为业余项目添加运动和方向感应

不知道为什么，一直以来，我业余就是爱好搞搞 LED 项目。就像我那句口头禅：“看到闪闪发光的 LED，我就会流口水。”最近，我迷上了在我的业余项目中添加运动和方向感应。实际上，我刚刚在一个 12 x 12 的乒乓球阵列上添加了该功能，每个乒乓球都配备一个三色 LED。

但是，或许我应该从头说起。大约在 2020 年春季，我与一位澳大利亚的退休工程师朋友 David Humrich 通过电子邮件聊天。David 告诉我，他买到一个小型矩阵式三色 LED，问我对如何使用它有何建议。在回信中，我发了一个简单蠕虫程序短视频，这是我在几年前用一个 8 x 8 LED 阵列实现的。

为 David 制作此视频时，我想起了一个搁置的项目，那就是做一个更大的阵列。我看过一些用乒乓球制作的非常有趣的显示器，所以我决定也这样做。我首先购买了一大袋物美价廉的乒乓球，然后将其粘成一个 12 x 12 = 144 的阵列（图 1）。

图 1：笔者自豪地拿着他的 12 x 12 的乒乓球阵列，每个乒乓球包含一个三色 LED（图片来源：Max Maxfield）

在 LED 选择方面，此类项目的绝佳选择是来自 Adafruit 的 NeoPixel，它基于 WS2818 三通道 LED 驱动器。比如 1376 灯带每米就有 30 个 NeoPixel。这条五米长的灯带提供了 150 个像素点：阵列使用 144 个，一个用作电压电平转换器，其余五个备用。我将灯带分割为单个像素点，然后在每个乒乓球的背面贴上一个像素点。

我最终采用了蛇形（之字形）布线模式，从一个角落开始，然后在阵列上来回穿梭。如果您决定打造自己的阵列，所有像素点的连接顺序实际上是无所谓的。我们把该阵列看成 12 列（X 轴）x 12 行（Y 轴），行和列的编号均从 0 到 11，像素点 [0,0] 位于左下角（面向阵列时）。然后，我们开始编写程序以驱动该阵列，我们使用了一个名字类似于 GetNeoNum() 的函数，它接受 X 和 Y 值作为参数，使用的算法取决于阵列布线方式，并且返回相应像素点在灯串中的编号。

为了驱动该阵列，我需要一个微控制器，它应具有合理的内存量、相对较快的时钟和相当高的处理能力，因为我计划实现一些有趣的效果，包括多色渐变。我选择了来自 Seeed Technology 的 102010328 Seeeduino XIAO（图 2）。XIAO 由 Atmel 的 ATSAMD21G18A-MUT SAMD21G18 微控制器驱动，仅有标准邮票大小，是 Seeeduino 系列中最小的 Arduino 兼容微控制器开发板。该微控制器采用 32 位 Arm Cortex-M0+ 处理器内核，运行频率为 48 MHz，并配备 256 KB 闪存和 64 KB SRAM。

图 2：适合试验板的 Seeeduino XIAO 是目前 Seeeduino 系列中最小的 Arduino 兼容微控制器开发板，为用户提供性能强大的 32 位 Arm Cortex-M0+ 处理器，运行频率为 48 MHz。（图片来源：Seeed Studio）

XIAO 有 11 个引脚，每个引脚都可以用作模拟输入、数字输入或数字输出。其中 10 个引脚支持脉冲宽度调制 (PWM)，1 个引脚配备数模转换器 (DAC)，从而提供真正的模拟输出能力。此外，如果需要，引脚 4 和 5 可用于支持 I²C 接口，引脚 6 和 7 可用于支持 UART 接口，而引脚 8、9 和 10 可用于支持 SPI 接口。

正如我之前所提，最近我迷上了在我的业余项目中添加运动和方向感应。作为测试案例，我决定在我的 12 x 12 乒乓球阵列上加入此功能。

我需要一个带微机电系统 (MEMS) 传感器的小型分线板 (BOB)，该传感器包含一个 3 轴加速计、一个 3 轴陀螺仪和一个 3 轴磁力仪。我很快意识到，操纵和理解原始传感器数据非常复杂，会让我的脑袋爆炸。作为替代方案，我选择使用 Adafruit 的 2472 BOB，它采用来自 Bosch 的 9 自由度 (DoF) BNO055 传感器。

图 3：除了 3 轴加速计、3 轴陀螺仪和 3 轴磁力仪外，Adafruit 2472 BOB 上的 BNO055 传感器还包含执行传感器融合的 Arm Cortex-M0 处理器。（图片来源：Adafruit）

BOB 使用双线 I²C 接口与 XIAO 微控制器通信。BNO055 的优点在于，它还包含一个 32 位 Arm Cortex-M0+ 处理器，该处理器从三个传感器中获取原始数据，执行复杂的传感器融合，并以我能使用的形式提供我所需要的数据。正如我们在此视频中看到的那样，我的第一项测试是将阵列水平放置，然后倾斜阵列，让一个“球”（像素点）围绕显示器“滚动”。

结语

第一项测试的结果比我预期的要好得多，但实际上，它相当简单。我只需要检测阵列的倾斜度何时超过某个值（当前设置为 10 度），然后让“球”以恒定的速度沿相应的方向移动。下一步将是更准确地模拟惯性和加速度等参数，然后利用这些功能来实现一系列游戏。

最主要的是，这些一次成功的实验激发了我的灵感，让我开始在其他项目中加入运动和方向感应，让这些项目更加酷炫。你呢？你有什么业余项目可以用上这些酷炫的运动和方向感应能力呢？