基于STEP Pico的嵌入式系统学习平台制作一个反应测试器

内容介绍

一、项目介绍

基于树莓派pico的嵌入式系统学习平台，具有能耗比高，外设丰富，编程语言microPython易于使用等特点，利于学习嵌入式系统的工作原理和应用。本项目通过此树莓派pico平台，制作一个反应测试器。

一、项目介绍

本项目基于树莓派pico的嵌入式系统学习平台，其具有能耗比高，外设丰富，编程语言microPython易于使用等特点，利于学习嵌入式系统的工作原理和应用。通过树莓派pico为控制核心，用microPython语言编程制作一个反应测试器。反应测试器功能为随机点亮树莓派pico扩展板上的一个LED，按下扩展板上的一个按键，能够在扩展板上的OLED屏幕上显示从灯亮到按键之间的时间。

二、设计思路

1.随机点亮一个LED：树莓派pico中有四种不同颜色的LED，分别是red,yellow,blue,green。每次测试需要随机点亮一个LED，于是在程序中设置随机数，通过产生的随机数来控制每次测试点亮的LED，从而实现随机点亮不同颜色的LED。

2.在随机时间点亮LED：反应测试中，LED等点亮的时间也要是随机的，程序中可以通过在设定范围内产生的随机数来作为LED在测试开始后随机点亮的时间，由此可以实现LED灯在随机时间点亮。

3.计算LED从点亮到接收到按键之间的时间差：程序中调用time.ticks_ms()来计时,(time.ticks_ms()返回不断递增的毫秒计数器中的数值)。timer_start记录LED灯点亮时的数值，在按键后返回time.ticks_ms()与timer_start的差值，即得LED从点亮到接收到按键之间的时间差。

4.实现反复测试：添加一个按键作为每次测试的开关，按下按键程序开始运行，进行一次测试，再按下按键，程序刷新，进行新一次的测量。

三、软件流程图

四、软件与硬件

1.软件：thonny

本项目使用的开发软件是thonny，作为官方推荐使用的开发软件，thonny的调试器是专为学习和教学编程而设计的，具有页面简洁，基础功能齐全，简单易上手，对初学者十分友好的特点。软件操作简单，在使用过程中的确上手很快。

2.硬件：基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台

本项目使用的硬件是基于树莓派Pico的嵌入式系统学习平台，平台包括硬禾版本树莓派pico核心模块和树莓派pico扩展板。树莓派PICO核心板块是一款低成本，高性能的微控制器开发板，具有灵活数字接口，硬件上采用Raspberry Pi官方自主研发的RP2040微控制器芯片，搭载了ARM CortexM0+双核处理器，高达133赫兹的运行频率，内置了264KB SRAM和2 MB 闪存，还板载有多达26个多功能的GPIO引脚。硬件开发软件可以选择C语言/C++SDK，或者使用microPython，可以快速入门实现开发。

核心板引脚图

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五、实现的功能及图片展示

本程序代码实现了反应测试器要求实现的全部功能。按下按键k2开始反应测试，测试器在2到5秒的随机时间内会随即点亮红、蓝、黄、绿四个LED中的随机一个，灯亮程序开始计时，受试者在接收到灯亮信号后按下按键k1，k1按下瞬间记录时间，即为受试者的反应时间，并在OLED上显示。

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六、主要代码片段及说明

#需引用的文件

import time
import ws2812b
from button import k1,k2
from board import pin_cfg
from led import r,y,g,b
from oled import oled
from button import button
from machine import Pin
import random

#程序主循环，引入按键K2设置为启动按键，控制循环进行，按下k2按键视为一次测试循环，继续按键可以实现多次重复测试

def k2_callback(pin):
    global timer_start
    timer_start=0;
    #产生一个随机数，随机点亮一个LED
    a=random.uniform(1,5)
    bb=int(a);    
    y.off();
    r.off();
    g.off();
    b.off();
    
    time.sleep(random.uniform(2,5)); #产生2到5范围内随机数，控制点亮LED的时间
    if bb==1:   #随机点亮LED灯
        y.on();
    if bb==2:
        r.on();
    if bb==3:
        g.on();
    if bb==4:
        b.on();         
    timer_start=time.ticks_ms(); #计时开始
k2=button(pin_cfg.k2,k2_callback,trigger=Pin.IRQ_FALLING)

#按键k1功能，按下k1按键，计算出LED灯点亮到k1按键按下的反应时间，并将结果输出在oled屏幕上

def k1_callback(pin): 
    global timer_start
    time_reaction=time.ticks_ms()-timer_start #通过计算差值得到反应时间
    clear(oled);
    print_result(str(time_reaction)+"ms") #在OLED屏幕上输出反应时间
k1=button(pin_cfg.k1,k1_callback,trigger=Pin.IRQ_FALLING)

七、遇到的主要难题及解决方法

本实验在平台赠送的microPython编程课程的指导下进行的比较顺利，课程讲述的比较详细，能让我很快上手开始项目，在进行中还是遇到一些问题。首先是反应测试器程序只能进行一次测试，不能实现重复多次测试，经过思考我想到了采用循环的方法，引入k2按键控制程序循环运行，按下k2，程序数据重置，循环运行一次，实现一次反应测试，经过检验，这个方法是可行的，如下：

def k2_callback(pin):
    global timer_start
    timer_start=0;
    #产生一个随机数，随机点亮一个LED
    a=random.uniform(1,5)
    bb=int(a);    
    y.off();
    r.off();
    g.off();
    b.off();
    time.sleep(random.uniform(2,5)); #产生2到5范围内随机数，控制点亮LED的时间
    if bb==1:
        y.on();
    if bb==2:
        r.on();
    if bb==3:
        g.on();
    if bb==4:
        b.on();        
    timer_start=time.ticks_ms(); #计时开始
k2=button(pin_cfg.k2,k2_callback,trigger=Pin.IRQ_FALLING)

可是调试过程中又遇到一个问题，那就是虽然实现重复测量，但忽略了OLED显示的重置，于是测试中新的反应时间数据叠加在上次显示数据上，于是数据读不出来。意识到新的测试开始先前的OLED输出应该要清空，查阅资料，找到了一个解决方法。定义一个函数：

def clear(self):

    self.fill(0)

OLED输出新数据前先调用该函数清除先前数据在输出，问题顺利解决。

八、未来的计划或建议

本项目总体比较简单，最后完成的效果也基本实现了要求，但这只是嵌入式系统入门级，未来还想继续深入学习，尝试完成其他项目，强化自己的microPython编程能力和对嵌入式系统的理解，希望在学习中继续强化自己的动手实践能力。