Frank14f/pinball_exp_rp5
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Frank14f 2026-06-11 19:49:42 +08:00
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40
README.md
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@ -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。
---

244
demo.py Normal file
View File

@ -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()