Arduino Modulino Pixels 教學

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什麼是 Arduino Modulino Pixels 模組？

Arduino Modulino Pixels 模組是一款創客友善模組，具有 8 個可單獨尋址的彩色 LED 和 Qwiic 介面。 Pixels 模組（Arduino 零件號碼 ABX00109）最初是作為更大的 Arduino Plug and Make 套件的一部分提供。它是一個相對複雜的模組，因為它採用了 32bit STMicroElectronics ARM 微控制器來處理 Arduino UNO R4 和各個紅綠藍（RG​​B）LED 之間的通訊。ARM Cortex M0 微控制器位於圖 1 的左下角。

本工程簡介探討了軟體介面和底層硬體。本文僅限於使用預設 Modulino 尋址方案的基本操作。它不包括高階操作，例如更改 Pixels 模組的位址或在同一 I2C 網路上操作多個 Pixels 板。如果您有興趣執行這些複雜的操作，請在下面發表評論。如果 Arduino 提供單獨的 Modulino 板，這些先進技術在未來將變得越來越重要。

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圖 1：Arduino Modulino Pixels 模組的圖像。 32bit STM ARM 微控制器在左下角可見。

Arduino Modulino Pixels 的軟體說明

Arduino 為 Modulino 模組提供了一個簡化的函式庫。此程式碼可以使用 Arduino IDE 的庫管理器安裝，如 Arduino 說明中所述。

Modulino 類別結構

Arduino Modulino 板的軟體介面使用類別結構進行處理。第一步是使用建構函數：

ModulinoPixels leds;

這將創建一個 LED 對象，然後可以使用多種方法對其進行操作，包括：

  • leds.clear(); 這是一種重載方法，用於清除單個或所有 LED。當不帶參數呼叫時，所有 LED 都會被清除。當使用索引 N 呼叫時，第 N 個 LED 被清除。
  • leds.set(); 這是一個用於設定 LED 強度和顏色的重載方法。
  • leds.show();此方法將由 clear() 和 set() 方法建立的內部資料傳輸到實體 LED。

modulino Pixels 的運作方式類似於雙緩衝區。我們使用 clear() 和 set() 方法來更改像素記憶體中的暫存器。這些變化發生在後台，對顯示沒有影響。只有當呼叫 show() 方法時，資料才會傳送到實體 LED。

技術提示：雙緩衝區是串列通訊的重要構建塊。它允許一次傳輸一份資料。當所有零件組裝完畢後，它們就可以同時呈現。例如，載入 LED 索引號、顏色和強度資料需要時間。然而，由 show() 方法觸發的單一事件可確保所有 LED 同時更新。

簡化的範例程式碼

為了更好地理解 Arduino Modulino Pixels 程式碼，請考慮這個簡化的程式碼清單。它展示如何配置 Arduino Modulino Pixels 模組。它示範如何設定顏色。最後，它展示如何使單一 LED 閃爍。與此程式碼相關的物理設定和視覺顯示如圖 2 所示。

#include <Modulino.h>

ModulinoPixels leds;                      // Constructor
ModulinoColor OFF(0, 0, 0); 
int brightness = 10;                      // Set brightness to 10 % as LEDs are very bright	

void setup() {
  Modulino.begin();
  leds.begin();
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}


void loop() {

// Example colors including the built in RED, GREEN, BLUE, VIOLET, and WHITE as well as 
// custom colors established using the 8-bit Red, Green, and Blue values

  leds.clear( );
  leds.set(0, RED, brightness);      
  leds.set(1, GREEN, brightness);
  leds.set(2, BLUE, brightness);
  leds.set(3, VIOLET, brightness);
  leds.set(4, WHITE, brightness);
  leds.set(5, 0, 128, 128, brightness);     // teal	
  leds.set(6, 255, 192, 203, brightness);   // pink
  leds.set(7, 100, 100, 0, brightness);     // yellow
  leds.show( );			                    // Transfers data from memory to the physical LEDs.


// Blink the RED LED located at position zero
 while (1) {
    leds.clear(0);
    leds.show( );
    delay(500);
    leds.set(0, RED, brightness);
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);          // Trigger used to visualize communications protocol
    leds.show( );
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    delay(500);
  }
}

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圖 2：使用介紹性 Pixels 程式碼清單的實體設定和結果。

技術提示：一些 Arduino Modulino Pixels 方法已重載。重載函數很容易被識別，因為多個方法定義共享相同的名稱。在此範例中，呼叫不帶參數的 clear() 將清除所有 LED。過載時 clear(N) 將清除第 N 個 LED。同樣，set() 方法將接受內建顏色或單獨的 8bit RGB 值。

通訊協議

Modulino Pixels 板的主要介面是 Qwiic 連接。 Arduino Pixels 板有兩個 Qwiic 連接器，允許多個板以菊鏈（daisy chained）方式連接在一起。

作為一項學術練習，探索用於透過 Qwiic 總線進行通訊的通訊協定是很有趣的。最初，正如本筆記前一部分所暗示的那樣，我假設每個方法都會發送大量資訊。例如，我假設 set() 和 clear() 方法在呼叫時會立即將資料傳送到 Pixels 模組。

事實並非如此，事實上，只有 show( ) 方法似乎將資料從 Arduino 傳送到 Pixels，如圖 3 所示，相關設定如圖 4 所示。無論哪種方式，在呼叫 show() 方法之前都不會顯示資料。請注意，圖 3 中傳輸了 32bit 組的資料。對框架的進一步發現留作批判性思考練習。

請注意，該取樣是使用 100kHz 時脈發送的。因此，發送整個取樣大約需要 3ms。

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圖 3：由 show( ) 方法啟動的、發送到 Arduino Pixels 模組的 I2C 取樣部分 此取樣以預設 Pixels 0x6C 位址開始。

技術提示：Qwiic 一詞是「快速」和「內部積體電路」(I2C) 兩個字的有趣組合。該系統確實快速且簡單，因為有許多 Qwiic 板可用。按此處了解有關 Qwicc 協議的更多資訊。

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圖 4：用於觀察 Arduino UNO R4 和 Pixels 模組之間通訊協定的設定。Digilent 的
ADP2230 Analog Discovery Pro 在背景中可見。

技術提示：設計通訊協定時通常需要妥協。例如，如果對單一 LED 進行單一更改，Pixels 庫將發送整個 33bit 資料包。雖然這需要高頻寬，但我懷疑一刀切的記憶體方案更容易作為 Arduino 庫和 Pixels 韌體進行編程和實現。

完結前的感想

Arduino Modulino Pixels 允許使用者快速連接三色 RGB LED 並進行實驗。透過 Qwiic 進行硬體連接非常簡單。物件導向的軟體對於新手程式設計師來說可能具有挑戰性，因為它涉及建構函數和點符號可存取的方法。我懷疑大多數程式設計師都會很快識別出這些模式。然而，他們需要相當長的時間才能理解結構，甚至需要更多的時間來建立自己的基於類別的程式。

就我個人而言，我很驚訝地發現 Pixels 板上有 32bit ARM Cortex M0。此外，資料框架比我想像的更複雜。即使發生單一 LED 變化，Arduino 也不會發送與每種方法相關的小訊息，而是發送整個 33 位元組打包（位址加 32 位元組）。

在我們得出結論時，請務必回顧本文附加的基本和批判性思考問題。

請在下面的空白處留下您的意見和問題。

相關資訊

問題

以下問題將有助於強化文章的內容。

  1. 方法與函數的比較與對照。

  2. 辨識語句 leds.show( ); 中的每個元件。

  3. 描述應用於 Arduino Modulino Pixels 的雙緩衝區方案。

  4. 如果程式設計師忘記使用 show() 方法會發生什麼情況？

  5. 如果程式設計師忘記使用 clear() 方法會發生什麼事？

  6. 描述 Qwiic 物理連接的屬性。提示：是否安裝錯誤？

  7. I2C 總線中上拉電阻的用途是什麼？提示：開漏電路

  8. 研究 Arduino UNO R4 和相關 Modulino 板的原理圖。I2C 匯流排的上拉電阻在哪裡？提示：幾乎每塊板都配備了電阻，但並未普遍安裝。

  9. Quiic 系統在電流和距離上有哪些限制？提示：Qwiic 連接系統 - SparkFun Electronics

  10. Modulino 的 Pixels 32bit 微處理器可以替換為 8bit 微控制器嗎？使用較小的 8bit 微控制器有哪些優點和缺點？

  11. 研究電磁干擾（EMI）和方波的諧波頻譜（傅立葉級數）。識別與 Qwicc 訊號、其 100kHz 時脈和非屏蔽線相關的潛在 EMI 問題。

批判性思考問題

這些批判性思考問題擴展了文章的內容，使您能夠對材料及其與相鄰主題的關係有一個全面的理解。它們通常是開放式的，需要研究，最好以論文形式回答。

  1. Modulino Pixels 函式庫似乎僅在呼叫 show( ) 方法時才傳送資料。該協議有哪些優點和缺點。

  2. 比較 I2C 和 SPI 通訊協定。請務必根據設備總數、線路數量、使用的數量和通訊速度來識別協定。

  3. 為了簡單起見，本文並沒有探討 discover() 方法。描述該方法以及何時使用該方法。提示：Modulino.h。

  4. 圖 3 顯示 32 位元組的資料從 Arduino 傳輸到 Modulino Pixels 板。反轉像素幀以確定每個位元組的含義。提示：所有 LED 的亮度都相同。此外，程式碼清單中的 LED 連續運行為紅色、綠色和藍色。最後，切換單一資料並觀察可能的單一位元組變化可能很有用。

  5. 為 Arduino Pixel 推薦兩個新協議。根據不同的使用者需求調整您的協議，例如經常更改單一 LED 的使用者和不經常更改所有 LED 的使用者。

  6. Arduino Plug and Make 產品旨在引入各種電子模組，而不需要麵包板，也無需複雜的設計。體現該產品對於創客和高等教育用戶的實用性。請務必描述使用者的體驗和學習成果。

  7. Arduino Modulino 軟體是根據什麼許可證發布的？如果您希望複製然後重新分發該軟體，會有什麼影響？

  8. 什麼是校驗碼？此應用程式是否可以保證額外的頻寬？