Funpack3-5: 基于BeagleBone Black开发板的PRU控制呼吸灯系统

内容介绍

一、项目介绍

BeagleBone Black 搭载的 AM3358 中内置了可编程实时单元（Programmable Real-time Unit, PRU）为实时控制提供了强大的支持，本项目旨在充分利用PRU的低延迟特性，结合网页控制接口，实现一个可以自定义控制的LED呼吸灯系统。

项目目标：

使用BeagleBone Black的PRU实现LED的呼吸灯效果，通过控制PWM输出改变LED的亮度，模拟“呼吸”效果。
配置一个物理按键，实现按键按下后切换LED呼吸灯的闪烁速度（例如慢速、中速、快速等不同频率）。
构建一个简单的网页控制界面，通过该网页可以控制PRU的内存，从而实现对LED状态（开/关）和闪烁速度的实时控制。
综合上述目标，实现同时使用按钮和网页控制LED闪烁速度。

二、设计思路

任务一：点灯！PRU控制LED呼吸灯

使用pru控制LED的亮灭，通过占空比的变化来模拟呼吸灯效果。通过PWM模拟多种函数波形达到不同的呼吸灯效果，计算占空比值时，可选择以下函数曲线，例如正弦函数、反Gamma曲线等，调整LED亮度变化的平滑程度。同时需要在pru操作LED的间隙检测按钮状态，并在按下和释放检测中进行消抖处理。

根据传入的参数，检测按钮是否被按下或释放同时之前没有被触发过，同时进行2ms的消抖，释放按钮后使用下一种模式。

根据传入的当前循环数、总半周期数和使用的模式，计算当前的占空比并映射到查找表。过多的复杂数学计算可能会导致最终生成的程序超过pru内存限制导致编译失败，预计算的查找表可以提升运行速度。

软件流程图：

任务二：在系统中建立一个网页，并且与LED联动，使用网线连接到设备上时，可以从网页中控制LED的开关与闪烁

AM335X的PRU具有两个独立的处理单元，每个处理单元有独立的内存区域但可互相访问，还有一个共享的内存区域，可以被linux系统读写。利用这个特性，通过python的flask库实现前端读取传入的指令，并通过” /dev/mem”改写指定的共享内存地址，pru程序读取到内存数据后改变闪烁速率或模式。

软件流程图：

任务三：

综合任务二和三，使用pru控制LED的亮灭，通过占空比的变化来模拟呼吸灯效果，同时需要在pru操作LED的间隙检测按钮状态，并在按下和释放检测中进行消抖处理，以及读取pru共享内存，检测模式和速度参数是否改变。通过python的flask库实现前端，根据传入的http指令读取或改写pru内存，从而控制小灯。

软件流程图：

呼吸灯效果：

网页端与按钮同时控制效果，按下按钮或网页端切换模式：

网页前端设置每0.5s获取一次状态数据并更新显示

三、实现过程

1.配置开发环境

通过config-pin查询需要使用的pin是否被其它功能占用（如：config-pin -i p9.28

），默认设置下，HDMI和AUDIO功能占用了对应的pin，无法更改为PRU功能，需要在"/boot/uEnv.txt"中取消disable的注释。

如果编译环境有问题，在ti官网下载pru cgt安装包 https://www.ti.com/tool/PRU-CGT#downloads

2. 可以通过三种方法设置网络：

a.通过usb连接电脑可以使用电脑代理来连接网络，导出proxy环境设置，无需其它配置，如：
export https_proxy=https://192.168.7.1:10809

export http_proxy=https://192.168.7.1:10809

b.设置网关以及网络分享：

在bbb上设置默认网关为usb（电脑），sudo ip route add default via 192.168.7.1，或修改"/etc/systemd/network/usb0.network"，在[Network]下添加Gateway=192.168.7.1，持久化网络配置。

在电脑中将正在使用的网络共享给和bbb通过usb连接的网络并且设置与bbb连接的网络，确保IP地址配置正确

c.直接使用网线连接

3. 连接bbb和LED、按钮

正确连接电源，LED（#22绿/#32红）和按钮（#13）集成在X-STM32MP-MSP01拓展板上，按钮和LED处于高电平，使用时需注意电流方向。连接的两个pru接口，一个输入PRU0_R31_16(P9.28)连接按钮，另一个输出PRU0_R30_5(P9.27)连接LED。

连接完成后需要设置连接的pin为对应的功能，如：

config-pin p9.27 pruout //led灯

config-pin p9.28 pruin //按钮

4. 具体代码实现

4.1 循环延时函数

void delayCycle(uint32_t cycle)  {
    uint32_t step = 0;
    for (step = 0; step < cycle; step++)  {
        __delay_cycles(2000); //about 0.01ms
    }
}

__delay_cycles()函数只支持常数参数，通过循环控制占空时长。

4.2 按钮状态检查

void check(uint8_t press)
{
    if(press){
        if (!(__R31 && button)  && (!buttonState)) {
            // Button pressed, debounce
            __delay_cycles(1000000);  //  5ms debounce at 200MHz
            if (!(__R31 && button)) {
                // Confirmed press, change frequency
                buttonState = 1;
            }
        }
    }
    else{
        if (((__R31 && button)) && buttonState) {
            // Button released, debounce
            __delay_cycles(1000000);  // 5ms debounce at 200MHz
            if (__R31 && button) {
                    buttonState = 0;
                    (*mode_mem) ++;
                    if (*mode_mem == 5) {*mode_mem = 0; }
            }
        }
    }
}

检测按钮是否被按下或释放，并进行5ms的除抖。只有当检测到按钮被按下且之前没有被按下，改写按钮状态为1；检测到按钮之前没有被按下（按钮状态为1），且被释放，改写按钮状态为0并增加模式值，增加模式值到5时改写为0返回。

4.3 占空比查表

uint8_t duty(uint32_t z, uint32_t period_rd, uint8_t algo)
{
    float ratio = (float)z / period_rd;
    uint8_t duty = (uint8_t)(ratio * 255);
    if(algo == 2){ // sinf(0.5 * PI * z / period_rd)
       duty = sin_lut[duty];
        }
    if(algo == 3){ // 1 - cosf(0.5 * PI * z / period_rd)
       duty = sinr_lut[duty];
        }
    if(algo == 4){ // gamma2.2
       duty = gamma_lut[duty];
        }
    return duty;
}

根据传入的模式查询并计算占空时长。

4.4 pwm函数

void pwm(uint32_t period_rd, uint8_t mode)
{
    uint32_t z = 0;
    uint8_t duty0;
    for (z=0; z<period_rd; z++)  {
        __R30 &= ~led;
        duty0 = duty(z, period_rd, *mode_mem);
        delayCycle(duty0);
        __R30 ^= led;
        delayCycle(255 - duty0);
        check(z % 2);
        if (*mode_mem==0) {return;}
    }
    for (z=0; z<period_rd; z++)  {
        __R30 |= led;
        duty0 = duty(z, period_rd, *mode_mem);
        delayCycle(duty0);
        __R30 ^= led;
        delayCycle(255 - duty0);
        check(z % 2);
        if (*mode_mem==0) {return;}
    }
}

根据传入的参数对LED进行pwm控制，交替检测按钮状态，检测到模式值为0时返回。

4.5 网页后端实现

使用flask库作为后端接收客户端的请求，/get_current_value 接受前端的 GET 请求，返回PRU共享内存中当前的模式值和轮次值；/update_mem：接受前端的 POST 请求，用于更新PRU共享内存中的模式值或轮次值；使用 mmap 通过 /dev/mem 直接读写PRU共享内存。 GET 请求 "http://192.168.7.2:9000" 时，返回 static 目录下的index.html

from flask import Flask, request, jsonify
import mmap
import os

app = Flask(__name__)

PRU_SHARED_MEM_ADDR_MODE = 0x00010000 
PRU_SHARED_MEM_ADDR_ROUND = 0x00010004
PRU_LEN = 0x80000
PRU_ADDR = 0x4A300000

def read_shared_memory(address):
    with open("/dev/mem", "r+b") as f:
        mem = mmap.mmap(f.fileno(), PRU_LEN, offset=PRU_ADDR)
        mem.seek(address)
        value = int.from_bytes(mem.read(4), byteorder='little')
        mem.close()
    return value

def write_shared_memory(address, value):
    with open("/dev/mem", "r+b") as f:
        mem = mmap.mmap(f.fileno(), PRU_LEN, offset=PRU_ADDR)
        mem.seek(address)
        mem.write(value.to_bytes(4, byteorder='little'))
        mem.close()

@app.route('/update_mem', methods=['POST'])
def update_mem():
    try:
        mode = request.form.get('mode')
        round_delta = request.form.get('round')

        if mode is not None:
            mode = int(mode)
            if not (0 <= mode <= 4):
                return jsonify({"error": "Mode value must be between 0 and 4"}), 400

            current_mode = read_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_MODE)
            write_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_MODE, mode)

            return jsonify({
                "message": "Mode updated",
                "previous_mode": current_mode,
                "new_mode": mode
            })

        if round_delta is not None:
            round_delta = int(round_delta)
            if round_delta not in [-1, 1]:
                return jsonify({"error": "Round delta must be -1 or 1"}), 400

            current_round = read_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_ROUND)
            new_round = current_round + round_delta

            if not (0 <= new_round <= 4):
                return jsonify({"error": "Round value out of range. Must remain between 0 and 4."}), 400

            write_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_ROUND, new_round)

            return jsonify({
                "message": "Round updated",
                "previous_round": current_round,
                "new_round": new_round
            })

        return jsonify({"error": "No valid data provided. Specify either 'mode' or 'round'."}), 400

    except ValueError:
        return jsonify({"error": "Invalid data provided. Mode must be an integer, and Round delta must be -1 or 1."}), 400
    except Exception as e:
        return jsonify({"error": str(e)}), 500

@app.route('/')
def index():
    return app.send_static_file('index.html')

@app.route('/get_current_value', methods=['GET'])
def get_current_value():
    try:
        current_mode = read_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_MODE)
        current_round = read_shared_memory(PRU_SHARED_MEM_ADDR_ROUND)
        return jsonify({"current_mode": current_mode, "current_round": current_round})
    except Exception as e:
        return jsonify({"error": str(e)}), 500

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=9000)

4.6 运行

编译好固件并加载到pru中启动:

make
make install_PRU0

如果有问题，手动输入命令，注意替换生成的固件位置：

echo stop | sudo tee /sys/class/remoteproc/remoteproc1/state //停止PRU0运行
make clean
make
sudo cp /root/code/ledUltimate/gen/ledUltimate.out /lib/firmware/am335x-pru0-fw //加载固件到PRU0
echo start | sudo tee /sys/class/remoteproc/remoteproc1/state	//运行PRU0

运行后端：

source /root/code/venv/bin/activate		//加载安装好相关库的python虚拟环境
python3 /root/code/venv/web.py		//运行后端

网页每隔0.5s获取一次内存数据，

四、未来的计划建议

PRU还有许多有意思的特性有待发掘，如还可以通过RPMsg使PRU和Linux内核的双向通信；同时使用两个pru核心并协作完成复杂任务；工业级实时通信等。

一、 项目介绍

二、设计思路

任务一：点灯！PRU控制LED呼吸灯

任务二：在系统中建立一个网页，并且与LED联动，使用网线连接到设备上时，可以从网页中控制LED的开关与闪烁

任务三：

三、实现过程

四、未来的计划建议

一、项目介绍