项目介绍：RP2350 无线绘图笔

该项目是一个基于 RP2350 微控制器和 nRF52840 蓝牙模块实现的无线数字绘图笔系统。它旨在提供一种直观、无拘无束的数字创作体验，将物理手势与数字画布无缝连接。用户可以通过倾斜和移动手中的笔，直接控制电脑屏幕上的光标进行绘画，并通过笔身上集成的多功能按键，在创作过程中不中断地调整画笔的颜色与粗细。

核心功能

• 无线连接: 采用两块 nRF52840 开发板构建稳定的低功耗蓝牙（BLE）串口通信链路，将绘图笔与电脑分离，彻底摆脱线缆束缚，提供更大的创作自由度。
• 体感控制: 内置 KXTJ3-1057 三轴惯性测量单元（IMU），实时捕捉笔身的倾斜角度，并将其精确转换为画布上光标的移动指令。
• 参数即时调节: 用户可通过笔身上的按键随时进入设置模式，轻松调整画笔的粗细、以及红 (R)、绿 (G)、蓝 (B) 三色通道的数值。
• 实时颜色预览: 笔头集成了两颗 WS2812B RGB LED 灯珠，能够实时显示当前选定或正在编辑的颜色，为用户提供最直观的视觉反馈。
• 配套桌面应用: 使用 Python 和 Tkinter 库开发了一款简洁的跨平台画布应用。该应用在 Linux 系统上运行，负责接收并解析来自画笔的指令，实时渲染用户的笔触，并清晰地展示画笔的各项状态。

技术栈

• 硬件:
• • 绘图笔控制器: 基于 RP2350 开发板，集成 KXTJ3-1057 IMU、WS2812B LED 及控制按键。
  • 无线发射端: 一块 nRF52840 开发板，烧录 bleuart 程序，通过引脚连接到 RP2350，作为蓝牙外设。
  • 无线接收端: 另一块 nRF52840 开发板，烧录 central_bleuart 程序，作为蓝牙中心设备，通过 USB 连接到 Linux 系统的电脑。
• 软件:
• • 固件:
  • • RP2350_Draw_Controller.ino: 运行在 RP2350 上，使用 Arduino (C/C++) 编写，负责传感器数据读取、按键逻辑处理和状态机管理。
    • bleuart.ino / central_bleuart.ino: 运行在 nRF52840 上，构建了 BLE 串口服务。
  • 桌面应用: 使用 Python 编写，Tkinter 库用于构建图形用户界面，PySerial 库用于与接收端进行串口通信。
• 通信协议:
• • 笔内通信: RP2350 控制器与 nRF52840 发射端之间通过 UART 串口进行通信。
  • 无线通信: 两块 nRF52840 开发板之间通过 BLE UART 服务进行无线数据传输。
  • 有线通信: nRF52840 接收端与电脑上的 Python 应用之间通过 USB 虚拟串口进行 JSON 格式的数据交换。

通过这套系统，我们将传统的绘画姿态与现代数字技术相结合，创造出一款功能完整、交互自然且高度集成的无线绘图工具。

硬件介绍

• RP2350: 项目的核心控制器，负责处理来自 IMU 的运动数据和用户的按键输入，并控制 LED 灯珠的状态。其强大的处理能力确保了数据流的实时性和稳定性。
• nRF52840: 两块 nRF52840 开发板构成了无线通信的桥梁。一块作为发射端（Peripheral），与 RP2350 连接，将处理后的数据通过 BLE 发送出去；另一块作为接收端（Central），通过 USB 连接电脑，将接收到的 BLE 数据转发给 Python 应用。
• KXTJ3-1057: 一款高灵敏度的三轴加速度传感器（IMU），用于检测笔身的倾斜姿态，是实现体感控制光标的关键。
• WS2812B: 两颗可编程 RGB LED 灯珠，用于实时显示画笔颜色，为用户提供直观的视觉反馈。

方案框图和项目设计思路

系统方案框图

graph LR
    subgraph "绘图笔 (Pen)"
        RP2350["<b>RP2350</b><br/>- KXTJ3 IMU<br/>- Buttons<br/>- WS2812B LEDs"] -- UART --> NRF_P["<b>nRF52840 (Peripheral)</b><br/>bleuart"];
    end

    subgraph "接收端 (Receiver)"
        NRF_C["<b>nRF52840 (Central)</b><br/>central_bleuart"];
    end

    subgraph "电脑 (Computer)"
        PC["<b>PC (Linux)</b><br/>Python App"];
    end

    NRF_P -- BLE --> NRF_C;
    NRF_C -- USB --> PC;

设计思路

本项目的核心设计思路是模块化和用户体验优先。

1. 功能分离： 我们将核心的运动感应和逻辑处理（RP2350）与无线通信功能（nRF52840）分离开来。这种设计降低了单个微控制器的负担，使得代码逻辑更清晰，也便于未来对任一模块进行独立升级（例如，更换更强的无线模块或更精确的传感器）。
2. 状态机管理： 笔刷的控制逻辑采用了有限状态机（Finite State Machine, FSM）。系统定义了“绘图”、“设置菜单”、“编辑数值”等多种状态。用户的按键操作（如长按、短按）会触发状态之间的切换。这种模式极大地简化了复杂的用户交互逻辑，避免了使用大量嵌套的 if-else 语句，使代码更易于维护和扩展。
3. 标准化数据交换： 硬件与上位机之间采用 JSON 格式进行通信。这是一种轻量级、易于人类阅读和机器解析的数据格式。通过定义清晰的 action 和 payload 字段，我们实现了可靠的指令传递，同时也保证了未来新增功能时，通信协议可以轻松扩展。

软件流程图和关键代码介绍

固件 (RP2350_Draw_Controller.ino)

软件流程图

graph TD
    A[Start] --> B[Initialize<br/>- Serial<br/>- IMU, LEDs];
    B --> C{Loop};
    C --> D{currentState == STATE_DRAWING?};
    D -- Yes --> E[handleIMU<br/>Read & Send Move Cmd];
    D -- No --> F[handleSwitches<br/>Process Buttons via State Machine];
    E --> F;
    F --> G[updateStatusLEDs];
    G --> C;

关键代码：状态机实现

handleSwitches() 函数是整个固件交互逻辑的核心。它通过一个 switch 语句实现了状态机，根据当前的 currentState 变量来决定如何响应用户的按键输入。

// file: RP2350_Draw_Controller.ino

void handleSwitches() {
  // ... 读取按键 ...

  switch (currentState) {
    case STATE_DRAWING:
      // 处理落笔、橡皮擦逻辑
      // 检测长按“确认键”进入 STATE_SETTING_MENU
      break;

    case STATE_SETTING_MENU:
      // 处理“+”/“-”在菜单项间导航
      // 检测长按“确认键”进入对应的编辑状态 (e.g., STATE_EDITING_THICKNESS)
      // 检测长按“取消键”返回 STATE_DRAWING
      break;

    case STATE_EDITING_THICKNESS:
    case STATE_EDITING_COLOR_R: // ... and other editing states
      // 处理“+”/“-”修改数值
      // 在修改颜色时，调用 updateNeopixels() 实时预览
      // 检测长按“确认键”保存修改，并返回 STATE_SETTING_MENU
      // 检测长按“取消键”放弃修改，并返回 STATE_SETTING_MENU
      break;
  }
}

上位机 (canvas_app.py)

软件流程图

graph TD
    subgraph Main Thread
        A[Start] --> B[Initialize UI - Tkinter Window, Canvas, Labels];
        B --> C[process_commands - runs every 100ms];
        C --> D{Is queue empty?};
        D -- No --> E[Get command from queue];
        E --> F[Process action - move, set_color, set_device_state];
        F --> G[update_status_bar];
        G --> C;
        D -- Yes --> C;
    end

    subgraph Background Thread
        H[listen_for_serial] --> I{Serial Data Received?};
        I -- Yes --> J[command_queue.put];
        J --> I;
        I -- No --> I;
    end

关键代码：指令处理与状态更新

process_commands() 方法是上位机应用的核心。它以非阻塞的方式从队列中获取并处理来自硬件的 JSON 指令，并更新 UI 界面。

# file: canvas_app.py

def process_commands(self):
    try:
        while not self.command_queue.empty():
            command = self.command_queue.get_nowait()
            action = command.get("action")
            payload = command.get("payload", {})
            
            # ... (处理 move, set_color, set_thickness 等)

            elif action == "set_device_state":
                self.device_state = payload.get("state", "Unknown")
                self.device_state_value = payload.get("value", "")
                needs_status_update = True
            
            if needs_status_update:
                self.update_status_bar()

    except queue.Empty:
        pass
    finally:
        self.root.after(100, self.process_commands)

实物功能展示图及说明

硬件连线图：黑色：GND 红色：5V 绿色和黄色：分别连接RP2350B和NRF52840的TX和RX

切换颜色到紫色#7300a5，开发板上状态灯实时变为紫色；

切换画笔粗细到21，可见上位机端的画笔粗细有相应变化。

切换画笔颜色到青绿色#73f5a5，开发板状态灯同步变化。

1. 绘图状态： 用户手持绘图笔，在空中倾斜。电脑屏幕上的 Python 画布程序中，一个十字光标会跟随笔的倾斜而移动。当用户按下“落笔”键时，光标走过的路径会留下由当前颜色和粗细决定的线条。此时，笔尖的 LED 灯珠显示着当前画笔的颜色（例如，红色）。Python 程序的状态栏显示 Device: Drawing。
2. 进入设置菜单： 用户长按“确认/修改”键后，进入设置模式。Python 程序的状态栏变为 Device: Thickness，表示当前可以对“画笔粗细”进行调整。用户短按“+”或“-”键，状态栏会依次切换显示 Device: Color R、Device: Color G 等，用于选择要修改的项目。
3. 编辑数值与实时预览： 当菜单停在 Color R 时，用户再次长按“确认/修改”键，进入编辑模式。状态栏显示 Device: Red: 100。用户每按一次“+”键，数值增加 5，状态栏同步更新为 Device: Red: 105。最关键的是，笔尖的 WS2812B 灯珠颜色会实时地根据临时的 R、G、B 值进行变化，直观地展示出正在调配的颜色。长按“确认”保存后，状态栏返回菜单模式，LED 灯珠保持新颜色。若长按“取消”，则状态栏返回菜单模式，LED 灯珠恢复到修改前的颜色。

项目中遇到的难题和解决方法

1. 难题：复杂的按键逻辑管理

• • 问题描述： 项目初期，需要处理“修改/确认”、“取消”、“+”、“-”四个按键的多种操作（长按、短按、重复触发），并根据当前是“绘图”还是“设置”状态做出不同响应。使用传统的 if-else 结构会导致代码逻辑极其混乱、难以维护。
  • 解决方法： 引入了有限状态机（FSM） 的设计模式。通过将程序流程划分为明确的几个状态（STATE_DRAWING, STATE_SETTING_MENU, STATE_EDITING_...），并在每个状态下独立处理按键逻辑，极大地简化了代码结构。这使得添加新功能或修改现有逻辑变得清晰而高效。

2. 难题：UI 布局与画布可用空间冲突

• • 问题描述： 在 Python 的 Tkinter 应用中，底部的状态栏不断增加新的信息标签后，挤占了主画布的垂直空间，但画布的逻辑尺寸并未改变。这导致光标无法到达画布的下边缘区域，影响了使用体验。
  • 解决方法： 调整了画布的初始尺寸。将分辨率从 800x600 更改为更宽的 1280x720 (720p)。这个简单的改动不仅为状态栏提供了充足的空间，也为用户提供了更舒适的绘图区域，解决了画布不可达的问题。

3. 难题：颜色调节缺乏直观反馈

• • 问题描述： 在最初的版本中，用户在编辑 R、G、B 值时，只有在按下“确认”键之后，笔尖的 LED 灯珠颜色才会更新。这使得颜色调节过程完全依赖于想象和猜测，非常不直观。
  • 解决方法： 对固件逻辑进行了优化。在进入颜色编辑状态时，将当前的颜色值存入临时变量。在用户按“+”或“-”调节数值时，立即使用临时颜色值去更新 WS2812B 灯珠。如果用户最终选择取消，则用保存的原始颜色值恢复灯珠显示。这一改进提供了实时颜色预览功能，极大地提升了用户体验。