树莓派+.NET MF打造视频监控智能车——遥控篇

叶帆风

树莓派是最近比较火热的开源硬件，其设备只有信用卡大小，运行着Linux系统，专为学生编程教育而设计。我十多年的技术路线基本以学习微软的技术为主，中间也曾试图学习过linux，但是相对陡峭的学习曲线，只好让我放弃了。最近几年深入研究嵌入式系统，自然绕不过去linux学习这个坎。幸好有了树莓派，一是让人容易滋生学习的兴趣；二是全球范围内网友技术交流，便于问题的定位和解决；所以在学习的过程中，慢慢地解开了linux的神秘面纱，使得有机会一探linux设计架构之美。
以前用.NET Micro Framework系统做过一些智能车控制，但是功能相对简单。这次有了树莓派的加入，增加了Sony PS2遥控器、视频监控和机械手，便变得很有意思了。下图是设备连接的示意图：
从上图来看，功能还是相对比较复杂的，需要9路PWM，其中7路来自凌霄评估板（.NET Micro Framework开发板）3路控制机械手，余下的四路PWM和8个GPIO分别驱动四个马达；另外2路PWM来自树莓派，用来驱动摄像头云台（两自由度，可以水平和垂直旋转）；树莓派引出一个GPIO，用来控制LED闪烁，摄像头选取的是配套摄像头；由于Sony PS2接收器和凌霄评估板连接，所以还需要把一些按键信息通过串口发给树莓派，由树莓派驱动摄像头云台。
下图是组装好的设备图片：
为了让大家有一个直观的印象，先看一段演示视频：
由于需要介绍的内容相对较多，所以我们分四篇来讲解视频监控智能车的制作，分别为：

       

• 《遥控篇》：主要讲解Sony PS2遥控器信号接收处理；       
  
• 《控制篇（.NET MF）》：主要讲解用.NET MF如何驱动小车和控制机械手；       
  
• 《控制篇（树莓派）》：主要讲解如何用树莓派驱动GPIO、PWM和串口通信；       
  
• 《视频篇》：主要讲解视频服务的搭建，远程视频观看及自启动程序的配置。
  

本篇先介绍Sony PS2遥控器信号获取。
A 遥控器说明
Sony PS2游戏机手柄有两个摇杆，14个功能键（不包含模式键），非常适合我们控制复杂的系统，比如控制机械手、摄像头云台、小车行进及速度快慢。
目前网上购买一个这样的游戏手柄大概40元左右的样子，性价比还是非常高的。
B 设备接线
购买游戏手柄的时候已经包含了一个接收头了。有些店家还额外提供两种转接头，一种是SPI接口的，一种是串口的。SPI接口的其实就是进行了一个电平转换（3V3=>5V）,没有进行什么特别的处理。串口的转接头是中间加了一个AVR单片，可以主动把采集的按键信息，通过串口（TTL电平）发送出去。使用相对简单，但是功能上有问题，一是程序似乎有bug，在操作PSB_PINK和PSB_BLUE按键的时候，其返值和其它按键不同（PSB_PINK仅抬起发键值，PSB_BLUE按下和抬起都发键值，其它键都是按下发键值）。另外摇杆的键值是必须按下L2或R2时，才发送对应摇杆的X/Y值，此外多个按键如果同时按下，是无法区分的。
所以我们选用SPI接口的（其实我们也可以直接把手柄接收头和我们的凌霄系统进行连接，只是增加转接板便于接线）。
凌霄评估板包含一个USB、一个TF卡槽和一路RS485接口，另外直接引出31个PIN（两个标准.NET Gadgeteer接口和一个子板接口）。提供2路SPI、1路I2C、5个串口、16路PWM、12路AD、2路DA、若干GPIO（Pin脚会有复用）。
四个马达，两个驱动器供分别需要4个GPIO和2路PWM，为了便于连接，我们分别通过.NET Gadgeteer接口提供，所以遥控手柄接收器我们连接在子板接口上。
接线如下：
Mainboard.SubPort.Pin2 （5V）   --  电源（4.vcc，如果是直接连，则连接Pin1 3V3）

Mainboard.SubPort.Pin12（PA5）  --  att（6.ATT选取）

Mainboard.SubPort.Pin10（PA7）  --  cmd（2.命令）

Mainboard.SubPort.Pin8（PC7）   -- dat（1.资料）

Mainboard.SubPort.Pin14（PB3）  -- clk（7.时钟）

Mainboard.SubPort.Pin3 （GND）  -- 地（GND）
【注】中间的四个GPIO可以任意，只要在程序中指定就可以。
C 用户驱动开发
虽然接口类似SPI，但是实际用SPI接口去通信，设置各种模式（A/B/C/D四种模式），通信都不正常（返回0xFF等系列值）。所以我们采用用户驱动，用C++进行开发。
用户驱动我已经写过几篇文章了，请网友自行参考《.NET Micro Framework之MDK C++二次开发》。
我们直接从Arduino相关驱动进行修改移植，包含两个文件：ps2x_lib.h和ps2x_lib.cpp。
我们需要修改和GPIO操作、时钟操作相关的部分。
在config_gamepad函数中我们添加GPIO初始化相关代码
MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(att,FALSE);MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(cmd,FALSE);MF->CPU_GPIO_EnableInputPin(dat,FALSE,NULL,GPIO_INT_NONE,RESISTOR_PULLUP);MF->CPU_GPIO_EnableOutputPin(clk,FALSE);原GPIO操作代码：
inline void  PS2X::CMD_SET(void) {*_cmd_lport_set |= _cmd_mask;}inline void  PS2X::CMD_CLR(void) {*_cmd_lport_clr |= _cmd_mask;}inline void  PS2X::ATT_SET(void) {*_att_lport_set |= _att_mask;}inline void PS2X::ATT_CLR(void) {*_att_lport_clr |= _att_mask;}inline bool PS2X:AT_CHK(void) {return (*_dat_lport & _dat_mask)? true : false;}修改为：
// On pic32, use the set/clr registers to make them atomic...inline void  PS2X::CLK_SET(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_CLK_Pin,TRUE);}inline void  PS2X::CLK_CLR(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_CLK_Pin,FALSE);}inline void  PS2X::CMD_SET(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_MO_Pin,TRUE);}inline void  PS2X::CMD_CLR(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_MO_Pin,FALSE);}inline void  PS2X::ATT_SET(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_CS_Pin,TRUE);}inline void PS2X::ATT_CLR(void) {MF->CPU_GPIO_SetPinState(SPI_CS_Pin,FALSE);}inline bool PS2X:AT_CHK(void) {return MF->CPU_GPIO_GetPinState(SPI_MI_Pin);}定义几个宏：
#define delayMicroseconds    MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled#define millis()                   (MF->HAL_Time_CurrentTime()/1000)#define delay(x)                      MF->HAL_Time_Sleep_MicroSeconds_InterruptEnabled(1000*x)由于没有map函数，需要我们自己实现：
int map(INT32 x, int in_min, int in_max, int out_min, int out_max){return(x -in_min)*(out_max -out_min)/(in_max -in_min)+out_min;}另外就是重定义一些变量类型了，这里就不详述了。
下面说一下用户驱动接口的编程：
我们通过GeneralStream_Open2_UserDriver接口传递一个32位整型数，传入四个GPIO的值。
int GeneralStream_Open2_UserDriver(int config){//必须第一个执行InitUserDriver();//获取系统函数的指针MF = (IGeneralStream_Function*)config;//配置IOatt = (UINT8)(MF->iParam1>>24 & 0xFF);cmd=  (UINT8)(MF->iParam1>>16 & 0xFF);dat=  (UINT8)(MF->iParam1>>8 & 0xFF);clk = (UINT8)(MF->iParam1>>0 & 0xFF);……}这里我们用到一个.NET Micro Framework PAL底层特有的一个功能函数：HAL_COMPLETION。可以定时去执行一个函数，类似一种多线程机制（可以定义多个）。
我们定义一个20ms执行的扫描函数，用来扫描键值：
hcHander = MF->HAL_COMPLETION_Initialize(ScanKey,NULL);
MF->HAL_COMPLETION_EnqueueDelta(hcHander,20000);  //20ms执行一次
完整的扫描函数代码如下：
void ScanKey(void *arg){if(error == 1 || type == 2){InitPS2();MF->HAL_COMPLETION_EnqueueDelta(hcHander,1000000);  //1s执行一次if(error == 1 || type == 2)return;}//读状态ps2x.read_gamepad(false, vibrate);UINT8 button = 0;for(int i=0;i<16;i++){if(ps2x.NewButtonState(Buttons)){button = ps2x.Button(Buttons);//MF->debug_printf("%s:%d ",ButtonNames,button);//MF->lcd_printf("%s:%d             ",ButtonNames,button);if(button) ButtonState |= 1<<i;else  ButtonState &= ~(1<<i);//触发事件MF->Notice_GenerateEvent(UserDriver_Hander,(byte)i<<16 | button );}}UINT8 lx=ps2x.Analog(PSS_LX);UINT8 ly=ps2x.Analog(PSS_LY);UINT8 rx=ps2x.Analog(PSS_RX);UINT8 ry=ps2x.Analog(PSS_RY);ButtonAnalog = lx<<24 | ly<<16 | rx<<8 | ry;if(frist!=1){if(lx!=olx || ly!=oly){//MF->lcd_printf("lx:%d ly:%d     ",lx,ly);//触发事件MF->Notice_GenerateEvent(UserDriver_Hander,(byte)16<<16 | lx<<8 | ly );}if(rx!=orx || ry!=ory){//MF->lcd_printf("rx:%d ry:%d     ",rx,ry);//触发事件MF->Notice_GenerateEvent(UserDriver_Hander,(byte)17<<16 | rx<<8 | ry );}}olx=lx;oly=ly;orx=rx;ory=ry;frist=0;MF->HAL_COMPLETION_EnqueueDelta(hcHander,20000);       //20ms执行一次}为了便于同时获取键值和摇杆值，我们还封装了一个接口，代码如下：
int GeneralStream_IOControl2_UserDriver(int code,int parameter){//获取当前按键状态if(code == 0) return ButtonState;else if(code == 1) return ButtonAnalog;return -1;}以上代码编译成bin文件，通过YFAccessFlash直接部署到设备中即可。
下面我们介绍一下，用户C#代码
我们先做一个简单的封装：
public PS2(Cpu.Pin clk,Cpu.Pin cmd,Cpu.Pin att,Cpu.Pin dat )     {            gs = new GeneralStream();            if (gs.Open("UserDriver", (int)((int)clk << 24 | (int)cmd << 16 | (int)att << 8 | (int)dat)) <= 0)            {                throw  new Exception("Open UserDriver failed!");            }            gs.Notice += new GeneralStreamEventHandler(gs_Notice);     }     void gs_Notice(uint hander, uint data, DateTime timestamp)     {            //Debug.Print(hander.ToString() + " - " + data.ToString());            if (hander == 1)            {                Key key = (Key)(data >> 16 & 0xFF);                int state = 0,x=0,y=0;                if (key == Key.LRocker || key == Key.RRocker)                {                    x = (int)(data >> 8 & 0xFF);                    y = (int)(data & 0xFF);                }                else                {                   state = (int)(data & 0xFF);                }                if (Click != null) Click(this, new ButtonArgs(key, state, x, y));            }}    public class Program    {        public static void Main()        {            PS2 ps2 = new PS2(Mainboard.SubPort.Pin12, Mainboard.SubPort.Pin10, Mainboard.SubPort.Pin8, Mainboard.SubPort.Pin14);            ps2.Click += new PS2.ClickHandle(ps2_Click);            Thread.Sleep(Timeout.Infinite);        }        static void ps2_Click(object sender, PS2.ButtonArgs e)        {            Debug.Print(e.ToString());        }    }
D用户应用程序功能测试
接上设备，把以上的程序运行，操作游戏机手柄，我们就可以看到按键信息了。
小结：
1、 有了用户驱动C/C++二次开发接口，很容易移植相关C/C++代码。
2、 .NET Micro Framework的封装性能，让用户程序仅关注业务逻辑即可，显得非常的简单易用。
3、 VS2010/VS2012可以在线调试.NET Micro Framework（加断点、单步执行等等），便于问题诊断和调试。

       

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