一、應用背景

魔方，又叫魯比克方塊（Rubik’s Cube），是匈牙利布達佩斯建筑學院厄爾諾·魯比克教授發明的機械益智玩具，由若干個積木塊組成，積木塊之間通過卡榫契合，能做到“組”的相對位置改變，從而構成各種形狀的花紋，基本的玩法就是通過旋轉，打散各面色塊后用最快速度還原。魔方的設計初衷是用來認識空間組成和結構的教具，后來成為風靡全球的玩具，形狀從原始的正方體發展出球型、鉆石型、粽子型等異形，階數從最早的三階擴充到三十階以上。

魔方競賽也成為國際比賽項目，通過世界魔方協會比賽的認證成績甚至可以記載入世界紀錄當中。

傳統魔方采用物理結構契合，高階魔方使用時旋轉次數多，要求速度快、精度高，很容易磨損導致性能下降無法使用（我自己就有一天玩壞一個高階魔方的經歷）。基于此，試圖將魔方功能“電子”化，減少機械磨損。

二、實現功能

本設計分為兩個部分：電子魔方和GUI。

電子魔方基于RT-Thread開發，使用N32G457驅動WS2812板，通過點亮WS2812燈珠，實現魔方轉動效果。本次開發所用WS2812板為8*8的板卡，共用了5塊，搭成正方體形狀（留出底面），共計320顆燈珠，用于模擬一個8階魔方。

GUI為純軟件開發，在電腦上運行，可以通過鼠標或鍵盤操作，實現魔方的轉動。為配合電子魔方，設計了界面，8階魔方共有24個方向可轉動（反向可以通過旋轉3次實現），設計24個按鈕，由于高階魔方還原難度較高，因此還預留了“一鍵還原”功能。

圖四 GUI

三、開發板和RT-Thread使用情況概述

使用N32G45XVL-STB開發板，該開發板MCU芯片型號為國民技術的N32G457VEL7，LQFP100管腳封裝，板卡把所有GPIO都引出連接到J1，J2和J12插針上，非常便于開發和調試，但在本項目中，僅使用了PA7（SPI0的MOSI接口）。

圖五 N32G45XVL-STB開發板

安裝的RT-Thread Studio，版本: 2.1.5（構建ID: 202201191915），其上已經自帶了RT-Thread模塊，直接從SDK中拖取了Nations的n32g45xvl-stb板，并使能了其SPI功能，所用SPI為SPI0。

用于呈現的WS2812，采用購買的88模塊成品，自己拼裝成立方體，考慮到底面沒有人會去看，因此直接空出來。

WS2812的實現原理比較簡單，就是通過輸入特定長度的高低電平，驅動若干顆燈珠，每個顏色比特傳輸數據需要1.25us，可以略微超頻（甚至有的datasheet中表示可以超頻600ns，實測做不到的），在本項目中，采用的是SPI驅動，將其設置為1.2us/顏色比特使用，分別通過SPI傳輸ffc0、f000作為其0、1碼表示。

圖六 WS2812的datasheet

四、硬件框架

其硬件結構非常簡單，采用5塊88的WS2812燈板串接作為輸出，將其搭建成立體形狀，串接各面的板和板之間串接順序為頂、前、右、后、左，在平面展開圖中，每塊燈板上的燈珠的順序為從左到右，從上到下依次遞增，共320顆，在最初設計和調試時，使用了外部供電，后省略，直接由板上的5V從USB接口取電。大致框架如下：

圖七 硬件框架示意圖

五、軟件框架

由于上位機和下位機分別開發，上位機所用語言為python，基于windows環境運行（理論上移植linux也很簡單），下位機使用c開發，在N32開發板上運行，其操作/執行流程如下：

圖八 軟件業務流程

六、軟件模塊說明

1、定義

由于本項目使用pin資源較少，因此沒有修改drv_gpio.c文件中的定義

define N32F10X_PIN_NUMBERS 64

而是直接在代碼中定義了所用的pin腳和相關資源

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塊的變化，各個時期和地方的版本雖然有所區別，但主流采用紅、黃、藍、綠、白、橙六種顏色，目前主要有兩種配色：世界版（WCA大賽所用配色）和日版（Rubik教授最初研發時的配色）。

圖九 顏色要求

對于每個面具體的顏色，采用的是原色大辭典中標準色號：

圖十 標準色表

定義為：
Yellow：#ffff00
Green：#008000
Orange：#ffa500
Blue：#0000ff
Red：#ff0000
White：#ffffff

WS2812點燈采用24位色，與標準RGB不同，為GRB，因此初始六個顏色如下：
const uint32_t rgbclr[]={0xffff00,0x800000,0xa5ff00,0x0000ff,0x00ff00,0xffffff};

對于點燈采用的六個面（底面雖然不用點燈，但仍然需要存儲顏色），共計384塊，使用uint32_t格式儲存，每個數只使用其中24位，高8位空閑。

static uint32_t face[384]={0};

在本項目的硬件結構中，只需要輸出320塊（沒有底）顏色，共計15360，考慮到WS2812信號必須間隔低電平間隔，預留200個0，每次輸出的buff：
static uint8_t buff[15560]={0};

2、點燈實現函數

點燈功能實現主要包括：
1）初始化SPI接口函數int rt_hw_spi_config(void)，并使用INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi_config);將其加入板卡初始化中。在這個函數中，將SPI0速率初始為13.333MHz。
2）修改單個node的buff函數void reflush_one_node(uint16_t node)，該函數的功能就是在旋轉時，修改對應的buff值，每次修改48個uint8_t，使其輸出與WS2812的單顆燈珠相符合。
3）通過SPI寫WS2812燈函數void draw_face2(void)，實際上是調用spi.c中的rt_spi_send(spi,buff,sizeof(buff));寫入15560個uint8_t。

3、MSH交互功能

加入預留命令

1MSH_CMD_EXPORT(init_face,init_face);
2MSH_CMD_EXPORT(rotate_x_try,rotate_x_try<0-7>);
3MSH_CMD_EXPORT(rotate_y_try,rotate_y_try<0-7>);
4MSH_CMD_EXPORT(rotate_z_try,rotate_z_try<0-7>);

分別用于調用初始化方塊函數void init_face(void)、旋轉x軸函數static void rotate_x_try(int argc, charargv)、旋轉y軸函數static void rotate_y_try(int argc, charargv)、旋轉z軸static void rotate_z_try(int argc, char**argv)。

七、其它

作品圖片

視頻效果

https://v.youku.com/v_show/id_XNTg1MzE3NDQxMg==.html?spm=a2hcb.profile.app.5~5!2~5~5!3~5!2~5~5~A

代碼地址

https://gitee.com/tobottest/rubiks-cube

原文標題：【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的高階魔方

文章出處：【微信公眾號：RTThread物聯網操作系統】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。