Joy Ball Wizzard mit MicroPython und ESP8266 - Teil 2

Gesamtaufbau

Gesamtaufbau

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Nach dem Aufbau der Mechanik und den Funktionstests der Hardware in Teil 1 starten wir heute mit der Programmierung einer Spielvariante und einem Blick hinter die Kulissen. Wir schauen uns an, wie ein Servo funktioniert und welchen Beitrag dazu unser Servotreiber-Modul PCA9685 leistet. Dabei erfahren Sie auch, wie man aus den Informationen des Datenblatts ein eigenes MicroPython-Modul baut. Damit willkommen zu einer neuen Episode aus der Reihe

MicroPython auf dem ESP32 und ESP8266

heute

Der Joy Ball Wizzard (Teil2)

Die benötigten Teile für die Mechanik und die Hardware habe ich hier noch einmal im Überblick zusammengestellt. Eine detaillierte Beschreibung für den Zusammenbau finden Sie, zusammen mit dem Schaltplan der Elektronik und der Hardware-Beschreibung, im Teil1.

Material für die Mechanik

4

Pappelsperrholz von 8mm; 180 x210mm

2

Holzleiste 15x19mm; 180mm als Auflager

4

Sperrholzleisten 8mm; 15mmx180mm einseitig abgeschrägt

2

Lederstreifen ca. 1mm stark; 30x180mm als Scharnier

4

Holzdübel 6mm Ø

1

ebene Leiterplatte 150x180mm

2

Kunststoff- oder Aluwinkel 15x25mm; ca 100mm lang

4

Spax-Schrauben 3x10mm

12

Spax-Schrauben 3x20mm

1

Stahlkugel 8..10mm

diverse

Lötnägel 8mm und 10mm überstehend

ca.2m

versilberter Kupferdraht

etwas

Kontaktkleber und Holzleim

2

2-adrige Kabel ca. 30cm

2

2-polige Stiftleisten

2

MG90S Micro Servomotor kompatibel mit Arduino

2

Schrauben oder Stifte optional: mit Kugellager


Werkzeug

Schraubendreher, Stechahle, Laubsäge, Bohrer 2mm Ø + 6mm Ø, kleine Flachzange, Lötgerät,

Abbildung 1: Plattenaufbau mit Servos

Abbildung 1: Plattenaufbau mit Servos

Hardware

1

NodeMCU Lua Amica Modul V2 ESP8266 ESP-12F WIFI WLAN unverlötet mit CP2102 oder
NodeMCU Lua Lolin V3 Module ESP8266 ESP-12F

1

0,91 Zoll OLED I2C Display 128 x 32 Pixel

1

KY-023 Joystick-Modul oder PS2 Joystick Shield Game Pad Keypad V2.0

1

ADS1115 ADC Modul 16bit 4 Kanäle für Raspberry Pi

1

Servotreiber-Modul PCA9685

1

LM2596S Step-down DC-DC Buck Converter mit 3-stelliger Digitalanzeige oder

LM2596S DC-DC Netzteil Adapter Step down Modul

2

Widerstand 10kΩ

diverse

Jumperkabel

2

Minibreadboard oder

Breadboard Kit - 3 x 65Stk. Jumper Wire Kabel M2M und 3 x Mini Breadboard 400 Pins

Abbildung 2: Joy Ball Wizzard-Schaltung

Abbildung 2: Joy Ball Wizzard-Schaltung

Eine größere Darstellung gibt es hier als PDF-Dokument.

Einen Servo ansteuern, wie geht das?

Andere Fragestellung: Warum bleibt ein Elektromotor an einer bestimmten Drehposition einfach stehen?

Ein Servomotor, kurz Servo, besteht aus einem Elektromotor, der über eine Getriebeuntersetzung einen Hebelarm antreibt. Warum der keine ständige Drehbewegung durchführt, liegt daran, dass an die Drehachse ein Potentiometer angekoppelt ist, also ein einstellbarer Widerstand. Die Drehbewegung stoppt, wenn das Signal von der Servo-Eingangsleitung mit dem vom Poti hervorgerufenen Signal übereinstimmt.

Über die Eingangsleitung (gelb oder orange) des Servos wird aber keine variable Gleichspannung übertragen, sondern Impulse von bestimmter Länge. Die Pulsdauer liegt zwischen 0,3ms (Rechtsanschlag oder 0°) und 2,3ms (Linksanschlag oder 180°) und wird im Rhythmus von 20ms wiederholt. Innerhalb dieser Periodendauer könnte man daher, mit nur einem Zeitgeber durch eine geschickt gestaffelte Zeitsteuerung über Software, an bis zu acht IO-Pins Servomotoren unabhängig voneinander steuern. Das macht der Mikrocontroller mit dem ATMega328 genau in dieser Form über eine entsprechende Library. Ich habe so etwas auch schon einmal in AVR-Assembler umgesetzt. Spannende Sache!

Abbildung 3: Servoimpulsfolge

Abbildung 3: Servoimpulsfolge

Unsere Servosteuerung mit dem Chip PCA9685 arbeitet ähnlich, indem je Kanal innerhalb von 4096 möglichen Zeitpunkten die Ausgangsleitung ein- und ausgeschaltet wird. Die Zeitpunkte geben wir vor, indem wir deren Nummern in entsprechende Register schreiben. Den Rest erledigt der PCA9685. Der Baustein kommt eigentlich aus der LED-Ecke, ist aber auch hervorragend für die Steuerung von Servomotoren geeignet. Das Datenblatt bietet NXP zum Download an. Auf dieser Grundlage habe ich ein MicroPython-Modul mit der Klasse PCA9685 programmiert. Damit werden wir uns gleich beschäftigen, nachdem ich noch auf ein paar Einzelheiten des Chips eingegangen bin.

Der PCA9685 wird über I2C-angesteuert und bietet zur Adressierung 6 Adressleitungen A0 bis A5, die durch Lötbrücken gejumpert werden können und so eine sehr flexible Auswahl einer Hardware-Adresse aus 62 möglichen erlauben. Wir benutzen die Basisadresse 0x40. Die Eingänge sind 5V-resistent, daher kann das Modul auch an einem ATMega328 Mikrocontroller betrieben werden. Jeder der 16 Ausgänge wird durch zwei mal zwei Register im Zeitverhalten gesteuert. Weil für jeden Schaltvorgang ein Wert von 0 bis 4095 möglich ist, brauchen wir zwei Bytes für dessen Speicherung. Die PWM-Frequenz wird vom internen 25MHz-Takt abgeleitet und kann für alle Ausgänge gemeinsam zwischen 24Hz und 1526Hz eingestellt werden. Innerhalb des durch die Periodendauer festgelegten Zeitfensters, kann in einer Abstufung von 0 (0%) bis 4095 (100%) die Pulsweite des Ausgangssignals (aka Dutycycle) programmiert werden. Weil die Startzeit des Ausgangspulses und seine Abfallzeit unabhängig voneinander gesetzt werden können, ist nicht nur die Pulsdauer mit einer Auflösung von 1 / (PWM_Frequenz * 4096) einstellbar, sondern der Puls ist innerhalb der Periodendauer auch noch frei verschiebbar. Für die potenzielle Erweiterung des Spiels durch zusätzliche Servos ist das Modul daher erste Sahne, zumal die GPIO-Pins des ESP8266 anderweitig gebraucht werden.

Eine recht unangenehme Entdeckung habe ich beim ESP32 mit den Firmware-Versionen 1.17 und 1.18 gemacht. Dort funktioniert die PWM-Steuerung aus unersichtlichen Gründen erst ab 700Hz. Das ist für Servos völlig von der Reihe und der Grund, weshalb ich mich für den PCA9685 entschieden habe.

Die Klasse PCA9685

Kommen wir zur Klasse PCA9685. Die Klassendefinition beginnt wie üblich mit dem Schlüsselwort class und dem Namen PCA9685, der Körper der Klasse wird eingerückt. Es folgen eine ganze Reihe von Konstanten-Definitionen, auf die ich nicht einzeln eingehe. Es handelt sich um die Benennung von Registern und Flags. Alle beginnen mit einem Großbuchstaben, so werden die Bezeichner im Programm als Namen für Konstanten erkennbar.

Jede Klasse braucht einen sogenannten Konstruktor, nach dessen Bauplan Objekte der Klasse abgeleitet werden können. Der Konstruktor in einer MicroPython-Klasse ist eine Methode mit dem festen Namen __init__(). Später, beim Aufruf, wird dann statt __init__ der Name der Klasse benutzt, hier also PCA9685.

    def __init__(self,i2c, hwadr=None, oe=None, freq=None):
       self.i2c=i2c
       if oe is not None:
           self.oe=Pin(oe,Pin.OUT,value=1)
       else:
           self.oe=None
       if hwadr is None:
           self.hwadr=HWADR
       else:
           self.hwadr=hwadr
       self.resetDevice()
       if freq is not None:
           self.freq=freq
       else:
           self.freq=SERVO_FREQ
       self.start(self.freq)
       self.setAutoInc()
       print("Constructor PCA9685, HWADR=",hex(self.hwadr))

Der Parameter und das Prefix self stellt eine Referenz auf das später erzeugte Objekt dar. Damit die restlichen Parameter i2c, hwadr, oe und freq den Methoden der Klasse zur Verfügung stehen, werden die übergebenen Objekte an Instanzvariablen übergeben, die ebenfalls mit dem Vorspann self beginnen. Diese Variablen sind innerhalb eines Objekts, das aus der Klasse abgeleitet wird, global, aber in Bezug auf mehrere Objekte derselben Klasse lokal.

Das None referenziert einen einfachen, aber auch interessanten Datentypen für den es nur eine einzige Instanz gibt, das Nichts. In unserer Parameterliste heißt das, dass etwa für hwadr standardmäßig nichts übergeben wird, wenn der Parameter bei der Instanziierung keinen Wert zugewiesen bekommt. Es wird eben nicht die Referenz auf einen (Zahlen-)Wert zugewiesen, sondern die Referenz auf die Instanz des Nichts. Dieses Vorgehen erlaubt uns, durch die if-Konstrukte flexibel auf bestimmte Situationen zu reagieren. In unserem speziellen Fall muss der Benutzer der Klasse nicht wissen, welche Hardwareadresse der PCA9685 hat, oder welche PWM-Frequenz für ein Servo nötig ist. Das ist durch die Konstanten vorbelegt und dieser Wert wird im Konstruktor verwendet, wenn keine eigenen Wünsche vorliegen.

Eine Instanz servo der Klasse PCA9586 würde nun am einfachsten folgendermaßen erzeugt. Das setzt natürlich voraus, dass zuvor das I2C-Objekt i2c instanziiert wurde.

 servo = SERVO(i2c)

Die Methode resetDevice() tut zweierlei. Sie prüft, ob ein PCA9685-Device auf dem Bus liegt und setzt alle derartigen Module zurück. Dabei wird die General Call Address 0x00 als Hardwareadresse benutzt und als zweites Byte der Resetcode 0x06 gesendet. Die Methode sollte 2 als return-Code melden, das ist die Anzahl der auf dem Bus empfangenen ACK-Bits. Beschrieben ist das Vorgehen auf den Seiten 7 (unten) und 8 (oben) des Datenblatts.

>>> from machine import Pin, I2C
>>> from pca9685 import SERVO

>>> sclPin=Pin(5)
>>> sdaPin=Pin(4)
>>> i2c=I2C(scl=sclPin,sda=sdaPin,freq=400000)

>>> servo=SERVO(i2c,oe=2)
>>> resetDevice()

Das sieht auf den Busleitungen SCL (gelb) und SDA (blau) so aus:

Abbildung 4: Reset-Befehl auf dem I2C-Bus

Abbildung 4: Reset-Befehl auf dem I2C-Bus

Die Ruhepegel auf beiden Leitungen sind logisch 1 oder elektrisch 3,3V, hervorgerufen durch die Pullup-Widerstände. Eingeleitet wird ein Transfer durch die Start-Condition. Das ist eine fallende Flanke auf der SDA-Leitung, während SCL auf HIGH ist. Dann setzt der Master (ESP8266) das MSBit der Hardware-Adresse auf SDA (hier 0) und zieht SCL auf LOW. Mit der folgenden steigenden Flanke auf SCL signalisiert er dem Slave (PCA9685), dass das Datenbit gültig und zu übernehmen ist. Das wiederholt sich mit den weiteren 7 Bits. Während eines neunten Takts kann nun der Slave die SDA-Leitung auf LOW ziehen. Das wird als Acknowledge (ACK) bezeichnet und sagt dem Master, dass das gesendete Byte angenommen wurde. Das ACK ist allerdings keine Bestätigung dafür, dass das Byte unverfälscht angekommen ist. Mit einem NACK, not acknowledged, SDA bleibt HIGH, sagt der Slave, dass er alle erforderlichen Bytes erhalten hat, oder im Moment keine Zeichen empfangen kann. Nach der Hardware-Adresse sendet der Master den Reset-Code 0x06, der vom Slave ebenfalls mit ACK bestätigt wird. Bis die Bytes verarbeitet sind, zieht der Slave nun die SCL-Leitung auf LOW. Nachdem die Leitung auf HIGH gegangen ist, teilt der Master dem Slave das Ende der Übertragung durch eine Stop-Condition mit. Das ist die steigende Flanke auf SDA, während SCL HIGH ist. Nun sind beide Leitungen wieder im Ruhezustand.

Für die restlichen Schreib- und Lesebefehle auf dem Bus muss die reguläre Hardware-Adresse des PCA9685 benutzt werden. Wir erzeugen drei Basis-Methoden für diesen Zweck.

    def writeReg(self,reg,val):
       buf=bytearray(2)
       buf[0]=reg
       buf[1]=val
       self.i2c.writeto(HWADR,buf)

Um einen Wert in ein Register des PCA9685 zu schreiben, brauchen wir drei Datenbytes, die Hardware-Adresse HWADR, die Registernummer reg und natürlich den Datenwert val. Die Methode i2c.writeto() verlangt die Hardware-Adresse und einen Buffer, der auf dem Bytes-Protokoll fußt. Das trifft für die übergebenen Ganzzahlwerte in reg und val nicht zu. Wir erzeugen daher ein bytearray-Objekt mit zwei Elementen und weisen diesen die Registernummer und den Datenwert zu. Dann schicken wir alles über die Leitung.

Die drei Bytes werden mit ACK (acknowledge = OK) vom PCA9685 quittiert (SDA=0). Die 7-Bit-Hardware-Adresse 0x40 wird um ein Bit nach links geschoben, das write-Bit (SDA=0) als LSBit eingefügt und dann werden die beiden Bytes aus dem Buffer auf die Leitung getaktet. Aus dem Oszillogramm erkennen wir außerdem, dass die effektive Taktrate nicht 400kHz sondern nur 150kHz beträgt (9 Taktimpulse in 60µs).

Abbildung 5: Beschreiben des Registers 0x06 mit 0xA4

Abbildung 5: Beschreiben des Registers 0x06 mit 0xA4

    def readReg(self,reg):
       buf=bytearray(1)
       buf[0]=reg
       self.i2c.writeto(HWADR,buf)
       buf=self.i2c.readfrom(HWADR,1)
       return buf[0]

Der Lesebefehl für ein Register erfolgt zweistufig. Zuerst wird mit der Hardware-Adresse die Registeradresse in einem Schreibbefehl gesendet. Danach wird erneut die Hardware-Adresse, dieses Mal mit gesetztem Lese-Bit als LSB, gesendet und infolge davon antwortet der PCA9685 mit dem Inhalt des Registers, das jetzt der ESP8266 mit ACK quittiert. Es weiß, dass nur ein Byte zurückkommt, deshalb ist der Empfangs-Buffer auch nur 1 Byte lang.

    def writeToRegs(self,reg,buf):
       buffer=bytearray(1)
       buffer[0]=reg
       buffer+=buf
       noa=self.i2c.writeto(HWADR,buffer)
       return noa # number of ACKs

Sollen mehrere Bytes gesendet werden, zum Beispiel, um die Start- und Endzeit für PWM-Pulse zu schreiben, dann setzen wir einfach die Registernummer im Bytearray mit dem übergebenen Buffer zusammen. Der PCA9685 ist so konfiguriert, dass er selbständig die Empfangsregisternummer mit jedem empfangenen Daten-Byte hochzählt (self.setAutoInc() im Konstruktor).

Eine besondere Vorgehensweise ist nötig, wenn der PCA9685 im laufenden Betrieb zurückgesetzt werden soll, nachdem wir ihn schlafen gelegt haben. Das macht die Routine doRestart() nach den Vorgaben im Datenblatt auf Seite 15.

Zitat:

To restart all of the previously active PWM channels with a few I2C-bus cycles do the

following steps:

  1. Read MODE1 register.
  2. Check that bit 7 (RESTART) is a logic 1. If it is, clear bit 4 (SLEEP). Allow time for

oscillator to stabilize (500µs).

  1. Write logic 1 to bit 7 of MODE1 register. All PWM channels will restart and the

RESTART bit will clear.

    def doRestart(self):
       val=self.readReg(MODE1)
       if val & Restart:
           val &= 255-Sleep
           self.writeReg(MODE1,val)
           sleep_us(500)
           val |= Restart
           self.writeReg(MODE1,val)

Der Zusammenhang erklärt sich wie folgt. Das Setzen des Sleep-Bits in Register Mode1 schickt den PCA9685 schlafen. Das kann durch die Methode setSleep() geschehen, zu der wir später kommen. Gleichzeitig wird auch das Bit Restart in Mode1 gesetzt. Die Positionen der Servos sind jetzt eingefroren und reagieren nicht mehr auf neue Werte, die wir dem PCA9685 senden. Neue Werte werden aber dennoch in die Positionsregister geschrieben. Der Algorithmus in doRestart() entriegelt die Sperre, indem er das Sleep-Bit löscht, den Oszillator hochfährt und schließlich das Restart-Bit durch Schreiben einer 1 löscht. Wurde in der Zwischenzeit keine Änderung der Positionsregister vorgenommen, bleibt der Servo auf seiner Position stehen. Hat man aber eine neue Position gesendet, dann wird diese angefahren.

Unser Ziel ist es, den PCA9685 dazu zu bringen, dass er Steuerimpulse an die Servos schickt. Das macht die Methode writePulse(). Sie nimmt die Nummer des Servos, sowie die Nummern der Zeitscheiben für das Einschalten und Ausschalten.

    # Zeiten relativ in 0 .. 4096 counts
   def writePulse(self,nbr,on,off):
       assert 0 <= nbr <= 15
       off=min(off, 4095)
       on=min(max(0,on),off)
       buffer=bytearray(5)
       buffer[0]=nbr*4+LEDBASIS
       buffer[1]=on & 0xff
       buffer[2]=(on>>8) & 0xff
       buffer[3]=off & 0xff
       buffer[4]=(off>>8) & 0xff
       noa=self.i2c.writeto(HWADR,buffer)
       return noa

Mit assert überprüfen wir die Servo-Nummer und grenzen dann die Start- und Ende-Werte auf den Bereich zwischen 0 und 4095 ein. Ein Buffer mit 5 Elementen wird mit der Registeradresse und den in Bytes aufgelösten Positionswerten gefüttert. Die Positions-Register beginnen bei LEDBASIS, das ist das Register 0x06. Jeweils vier Register sind zu beschicken, die Notation ist Little Endian, das LSB kommt also zuerst. Dann ist alles bereit, die Hardware-Adresse und der Buffer gehen über die Leitung. Ein Rückgabewert von 5 sagt uns, dass 5 Bytes vom PCA9685 mit ACK quittiert wurden.

Zwei weitere Methoden benutzen writePulse(). Die Methode writePulseFromWidth() arbeitet auch mit den relativen Zeitscheiben 0 bis 4095. Servo-Nummer und Startzeit werden weitergereicht, der Zeitpunkt zum Ausschalten muss berechnet werden, die Plausibilitätskontrolle übernimmt writePulse().

    # Zeiten relativ in 0 .. 4096 counts
   def writePulseFromWidth(self, nbr, on, width):
       off=on+width
       noa=self.writePulse(nbr,on,off)
       return noa

writePulseTimeSlice() ist die Methode der Wahl für unser Spiel. Mit dem Parameter run geben wir die Zeitdauer für den Impuls an, der auf die Servo-Steuerleitung gelegt wird. Er darf 0,3ms bis 2,3ms dauern. Der Startzeitpunkt ist marginal. Aus der eingestellten PWM-Frequenz wird die Periodendauer in Mikrosekunden und damit die Länge einer relativen Zeitscheibe berechnet. Die relativen Werte gehen dann an die Methode writePulse().

    # Zeiten relativ in µs; Servo-Freq in Hz
   def writePulseTimeSlice(self,nbr,start,run):
       timeLimit=(1/self.freq)*1000000
       timeslice=timeLimit/4096 # µs/cnt
       assert 0 <= start <= timeLimit
       assert run >= 0
       assert start+run <= timeLimit
       von=int(start/timeslice)
       bis=int((start+run)/timeslice)
       noa=self.writePulse(nbr,von,bis)
       return noa

Ein paar Service-Routinen runden die Klasse PCA9685 ab.

    def setAutoInc(self,ai=True):
       val=self.readReg(MODE1)
       if ai:
           self.writeReg(MODE1,val | AutoInc)
       else:
           self.writeReg(MODE1,val & (~AutoInc) & 0xFF)

In MicroPython ist es nur mit Tricks möglich, die bitweise Negierung eines Bytes zu bekommen. Wir müssen das also selbst in die Hand nehmen. Zwei Verfahren führen zum Ziel. servo.AutoInc hat zum Beispiel hier den Wert 32=0b00100000. Für die Negierung ~servo.AutoInc erwarten wir den Wert 0b11011111= 223, bekommen aber -33 = -0b100001. Aber 255 – servo.Autoinc liefert das, was wir möchten und ebenso ~servo.AutoInc & 0xFF. Letzteres erklärt sich aus der Tatsache, dass -33 = 0xFFFFFFDF. Durch Undieren mit 0xFF erhalten wir 0xDF = 0b11011111.

Wir lesen also das Mode1-Register ein und schreiben es mit gesetztem oder gelöschtem AutoInc-Bit wieder zurück.

    def setSleep(self,mode=True):
       val=self.readReg(MODE1)
       if mode:
           val = val | Sleep
       else:
           val = val & (~Sleep & 0xff)
       self.writeReg(MODE1,val)

Zum Ändern der PWM-Frequenz ist es nötig, das Sleep-Bit vorher zu setzen (default) und danach wieder zu löschen (mit mode=False). Genau das macht setSleep().

start() setzt die PWM-Frequenz für unsere Servos auf den Defaultwert von 50 Hz (ohne Parameter im Aufruf) oder die Frequenz wird auf den übergebenen Wert gesetzt. Der Wert wird dafür in das Prescaler-Register geschrieben. Bis die neue Einstellung stabil arbeitet, warten wir 500µs.

    def start(self,freq=50):
       if self.oe is not None:
           self.oe.value(0)
       self.frequency(freq)
       sleep_us(500)

Für die Berechnung des Prescaler-Werts offenbart uns die Seite 25 des Datenblatts folgende Formel:

ps = int (PCA_Systemtakt / (4096 * PWM-Frequenz)) - 1

Außerdem erhalten wir den Hinweis:

The PRE_SCALE register can only be set when the SLEEP bit of MODE1 register is set to

logic 1.

Genau danach geht die Methode frequency() vor. Wenn man sie mit Parameter aufruft, wird dieser Wert, falls zulässig, in das PRE_SCALE-Register 0xFE geschrieben. Ohne Parameter aufgerufen, erfahren wir den aktuell gesetzten Wert der PWM-Frequenz.

    def frequency(self,freq=None):
       if freq is not None:
           assert 24 <= freq <=1526
           self.setSleep()
           self.freq=freq
           ps=(XTAL//(4096*freq))-1
           self.writeReg(PRE_SCALE,ps)
           self.setSleep(False)
       else:
           return XTAL/((self.readReg(PRE_SCALE)+1)*4096)

Den gesamten Code des Moduls pca9685.py können Sie, ebenso wie die anderen Module, herunterladen.

Das Programm zum Spiel

Beginnen Sie am besten mit dem Upload der vier Module ads1115.py, oled.py, ssd1306.py und pca9685.py in den Flash des ESP8266. Dann wollen wir sehen, wie das Programm joyball.py arbeitet.

Die Importe bringen uns die Methoden aus den Klassen in unseren Namensraum.

import os,sys       # System- und Dateianweisungen    
from machine import Pin, reset, I2C
from time import sleep, ticks_ms
from pca9685 import SERVO
from ads1115 import ADS1115
from oled import OLED
import esp
esp.osdebug(None)
import gc
gc.collect()

Der I2C-Bus wird dreifach genutzt, deshalb deklarieren wir dessen Instanz im Hauptprogramm. und nicht in jedem einzelnen Modul.

sclPin=Pin(5)
sdaPin=Pin(4)
i2c=I2C(scl=sclPin,sda=sdaPin,freq=400000)

Der Ausgang für Output Enable -OE am PCA9685 und die Sensoreingänge werden festgelegt.

oePin=Pin(2,Pin.OUT) # D4
border=Pin(12,Pin.IN,Pin.PULL_UP) # D6
gate=Pin(14,Pin.IN,Pin.PULL_UP) # D5
target=Pin(13,Pin.IN,Pin.PULL_UP) # D7
newstart=Pin(0,Pin.IN,Pin.PULL_UP) # D3

Die Instanzen für die Motorsteuerung, für die AD-Wandlung der Joystickspannungen und für die OLED-Ausgabe werden erzeugt.

servo=SERVO(i2c)
joy=ADS1115(i2c,0x48)
d=OLED(i2c,128,32)

Auf die Deklaration einiger Variablen folgt die Definition der Interrupt-Service-Routine (aka ISR), bump(), welche aufgerufen wird, wenn die Kugel die Sensoren berührt.

vorgabe=2000
points=vorgabe
zeitfaktor=50

# globale Variablen deklarieren
trigger=True
gameOver=False
start=0

Für die Kontakte zu den Sensoren können verschieden viele Punkte abgezogen werden. Damit nicht sofort wieder ein IRQ (Interrupt Request) ausgelöst werden kann, wird der Handler, also die Routine bump(), erst einmal außer Gefecht gesetzt, indem wir den Parameter handler auf das große Nichts setzen. trigger setzen wir auf True, damit die Hauptschleife auf das Event reagieren kann. trigger und points müssen als global angegeben werden, weil die Änderung der Werte sonst nicht über das Scope der Funktion nach draußen wirken kann.

def bump(pin):
   global points,trigger
   if pin==gate:
       points-=10
       gate.irq(handler=None)
   if pin==border:
       points-=10
       border.irq(handler=None)
   trigger=True

Die Funktion goToOrigin() erledigt alles, was zum Starten eines Spieldurchgangs nötig ist. Zur Rückführung der Kugel an den Start wird die ISR auf das große Nichts gesetzt, es soll ja kein IRQ ausgelöst werden. Das Display informiert uns, dass die Rückführung ein paar Takte dauert. Dann setzen wir den Kantentrigger auf True, geben die Starthilfe aus und warten auf den Klick des Joystick-Buttons.

Ist dieser erfolgt, füllen wir das Punktekonto auf, oder auch nicht, dann geht es mit dem vorherigen Punktestand weiter. Die Startmeldung wird ausgegeben, die Sensoren werden scharfgeschaltet und die Zeitmessung gestartet. Sobald die Kugel den Rand oder ein Gate berührt, geht der Eingang am ESP8266 von 3,3V auf 0V. Die fallende Flanke löst die Unterbrechungsanforderung aus und die Routine bump() wird aufgerufen.

Mit dem Start des Hauptprogramms messen wir den Wert der Versorgungsspannung. Das kann wichtig werden, wenn wir als Energiequelle nicht das 12V-Steckernetzteil, sondern einen Akku verwenden. Den Messwert bekommen wir mit der Begrüßungsmeldung am Display. Nach 5 Sekunden sorgt goToOrigin() für einen geordneten weiteren Start.

joy.setChannel(2)
uServo=2*joy.getVoltage()
d.clearAll()
d.writeAt("JOY-BALL-WIZZARD",0,0,False)
d.writeAt("WELLCOME!",0,1,False)
d.writeAt("U-Servo:{:.2f}V".format(uServo),0,2,True)
sleep(5)

goToOrigin()

In der Hauptschleife setzen wir den ADC-Kanal zunächst auf 0, holen den x-Wert vom Joystick, den wir auf 12 Bits reduzieren, gleich eingrenzen und auf den Zeitbereich des Servos transformieren. Dasselbe passiert mit dem Kanal 1 für den y-Wert. Danach bekommen die Servos die entsprechenden Impulse über den PCA9685 zugespielt.

while 1:
   joy.setChannel(0) #
   x=max(min(joy.getConvResult()>>3,3400),0)
   pulseX=joy.transform(-x,-3400,0,300,2100)
   joy.setChannel(1) #
   y=max(min(joy.getConvResult()>>3,3400),0)
   pulseY=joy.transform(y,0,3400,350,2350)
   servo.writePulseTimeSlice(4,0,pulseX)
   servo.writePulseTimeSlice(7,0,pulseY)    
   d.writeAt("score:{}       ".format(points),0,2)

Nach der Ausgabe des Spielstands behandeln wir besondere Ereignisse. trigger ist True, wenn ein IRQ ausgelöst wurde. In diesem Fall warten wir 50ms und schalten danach die Sensorik wieder scharf.

    if trigger:
       sleep(0.05)
       gate.irq(handler=bump,trigger=Pin.IRQ_FALLING)
       border.irq(handler=bump,trigger=Pin.IRQ_FALLING)

Wurde während einer Spielrunde der Joystick-Button gedrückt, löst das einen Neustart des ESP8266 aus, und alle Werte werden zurückgesetzt. Allerdings kann das Spiel nur dann wirklich neu starten, wenn das Programm als boot.py in den Flash hochgeladen wurde. Hinweise dazu finden Sie in dieser Anleitung.

Eine Spielrunde ist beendet, wenn die Kugel in der Zielklammer landet und target damit auf 0 geht. Wir setzen gameover auf True und stellen die Spieldauer fest. Waren wir schneller als 15 Sekunden, gibt es die Restsekunden mal 50 als Pluspunkte. Beim Überschreiten des Zeitlimits gibt es dementsprechende Abzüge. Der Spielstand ergibt sich dann aus der Summe der Punkte aus dem Startdepot und den Zeitpunkten. Der Spielstand wird mitgeteilt, und mit einem Klick des Joystick-Buttons geht es in die nächste Runde.

if target.value()==0:
       gameover=True
       dauer=int((ticks_ms() -start)/1000)
       timePoints=(15-dauer)*zeitfaktor
       score=points+timePoints
       points=max(0,points)
       print(points, timePoints, score)
       d.clearAll()
       d.writeAt("GAME OVER",0,0, False)
       pnts=str(score)
       d.writeAt("Score: "+pnts,0,1,False)
       d.writeAt("NEW GAME->BUTTON",0,2)

       while not newstart.value()==0:
           pass

       sleep(0.3)
       goToOrigin()

Ausblick

Nun liegt es an Ihnen, was sie aus dem Spiel noch alles machen. Das Spielfeld kann gewechselt werden, indem die oberste Platte mit der Platine ausgetauscht wird. Weitere Gates können eingefügt werden. Sie können auch Experimente mit der Steuerung durchführen, indem Sie die Werte für die Zeitscheiben verändern. Und ein oder mehr weitere Servos können eingesetzt werden, um variable Hindernisse zu schaffen. Lassen Sie Ihrer Phantasie einfach freien Lauf.

Viel Erfolg und jede Menge Spaß dabei wünsche ich Ihnen. In der nächsten Folge werden wir die Steuerung vom Joystick auf eine kabellose Schwerkraftsteuerung verlegen. Die Verbindung wird dann über WLAN und das UDP-Protokoll hergestellt. Lassen Sie sich überraschen, bis dann!

Update

3D-Modell

Quelle: https://www.thingiverse.com/thing:5454459

Der Leser Pontifex42 hat den Aufbau als 3D-Modell für den 3D-Drucker angefertigt und ihn hier zur Verfügung gestellt.

Vielen Dank dafür!

Esp-32Esp-8266Projekte für fortgeschritteneSensoren

2 comentarios

Pontifex42

Pontifex42

Habe nun die Konstruktion abgeschlossen. Probedruck erfolgreich, funktioniert recht zufriedenstellend. Foto des ersten Drcuks ist dabei.
Das Publishing bei Thingiverse ist leider buggy as hell. Wenn es da Schwierigkeiten beim finden und downloaden gibt, bitte Bescheid sagen, ich ziehe dann nach printables um.

Pontifex42

Pontifex42

Ich habe auch für dieses Projekt wieder ein paar 3D-Teile konstruiert, die das arbeiten mit Holz ersparen.

Zu finden hier:
https://www.thingiverse.com/thing:5454459

Da fehlt noch die obere Platte, ausserdem werde ich noch etwas auf Materialersparnis optimieren.
Bitte noch 3 Tage Geduld.

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