利用W55MH32L-EVB构建一个实时UDP像素显示屏及舞台可视化器

迄今为止，我所创建的所有项目都使用了TCP(传输控制协议)。该协议属于所谓的TCP/IP模型的一部分，这一模型提供了分层框架，使我们的电脑和微控制器能够无缝协商数据包的传输。

以下是该模型的示意图：

TCP属于传输层，负责确保设备间数据可靠且高效地传输。使用TCP的优势在于能保证数据按原样准确送达。然而，本周我想尝试另一种传输层协议——UDP(用户数据报协议)。UDP适用于对速度要求高于精确性的情况。

在之前的一篇帖子中，我尝试过LED矩阵，并思考如何通过一个无输入延迟的模块来控制LED的某些方面。这正是本项目的灵感来源。在此项目中，我利用W55MH32L-EVB构建了一个实时UDP像素显示屏及舞台可视化器。系统通过W5500控制器以以太网方式接收RGB动画帧，并驱动一个5V 8×32柔性RGB LED矩阵。

它使用SSD1306 OLED显示屏，用于显示板卡的IP地址、测量帧率、丢帧次数以及旋转编码器值。此外，还配备了一个物理旋转编码器，可实时将控制遥测数据发送回主机PC，其数值可用于调节动画速度和亮度等参数。

硬件概览与接线

以下是本项目所用硬件的一些图片：

在开始编写代码之前，先来看看各组件如何连接到W55MH32L板：

8×32 WS2812B LED矩阵：

•数据输入(DIN)：PA7(或任意GPIO)

•电源与地：5V引脚和GND引脚

旋转编码器：

•通道A(CLK)：PA0(配置为内部上拉)

•通道B(DT)：PA1(配置为内部上拉)

•电源与地：3.3V引脚和GND引脚

SSD1306 OLED显示屏(I2C)：

•SCL：I2C1 SCL(PB6)

•SDA：I2C1 SDA(PB7)

•电源与地：3.3V引脚和GND引脚

•地址：0x3D(可通过i2c.scan()方法查找)

W5500以太网控制器(内置SPI)：

•片选(CS)：PB12

•复位(RST)：PD9

•接口：专用硬件SPI2总线

我们还需要用网线将电路板连接到路由器或以太网交换机，以便它能接入网络。

现在开始逐步分析代码!

你可以跳过部分说明，因为内容比较长。

最重要的设计思路包括：

- 使用UDP是因为LED动画需要高速度和低延迟。

- 帧ID功能使控制器能够检测丢失或过时的帧。

- LED索引映射隐藏了矩阵蛇形布线的复杂性。

- 编码器中断用于快速记录运动状态，而主循环则更新应用程序的状态。

- OLED屏幕定期刷新，避免干扰实时帧处理。

- 在可能的情况下，程序会优雅地处理硬件故障，确保控制器其余部分仍能正常运行。

这个MicroPython LED控制器的工作原理

该程序将微控制器转变为一个由网络控制的LED矩阵控制器。计算机通过UDP协议以太网发送动画帧，微控制器则在32×8的NeoPixel矩阵上显示这些帧。

同时，旋转编码器允许用户调整一个从0到100的数值，该数值通过UDP回传至计算机。OLED显示屏会显示主板的IP地址、帧率、丢包数量以及编码器数值。

计算机与板之间的通信使用UDP端口6454，板与计算机之间的通信使用UDP端口6455。

模块与初始化变量

1. 模块

这些模块提供了程序所需的功能：

•socket 提供 UDP 网络功能。

•struct 将值转换为紧凑的二进制数据包。

•time 提供延迟和毫秒计时器。

•machine 提供硬件功能，例如禁用中断。

•network 控制以太网接口。

•neopixel 控制 RGB LED 灯阵列。

•ssd1306 控制 OLED 显示屏。

•Pin 控制 GPIO 引脚。

•I2C 与 OLED 进行通信。

•SPI 与 W5500 以太网控制器进行通信。

我将使用这些行来分隔不同部分，以提高可读性。

2. 配置常量

LED矩阵宽32列，高8行：

每个NeoPixel需要三个颜色值：

每个颜色值通常在0到255之间，因此一个LED需要三个字节。

本项目中：

其余常量用于标识硬件引脚和通信设置：

LED矩阵使用PA7引脚。

旋转编码器使用两个信号引脚：

•PA0：编码器通道A

•PA1：编码器通道B

W5500以太网控制器通过SPI总线2(8 MHz)与微控制器通信。它还使用以下引脚：

•PB12作为片选

•PD9作为复位

UDP端口定义如下：

该板通过端口6454接收LED帧，并通过端口6455将编码器数据发送回计算机。

3. UDP帧格式

计算机发送的每个LED帧具有以下结构：

头部为：

这是一个两字节的标记，用于标识有效帧。

完整帧的大小为：

由于有效载荷包含768字节：

帧号为16位值，可使板卡检测到重复、过时或跳过的帧。

4. 全局应用状态

编码器值从50%开始。

编码器中断使用了多个变量：

中断例程不会直接修改encoder_value，而是将运动信息记录在encoder_delta中。主循环随后应用该变化。

这种分离很重要，因为中断处理程序应保持简短，并避免执行复杂操作。

其他变量用于跟踪网络连接和性能：

它们的用途如下：

•pc_ip：发送帧的计算机IP地址。

•frame_count：当前统计周期内处理的帧数量。

•dropped_frames：看似被跳过的帧数量。

•last_frame_id：最近接受的帧编号。

•last_stats_time：用于计算每秒帧数的时间戳。

启动序列

程序首先打印以下内容：

然后按以下顺序初始化硬件：

顺序是逻辑上的：

•初始化LED矩阵。

•尝试初始化OLED。

•配置编码器。

•构建LED接线图。

•初始化以太网。

然后检查以太网连接：

如果以太网初始化失败，程序会打印错误但继续运行。

最后，创建UDP套接字：

如果创建套接字失败，两个变量都将被设置为 None，从而使程序其余部分在不进行网络通信的情况下继续运行。

完整系统行为

在正常运行时，流程如下：

- 板子通电。

- 初始化 NeoPixel 矩阵、OLED、编码器和 W5500。

- 板子通过 DHCP 请求 IP 地址。

- 板子监听 UDP 端口 6454 上的 LED 数据帧。

- 计算机发送一个包含以下内容的数据帧：

- 两字节的头部

- 帧号

- 256 个 RGB 像素

- 计算机发送另一个包含以下内容的数据帧：

- 两字节的头部

- 帧号

- 256 个 RGB 像素

- 板子验证该数据帧。

- 板子将逻辑像素位置转换为物理矩阵位置。

- NeoPixel 矩阵显示该帧。

- 旋转编码器通过中断检测旋钮移动。

- 主循环将该移动转换为 0 到 100 之间的数值。

- 板子将修改后的数值通过 UDP 端口 6455 发送回计算机。

- OLED 显示网络和性能信息。

本文编译自hackster.io