵活配置的PIO控制器可用于提供各种IO功能。
带有嵌入式PHY的USB控制器可用于在软件控制下提供FS/LS主机或设备连接。
四个ADC输入与GPIO引脚共享。
两个锁相环为USB或ADC提供固定的48MHz时钟，以及高达133MHz的灵活系统时钟。
内部稳压器提供核心电压，因此最终产品只需要提供IO电压。

实现的功能及图片展示

实现功能：

1、仿真马路上的交通灯的工作状态切换，利用板上的红、黄、绿三种颜色的LED显示道路状态的切换，行人按键时，具有优先功能。
2、仿真十字路口车辆交通指示灯。

图片展示：

主要代码片段及说明

import array, time
from machine import Pin
import rp2
from javion import *

@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1)               .side(0)    [T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [T1 - 1]
    jmp("bitloop")          .side(1)    [T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop()                   .side(0)    [T2 - 1]
    wrap()

sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(javion.Pin_LED))
sm.active(1)
tri_LED = array.array("I", [0 for _ in range(javion.NUM_LEDS)])
pin_ctrl = Pin(javion.Pin_CTRL, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

led_g = Pin(22, Pin.OUT)
led_r = Pin(26, Pin.OUT)
led_y = Pin(20, Pin.OUT)

def Traffic_button(light1,light2,slp_t):
    while (slp_t != 0):
        slp_t = slp_t - 1
        tri_LED[0] = light1
        tri_LED[1] = light2
        tri_LED[2] = light1
        tri_LED[3] = light2
        sm.put(tri_LED, 8)
        time.sleep_ms(javion.T_query)

def traffic_ctrl():
    if pin_ctrl.value() == 0 :
        led_g.value(1)
        led_r.value(0)
        led_y.value(0)
        Traffic_button(javion.green,		javion.yellow,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.dark,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.yellow,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.dark,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.yellow,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.dark,	25)
        Traffic_button(javion.green,		javion.red,		800)


def Traffic_lights(light1,light2,slp_t):
    if(light1 == javion.red):
        led_g.value(0)
        led_r.value(1)
        led_y.value(0)
    elif(light1 == javion.yellow):
        led_g.value(0)
        led_r.value(0)
        led_y.value(1)
    elif(light1 == javion.dark):
        led_g.value(0)
        led_r.value(0)
        led_y.value(0)
    else:
        led_g.value(1)
        led_r.value(0)
        led_y.value(0)
    while (slp_t != 0):
        slp_t = slp_t - 1
        tri_LED[0] = light1
        tri_LED[1] = light2
        tri_LED[2] = light1
        tri_LED[3] = light2
        traffic_ctrl()
        sm.put(tri_LED, 8)
        time.sleep_ms(javion.T_query)

while True:
    Traffic_lights(javion.yellow,	javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.dark,		javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.yellow,	javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.dark,		javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.green,	javion.red,		800)
    Traffic_lights(javion.yellow,	javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.dark,		javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.yellow,	javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.dark,		javion.red,		25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.yellow,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.dark,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.yellow,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.dark,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.green,	800)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.yellow,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.dark,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.yellow,	25)
    Traffic_lights(javion.red,		javion.dark,	25)

traffic_ctrl()

控制极小周期内灯的状态，pin_ctrl.value()捕捉按键状态。

Traffic_lights(light1,light2,slp_t):

控制指定周期内灯的状态

While

主循环

点亮不同颜色交通灯

light1是横向道路信号灯颜色。

light2是纵向道路信号灯颜色。

light1，light2可为红绿、绿红、黄黄闪烁、红红四种状态。

slp_t为每个交通状态的时间。

traffic_ctrl()检查是否交通管制、行人按键。

通行时间控制与交通规则

25是黄灯闪烁间隔。

800是红灯或绿灯亮灯时间。

遇到的主要难题及解决方法

笔记本不识别rp2040

解决方法：换用项目专用Type-C 数据线

未来的计划或建议等

按照实际交通规则设计时间。

附录

交通灯概述

俗称红绿灯。19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

这次的交通灯是二值信号灯：

最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。虽然二值信号灯能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号灯强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。

WS2812B概述

WS2812B是一种将控制电路和RGB芯片集成在5050封装中的智能控制LED光源。其内部包括智能数字端口数据锁存器和信号重塑放大驱动电路。还包括精密内部振荡器和12V电压可编程恒流控制部分，有效保证像素点光色高度一致。数据传输协议采用单NZR通信模式。像素上电复位后，DIN端口接收来自控制器的数据，第一个像素采集初始的24bit数据然后发送到内部数据锁存器，其他数据由内部信号重塑放大电路通过DO端口发送到下一个级联像素。传输后为每个像素，信号减少24bit。像素采用自动重塑传输技术，使得像素级联数不受信号传输的限制，只取决于信号传输的速度。LED具有驱动电压低、环保节能、亮度高、散射角大、一致性好、功耗低、寿命长等优点。该控制芯片集成在LED上面，电路变得更加简单，体积小，安装方便。

致谢

非常感谢硬禾团队提供的这次学习交流的活动，让我有机会也有动力去学习新的技能，培养自己的兴趣。同时，感谢群里的各位大佬分享自己的心得体会，这让我受益匪浅！谢谢！