From 4d14308da2f4a7364e474205bbbe69420e1d7b94 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Frank14f Date: Thu, 11 Jun 2026 19:49:42 +0800 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E4=B8=8A=E4=BC=A0=E6=96=87=E4=BB=B6=E8=87=B3?= =?UTF-8?q?=20/?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- README.md | 40 +++++++-- demo.py | 244 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 2 files changed, 276 insertions(+), 8 deletions(-) create mode 100644 demo.py diff --git a/README.md b/README.md index 293dcb1..b4c2893 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -306,7 +306,8 @@ pinball_exp_rp5/ ├── drv_encodermotor.py # 编码器电机驱动模块 — 控制圆柱旋转（I2C 通信） ├── drv_stepmotor.py # 步进电机驱动模块 — 控制圆柱平移（I2C + PWM） │ -├── test.ipynb # 教学演示 Notebook（Jupyter 笔记本） +├── test.ipynb # 教学演示 Notebook（Jupyter 笔记本，可在 VS Code 中直接打开） +├── demo.py # 精简版演示脚本（一个文件涵盖所有模块，适合快速上手） └── signal_features.json # 实验信号参数（已脱敏处理） ``` @@ -314,26 +315,49 @@ pinball_exp_rp5/ ## 8. 如何运行 +本项目提供了两种运行方式： + +### 方式一：运行 `demo.py`（最简方式） + ```bash # 1. 激活虚拟环境（如果之前创建了虚拟环境） source venv/bin/activate -# 2. 启动 Jupyter Notebook +# 2. 直接运行 demo.py +python3 demo.py +``` + +`demo.py` 是一个精简的演示脚本，把所有功能写在一个文件里，运行后会自动在终端打印每一步的说明。适合第一次接触本项目时快速了解全貌。 + +### 方式二：在 VS Code / Jupyter Notebook 中打开 `test.ipynb` + +`test.ipynb` 是 Jupyter Notebook 格式的文件，把文字说明和代码分块组织在一起，更适合逐步学习。 + +**在 VS Code 中打开：** + +如果你使用 VS Code（推荐），直接双击 `test.ipynb` 文件即可在 VS Code 中打开。VS Code 内置了对 `.ipynb` 文件的支持，无需额外安装 Jupyter 服务器。打开后： + +- 每个代码块（Cell）左侧有一个 ▶ 播放按钮，点击即可运行 +- 也可以按 `Shift + Enter` 运行当前 Cell 并跳转到下一个 +- 运行结果会直接显示在 Cell 下方 + +**在浏览器中使用 Jupyter Notebook：** + +```bash +# 1. 激活虚拟环境（如果之前创建了虚拟环境） +source venv/bin/activate + +# 2. 启动 Jupyter Notebook 服务器 jupyter notebook # 3. 终端会显示一个链接（类似 http://127.0.0.1:8888/）， # 用浏览器打开这个链接 # 4. 在浏览器中点击 test.ipynb 文件 - -# 5. 在 Notebook 中按顺序从上到下运行每个 Cell（代码单元格）： -# - 点击一个 Cell 选中它 -# - 按 Shift + Enter 运行当前 Cell 并自动跳转到下一个 -# - 也可以点工具栏上的 "Run" 按钮 ``` > **什么是 Jupyter Notebook？** -> Jupyter Notebook 是一种交互式的编程环境，把代码、运行结果、文字说明放在一个文件（`.ipynb`）中。每个代码块叫做一个"Cell"，可以单独运行，非常适合教学和实验。 +> Jupyter Notebook 是一种交互式的编程环境，把代码、运行结果、文字说明放在一个文件（`.ipynb`）中。每个代码块叫做一个"Cell"，可以单独运行，非常适合教学和实验。VS Code 也支持直接打开 `.ipynb` 文件。 --- diff --git a/demo.py b/demo.py new file mode 100644 index 0000000..d1e7198 --- /dev/null +++ b/demo.py @@ -0,0 +1,244 @@ +""" +============================================================================ +圆柱水槽控制系统 — 精简演示脚本 +============================================================================ + +本脚本演示三个驱动模块的基本用法，适合第一次接触本项目时快速了解全貌。 + +运行方式： + python3 demo.py + +注意事项： + ⚠️ 所有涉及真实硬件的操作都会打印 [需要硬件] 标记。 + 如果你没有连接实际硬件，可以阅读代码和打印输出来了解流程。 +============================================================================ +""" + +# ============================================================ +# 第一步：导入依赖 +# ============================================================ +# 导入时间模块，用于延时和计时 +import time +# 导入数学模块，用于数学计算（如正弦函数） +import math + +# 导入三个驱动模块（请确保这些 .py 文件与本脚本在同一目录下） +# 编码器电机驱动 — 控制圆柱旋转 +from drv_encodermotor import EncoderMotorDriver, SPEED_MODE +# 步进电机驱动 — 控制圆柱平移 +from drv_stepmotor import StepMotorDriver +# ADC 驱动 — 采集应变片电压信号 +from drv_adc import ADS124S08 + + +# ============================================================ +# 第二步：EncoderMotor（编码器电机）演示 — 控制圆柱旋转 +# ============================================================ +def demo_encodermotor(): + """ + 演示编码器电机的速度控制流程。 + 通过 I2C 总线与 M5Stack 4EncoderMotor 模块通信。 + """ + print("=" * 60) + print("【EncoderMotor】编码器电机演示 — 控制圆柱旋转") + print("=" * 60) + + # 使用 with 语句创建驱动实例，退出后自动释放 I2C 资源 + # bus=1 表示使用树莓派的 I2C 总线 1（/dev/i2c-1） + with EncoderMotorDriver(bus=1) as driver: + + # 1. 设置通道 0 为速度模式（SPEED_MODE） + # 速度模式下，电机会自动维持设定的目标转速 + print(" [需要硬件] 设置通道 0 为速度模式...") + driver.set_mode(0, SPEED_MODE) + + # 2. 配置速度 PID 参数 + # kp（比例）、ki（积分）、kd（微分）配合使速度控制更精确 + print(" [需要硬件] 配置 PID 参数 (kp=1, ki=100, kd=1)...") + driver.set_speed_pid(0, kp=1, ki=100, kd=1) + + # 3. 启用软启停功能，让电机加减速更平滑 + print(" [需要硬件] 启用软启停...") + driver.set_soft_start_and_stop(0, True) + + # 4. 设置目标线速度（单位：米/秒） + # 正数 = 正转，负数 = 反转 + print(" [需要硬件] 设定目标速度：0.02 m/s") + driver.set_linear_speed_m_s(0, 0.02) + + # 等待 1 秒让电机跑起来 + time.sleep(1) + + # 5. 读取编码器数值（电机转过的脉冲数） + print(" [需要硬件] 读取编码器数值...") + encoder_val = driver.get_encoder_value(0) + print(f" 编码器数值：{encoder_val}") + + # 6. 读取电机总电流 + print(" [需要硬件] 读取电机电流...") + current = driver.get_motor_current() + print(f" 总电流：{current:.4f} A") + + # 7. 速度归零，停止电机 + print(" [需要硬件] 停止电机...") + driver.set_linear_speed_m_s(0, 0.0) + time.sleep(1) + + # 退出 with 语句块，I2C 连接自动关闭 + print(" [完成] EncoderMotor 演示结束，资源已释放\n") + + +# ============================================================ +# 第三步：StepMotor（步进电机）演示 — 控制圆柱平移 +# ============================================================ +def demo_stepmotor(): + """ + 演示步进电机的控制流程。 + 通过 I2C + 硬件 PWM 与 M5Stack StepMotor Driver 模块通信。 + 三个步进电机共享同一路 PWM 脉冲，但方向可独立控制。 + """ + print("=" * 60) + print("【StepMotor】步进电机演示 — 控制圆柱平移") + print("=" * 60) + + # 创建驱动实例（这里演示用 try/finally 手动释放资源） + drv = StepMotorDriver() + try: + # 1. 使能电机 — 让电机驱动芯片开始接收脉冲 + print(" [需要硬件] 使能电机...") + drv.enable_motor() + + # 2. 复位所有 3 个电机通道（恢复到初始状态） + print(" [需要硬件] 复位所有电机通道...") + for i in range(3): + drv.reset_motor(i, True) + + # 3. 设置运动方向（True=正向，False=反向） + print(" [需要硬件] 设置方向为正向...") + drv.set_dir(True) + + # 4. S 曲线加速启动（速度 0.02 m/s，用 0.1 秒加速到目标） + # 加速曲线用了余弦函数，非常平滑 + drv.ramp_time = 0.1 # 为了演示，把加减速时间设短 + print(" [需要硬件] S 曲线加速启动 (0.02 m/s)...") + drv.start(0.02) + time.sleep(1) + + # 5. 在运行中切换速度（0.04 m/s） + print(" [需要硬件] 切换速度 (0.04 m/s)...") + drv.change_speed(0.04) + time.sleep(1) + + # 6. S 曲线减速停止 + print(" [需要硬件] S 曲线减速停止...") + drv.stop() + + print(" [完成] StepMotor 演示结束\n") + + finally: + # 释放资源（停止电机、关闭 I2C 和 PWM） + drv.close() + + +# ============================================================ +# 第四步：ADC（模数转换器）演示 — 采集电压信号 +# ============================================================ +def demo_adc(): + """ + 演示 ADC 的数据采集流程。 + 通过 SPI 总线与 ADS124S08 芯片通信，读取应变片电压信号。 + """ + print("=" * 60) + print("【ADC】模数转换器演示 — 采集电压信号") + print("=" * 60) + + # 创建 ADC 实例（构造函数会自动完成上电和初始化） + adc = ADS124S08() + try: + # 1. 配置 PGA（可编程增益放大器） + # pga_en=1 启用放大，gain=5 对应 ×32 倍 + print(" [需要硬件] 配置 PGA (×32 倍)...") + adc.set_pga(pga_en=1, gain=5) + + # 2. 配置数据速率和转换模式 + # dr=8 对应 200 SPS（每秒 200 次采样） + # mode=1 单次转换模式（每次触发转换一次） + print(" [需要硬件] 配置数据速率 (200 SPS, 单次模式)...") + adc.set_datarate(dr=8, mode=1) + + # 3. 读取三个通道（0, 1, 2）的数据 + # 返回 24 位有符号整数的列表 + print(" [需要硬件] 读取通道 0/1/2...") + channels = [0, 1, 2] + raw_values = adc.request_channels(channels=channels) + print(f" 原始采样值：{raw_values}") + + # 4. 将 ADC 原始值转换为电压 + print(" 转换为电压值：") + for ch, raw in zip(channels, raw_values): + voltage = adc.convert_to_voltage(raw) + print(f" 通道 {ch}：{voltage:.6f} V") + + print(" [完成] ADC 演示结束\n") + + finally: + # 关闭 SPI 总线，释放 GPIO 引脚 + adc.close() + + +# ============================================================ +# 第五步：信号生成演示（纯数学计算，无需硬件） +# ============================================================ +def demo_signal_generation(): + """ + 演示如何根据频率分量合成周期运动信号。 + 这是控制循环中的核心算法，不需要硬件即可运行。 + """ + print("=" * 60) + print("【信号合成】周期运动信号生成演示（纯软件，无需硬件）") + print("=" * 60) + + # 定义一组简化的信号特征（包含均值 + 两个正弦波分量） + signal_feature = { + "mean": 0.0, # 均值（直流分量） + "components": [ # 正弦波分量列表 + (0.27, 0.005, -1.5), # (频率Hz, 幅值, 相位rad) + (0.81, 0.001, 2.8), # (频率Hz, 幅值, 相位rad) + ] + } + + # 在 3 秒内每隔 0.5 秒生成一个信号值 + print(" 时间(s) | 信号值(m/s) ") + print(" -------|-------------") + t = 0.0 + while t <= 3.0: + # 合成信号：均值 + 各正弦分量之和 + value = signal_feature["mean"] + for freq, amp, phase in signal_feature["components"]: + value += amp * math.cos(2 * math.pi * freq * t + phase) + print(f" {t:5.1f} | {value:+.6f}") + t += 0.5 + + print(" [完成] 信号合成演示结束\n") + + +# ============================================================ +# 主程序入口 +# ============================================================ +if __name__ == "__main__": + print() + print("⏺ 圆柱水槽控制系统 — 精简演示") + print("⏺ 本脚本将逐个演示三个驱动模块和信号生成功能") + print() + + # 逐个执行演示（按顺序注释掉可以单独运行某个演示） + demo_encodermotor() + demo_stepmotor() + demo_adc() + demo_signal_generation() + + print("=" * 60) + print("所有演示已完成。") + print("提示：运行 test.ipynb 可以获得更详细的分步讲解。") + print("=" * 60) + print()