在業餘嗜好專案中添加運動和方向感測功能

不知道為什麼，我一直都喜歡打造與 LED 有關的業餘嗜好專案。我常常這麼說：「看到 LED 閃爍，我就會流口水。」最近，我熱衷於在業餘嗜好專案中加入運動和方向感測功能。事實上，我才在 12 x 12 的乒乓球陣列中加入這個功能，每顆球都裝上一個三色 LED。

或許我應該從頭說起才是。大約在 2020 年春季，我和一位已經退休的工程師朋友透過電子郵件閒聊。他叫 David Humrich，住在澳洲。David 跟我說他買了一個小型的三色 LED 矩陣，問我可拿來作什麼。我在回信中貼上一則簡易毛毛蟲程式的短片，這是幾年前我在 8 x 8 的 LED 陣列上實作的程式。

幫 David 製作這則影片讓我想起一個被我「擱置」的專案，那就是打造更大的陣列。我看過一些非常有趣的乒乓球架構顯示器，因此我決定動手來做。首先，我買了一大袋物美價廉的乒乓球，並將這些球裝成一個 12 x 12 = 144 的陣列 (圖 1)。

圖 1：作者很驕傲地將 12 x 12 乒乓球陣列拿在手上，每顆球都有一個三色 LED (圖片來源：Max Maxfield)

在 LED 部分，適合此類型專案的最佳選擇是 Adafruit 的 WS2818 三通道 LED 驅動器式 NeoPixel，例如每公尺含有 30 顆 NeoPixel 的 1376 燈條。五公尺的燈條就可提供 150 個像素：其中 144 個用於陣列，一個作為電壓位準轉換器，另外五個備用。我將燈條以單像素為單位進行切割，然後在每個乒乓球背面貼上一個像素。

最後，再以蛇形 (之字形) 圖案佈線，將像素連接起來，從一個角落開始，然後在陣列上來回穿梭。實際上，如果您決定建構自己的陣列，像素的佈線順序並不重要，因為我們會將此陣列視為 12 列 (X 軸) 和 12 行 (Y 軸)，兩個軸均從 0 至 11 進行編號，像素 [0,0] 則在左下角 (面向陣列時)。因此，要編寫程式來驅動陣列時，我們會加入一個稱為 GetNeoNum() 的函數。此函數允許將 X 值和 Y 值作為引數，經由演算法 (視陣列的佈線方式而定) 的演算，再傳回與燈條中像素對應的編號。

驅動陣列時，我需要一個記憶體夠大、時脈速度較快而且處理能力強大的微控制器，因為我打算實作一些有趣的效果，包括多彩漸淡效果。我選擇了 Seeed Technology 的 102010328 Seeeduino XIAO (圖 2)。XIAO 採用 Atmel 的 ATSAMD21G18A-MUT SAMD21G18 微控制器驅動，尺寸僅一張郵票大小，是 Seeeduino 系列中與 Arduino 相容且最小的微控制器開發板。此微控制器具有 32 位元 ArmCortex-M0+ 處理器核心，運作頻率為 48 MHz，並具有 256 KB 快閃記憶體和 64 KB 的 SRAM。

圖 2：容易用於試驗電路板的 Seeeduino XIAO，是 Seeeduino 系列中目前與 Arduino 相容且最小型的微控制器開發板，可為使用者提供功能強大的 32 位元 Arm Cortex-M0+ 處理器，運作頻率為 48 MHz。(圖片來源：Seeed Studio)

XIAO 有 11 個引腳，每個都可以作為類比輸入、數位輸入或數位輸出使用。其中 10 個引腳可支援脈寬調變 (PWM)，且有一個引腳配備數位類比轉換器 (DAC)，因此可提供真正的類比輸出能力。此外，若有需要，引腳 4 和 5 可用於支援 I²C 介面，引腳 6 和 7 可支援 UART 介面，引腳 8、9 和 10 則可支援 SPI 介面。

正如前面所提及，我最近喜歡在嗜好專案中加入運動和方向感測功能。我決定試驗一次，將這項功能加入我的 12 x 12 乒乓球陣列中。

我想到的是用一個小型分接板 (BOB) 搭配備微機電系統 (MEMS) 感測器，而感測器中包含三軸加速計、三軸陀螺儀和三軸磁力計。我很快就發現，若想嘗試操控並理解感測器的原始資料，其中所牽涉的複雜度遠遠超乎我的能力所及。所以我改用 Adafruit 的 2472 BOB，其採用 Bosch 的 9 自由度 (DoF) BNO055 感測器。

圖 3：除了三軸加速計、三軸陀螺儀和三軸磁力計之外，Adafruit 2472 BOB 的 BNO055 感測器還包含一個 Arm Cortex-M0 處理器，可執行感測器融合。(圖片來源：Adafruit)

此 BOB 透過雙線 I² C 介面與 XIAO 微控制器進行通訊。BNO055 的優點在於含有一個 32 位元的 Arm Cortex-M0+ 處理器，可擷取三個感測器的原始資料、執行精密的感測器融合，然後以我可用的形式提供我需要的資料。如這段影片所示，初次試驗時我先水平拿著陣列，然後將陣列傾斜，讓「球」(像素) 在顯示器上四處「滾動」。

結論

初次試驗的表現比我預期的好很多，但實際上，試驗本身非常簡單。我只不過是偵測陣列傾斜度超過特定值 (目前設定為 10 度) 的時間點，然後讓「球」以固定速度朝對應的方向移動。接下來是針對慣性和加速度等數據建立精準的模型，然後運用這些功能來實作一系列遊戲。

重要的是，這些實驗第一次就成功，讓我有動力開始在其他專案中加入運動和方向感測功能，讓這些專案比以前更出色。那您呢？您是否有任何業餘嗜好專案？若專案具備偵測運動方式和方向的能力是否有所助益？