基于RT-Thread和N32G457的高阶魔方

作品出处：RT-Thread
作者：晶晶言言是我的宝

一、应用背景
魔方，又叫鲁比克方块（Rubik's Cube），是匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺·鲁比克教授发明的机械益智玩具，由若干个积木块组成，积木块之间通过卡榫契合，能做到“组”的相对位置改变，从而构成各种形状的花纹，基本的玩法就是通过旋转，打散各面色块后用最快速度还原。魔方的设计初衷是用来认识空间组成和结构的教具，后来成为风靡全球的玩具，形状从原始的正方体发展出球型、钻石型、粽子型等异形，阶数从最早的三阶扩充到三十阶以上。

图一、形态各异的魔方
魔方竞赛也成为国际比赛项目，通过世界魔方协会比赛的认证成绩甚至可以记载入世界纪录当中。

图二、世界魔方协会（WCA）
传统魔方采用物理结构契合，高阶魔方使用时旋转次数多，要求速度快、精度高，很容易磨损导致性能下降无法使用（我自己就有一天玩坏一个高阶魔方的经历）。基于此，试图将魔方功能“电子”化，减少机械磨损。
二、实现功能
本设计分为两个部分：电子魔方和GUI。
电子魔方基于RT-Thread开发，使用N32G457驱动WS2812板，通过点亮WS2812灯珠，实现魔方转动效果。本次开发所用WS2812板为8*8的板卡，共用了5块，搭成正方体形状（留出底面），共计320颗灯珠，用于模拟一个8阶魔方。

图三、机械版8阶魔方和电子版8阶魔方
GUI为纯软件开发，在电脑上运行，可以通过鼠标或键盘操作，实现魔方的转动。为配合电子魔方，设计了界面，8阶魔方共有24个方向可转动（反向可以通过旋转3次实现），设计24个按钮，由于高阶魔方还原难度较高，因此还预留了“一键还原”功能。

图四、GUI三、开发板和RT-Thread使用情况概述
使用N32G45XVL-STB开发板，该开发板MCU芯片型号为国民技术的N32G457VEL7，LQFP100管脚封装，板卡把所有GPIO都引出连接到J1，J2和J12插针上，非常便于开发和调试，但在本项目中，仅使用了PA7（SPI0的MOSI接口）。

图五、N32G45XVL-STB开发板
安装的RT-Thread Studio，版本: 2.1.5（构建ID: 202201191915），其上已经自带了RT-Thread模块，直接从SDK中拖取了Nations的n32g45xvl-stb板，并使能了其SPI功能，所用SPI为SPI0。
用于呈现的WS2812，采用购买的8*8模块成品，自己拼装成立方体，考虑到底面没有人会去看，因此直接空出来。
WS2812的实现原理比较简单，就是通过输入特定长度的高低电平，驱动若干颗灯珠，每个颜色比特传输数据需要1.25us，可以略微超频（甚至有的datasheet中表示可以超频600ns，实测做不到的），在本项目中，采用的是SPI驱动，将其设置为1.2us/颜色比特使用，分别通过SPI传输ffc0、f000作为其0、1码表示。

图六、WS2812的datasheet
四、硬件框架
其硬件结构非常简单，采用5块8*8的WS2812灯板串接作为输出，将其搭建成立体形状，串接各面的板和板之间串接顺序为顶、前、右、后、左，在平面展开图中，每块灯板上的灯珠的顺序为从左到右，从上到下依次递增，共320颗，在最初设计和调试时，使用了外部供电，后省略，直接由板上的5V从USB接口取电。大致框架如下：

图七、硬件框架示意图
五、软件框架
由于上位机和下位机分别开发，上位机所用语言为python，基于windows环境运行（理论上移植linux也很简单），下位机使用c开发，在N32开发板上运行，其操作/执行流程如下：

图八、软件业务流程
六、软件模块说明
1、定义
由于本项目使用pin资源较少，因此没有修改drv_gpio.c文件中的定义
define N32F10X_PIN_NUMBERS 64而是直接在代码中定义了所用的pin脚和相关资源
define SPI1_BUS_NAME         "spi1"define SPI1__DEVICE_NAME     "spi10"define SPI1_NCS_PIN 29       //PA4如之前所述，魔方最重要的就是色块的变化，各个时期和地方的版本虽然有所区别，但主流采用红、黄、蓝、绿、白、橙六种颜色，目前主要有两种配色：世界版（WCA大赛所用配色）和日版（Rubik教授最初研发时的配色）。

图九、颜色要求
对于每个面具体的颜色，采用的是原色大辞典中标准色号：

图十、标准色表
定义为：
Yellow：#ffff00
Green：#008000
Orange：#ffa500
Blue：#0000ff
Red：#ff0000
White：#ffffff
WS2812点灯采用24位色，与标准RGB不同，为GRB，因此初始六个颜色如下：
const uint32_t rgbclr[]={0xffff00,0x800000,0xa5ff00,0x0000ff,0x00ff00,0xffffff};
对于点灯采用的六个面（底面虽然不用点灯，但仍然需要存储颜色），共计384块，使用uint32_t格式储存，每个数只使用其中24位，高8位空闲。
static uint32_t face[384]={0};
在本项目的硬件结构中，只需要输出320块（没有底）颜色，共计15360，考虑到WS2812信号必须间隔低电平间隔，预留200个0，每次输出的buff：
static uint8_t buff[15560]={0};
2、点灯实现函数
点灯功能实现主要包括：
1）初始化SPI接口函数int rt_hw_spi_config(void)，并使用INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi_config);将其加入板卡初始化中。在这个函数中，将SPI0速率初始为13.333MHz。
2）修改单个node的buff函数void reflush_one_node(uint16_t node)，该函数的功能就是在旋转时，修改对应的buff值，每次修改48个uint8_t，使其输出与WS2812的单颗灯珠相符合。
3）通过SPI写WS2812灯函数void draw_face2(void)，实际上是调用spi.c中的rt_spi_send(spi,buff,sizeof(buff));写入15560个uint8_t。
3、MSH交互功能
加入预留命令
MSH_CMD_EXPORT(init_face, init_face);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_x_try, rotate_x_try <0-7>);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_y_try, rotate_y_try <0-7>);
MSH_CMD_EXPORT(rotate_z_try, rotate_z_try <0-7>);
分别用于调用初始化方块函数void init_face(void)、旋转x轴函数static void rotate_x_try(int argc, charargv)、旋转y轴函数static void rotate_y_try(int argc, charargv)、旋转z轴static void rotate_z_try(int argc, char**argv)。
七、其它
作品图片


视频效果
https://v.youku.com/v_show/id_XNTg1MzE3NDQxMg==.html?spm=a2hcb.profile.app.5~5!2~5~5!3~5!2~5~5~A
代码地址
https://gitee.com/tobottest/rubiks-cube