5.1 LED指示灯的控制

LED指示灯是最简单的一种输出设备，常用于指示计算机系统的内部状态。在BlueFi单板机上有两个可编程控制的LED指示灯， 一个是红色的 (靠近电源指示灯)，另一个是白色的(靠近集成光学传感器)。所谓可编程控制的LED，就是我们可以用程序控制其亮或灭。

5.1.1 LED灯的亮灭

下例程序将控制BlueFi上的红、白LED灯交替闪烁：

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import time
from hiibot_bluefi.basedio import LED
led = LED()
while True:
    led.red = 0
    led.white = 1
    time.sleep(0.5)
    led.red = 1
    led.white = 0
    time.sleep(0.5)

将这段代码通过MU编辑器保存到BlueFi的CIRCUITPY磁盘上，文件名为code.py。一旦将code.py文件保存到BlueFi的CIRCUITPY磁盘上， BlueFi立即开始执行这个脚本程序。

这个示例程序的执行效果是：红色LED灯和白色LED灯交替闪烁。闪烁的LED指示灯常用于指示计算机系统正在工作中，如果程序一旦停止， 指示灯也停止闪烁。如果你打开MU编辑器的串口控制台，按下“Ctrl+C”键让BlueFi终止执行code.py程序，进入REPL模式， 你会发现红色LED指示灯不再闪烁。

下面我们逐行来分析每行脚本程序的效果，就像REPL一样地执行程序。

  • 第1行，导入一个Python内建的模块“time”。
  • 第2行，从“/CIRCUITPY/lib/hiibot_bluefi/basedio.py”模块中导入一个名叫“LED”的类。
  • 第3行，将导入的“LED”类实例化为一个实体对象，名叫“led”。
  • 第4行，判断条件永远为真的无限循环。
  • 第5行(无穷循环程序块的第1行)，led对象的red属性(led.red)设置为0。
  • 第6行(无穷循环程序块的第2行)，led对象的white属性(led.white)设置为1。
  • 第7行(无穷循环程序块的第3行)，执行time的sleep方法，参数为0.5秒。
  • 第8行(无穷循环程序块的第4行)，led对象的red属性(led.red)设置为1。
  • 第9行(无穷循环程序块的第5行)，led对象的white属性(led.white)设置为0。
  • 第10行(无穷循环程序块的第6行)，执行time的sleep方法，参数为0.5秒。

在本例中，用到了两个模块，分别是time模块和basedio模块。对于time模块，使用的是模块中的sleep方法，该方法的入口参数为延时的时间长度，单位为秒； 而basedio模块的话，使用的是该模块中的“LED”类，在调用类之前，需要将类实例化，即led=LED()。

观察两个LED灯的闪烁情况，我们只能知道LED灯的亮灭是由等号后面的1和0(如led.red = 0)决定的，但到底是哪个让LED灯亮呢？ 我们可以借助于REPL模式分别单步执行其中一个语句，并观察LED灯的状态来确定。在MU编辑器的串口控制台窗口，按下“Ctrl+C” 键， 让BlueFi进入REPL模式，然后在“>>>”提示符后依次输入以下语句并按“Enter”键执行每一个语句：

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>>> import time
>>> from hiibot_bluefi.basedio import LED
>>> led = LED()
>>> led.red = 1

观察红色LED灯的状态，再输入：

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>>> led.red = 0

可以看到，等号右边为1时，LED灯亮；等号右边为0时，LED灯灭。

除了red和white之外，在“LED”类中还有多少个变量或函数？这个问题的答案仍可以求助于REPL。 在REPL的提示符“>>”依次执行以下语句，最后一句是输入“led.”并按Tab键，REPL将把led对象的全部属性和方法都列举出来。

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>>> import time
>>> from hiibot_bluefi.basedio import LED
>>> led = LED()
>>> led.
red             white           redToggle       whiteToggle

这些信息并不能确定led对象所支持的4个接口是什么，如果我们使用“help(led)”将会得到更详细的信息。

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>>> help(led)
object <LED object at 20016680> is of type LED
  __init__ -- <function __init__ at 0x200381f0>
  whiteToggle -- <function whiteToggle at 0x20038190>
  white -- <property>
  __qualname__ -- LED
  redToggle -- <function redToggle at 0x200380a0>
  red -- <property>
  __module__ -- hiibot_bluefi.basedio

其中，red和white分别是led对象的两个属性，redToggle和whiteToggle分别是led对象的两个函数，修改示例程序，观察这两个函数的功能：

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import time
from hiibot_bluefi.basedio import LED
led = LED()
while True:
    led.whiteToggle()
    led.redToggle()
    time.sleep(0.5)

这个程序中的无穷循环程序块仅有3个语句，其中两个是调用led对象的函数——whiteToggle()和redToggle()，最后一个仍是延时0.5秒。 从程序执行效果看，红色LED灯和白色LED灯同时亮灭。说明led对象的whiteToggle()函数和redToggle()函数是在切换LED的亮和灭。

5.1.2 呼吸的LED灯

在上一小节中我们已经掌握从hiibot_bluefi.basedio中导入LED类，并实例化为led，然后对red和white两个属性赋不同的值， 分别实现红色LED和白色LED的亮/灭控制，或者调用led对象的两个函数：redToggle()或whiteToggle()分别控制红色LED和白色LED的状态切换， 也能达到指示灯闪烁的目的。

如果我们能够改变LED指示灯的亮度，可以让LED指示灯输出更多种计算机系统状态，譬如工作状态、空闲状态、故障状态等。 这一小节我们来学习控制LED亮度的方法。

我们首先以BlueFi的白色LED为例，实现其亮度控制。BlueFi的白色LED主要作用是为集成光学传感器提供辅助光，根据不同的光照环境， 能够调节辅助光的亮度是基本的需求。

1. 白色LED灯的亮度控制

我们已经知道REPL可以帮助我们了解一个实体对象的具体属性和函数等信息，我们在执行下面示例程序前，可以先在REPL中依次输入以下语句：

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>>> from hiibot_bluefi.basedio import PWMLED
>>> led=PWMLED()
>>> led.
red             white

显然，PWMLED类的实体对象led仅有两个属性，再无其他接口！然后，仍在REPL模式输入以下语句，并按“Enter”键后观察白色LED的亮度：

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>>> led.white = 100
>>> led.white = 1000
>>> led.white=65535
>>> led.white=0

显然，我们能够用程序来控制白色LED灯的亮度，只要赋予led对象的white属性不同的值，亮度随着值的大小变化。 但是这种控制LED亮度的原理是什么？PWM信号。

2. PWM

PWM, 脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation)的英文缩写。这是一种计算机系统内常用的特殊数字信号，这种信号的形式是方波， 频率是固定不变的，但是高电平的宽度与周期的比值是可调节的，俗称“脉冲(高电平)宽度(可)调变”信号。根据前一节的所知道的， led.white=1时白色LED灯亮，为0时灭。PWM方法调节LED亮度的原理是，以固定的周期，如1000ns，其中500ns让LED亮，500ns让LED灭， LED的实际亮度为最大亮度的1/2；其中250ns亮，750ns灭，LED的实际亮度为最大亮度的1/4；如果0ns亮，1000ns灭，实际上LED是灭掉的； 如果1000ns亮，0ns灭，实际上LED处于最亮状态；..。

由此，我们可以推断出PWM控制LED亮度的数学计算如下：

亮度 = (高电平的宽度)/(PWM周期) * 最大亮度

当高电平的宽度刚好等于PWM周期时，LED最亮；当高电平的宽度为0时，LED灭；当高电平宽度为PWM周期的1/4时，LED亮度就是最大亮度的1/4。

在hiibot_bluefi.basedio模块的PWMLED类中，PWM周期固定为1ms(正好1000ns)，每一个周期被分割为2^16(即65536)份， 也就是所说PWM信号的高电平宽度定义为“v*(1000ns/65536)”，当v=65535时，高电平宽度几乎等于PWM信号的一个周期(即LED最亮)。 我们习惯上把这里的“v”称作占空比，其有效的取值范围为：0~65535。

至此，你能与REPL模式下执行”led.white=v”时随着v的大小亮度随之变化的规律对上了吗？

3. 呼吸灯

在MU编辑器中输入下面的程序，并保存到/CIRCUITPY/code.py文件，让BlueFi执行这个示例的程序， 观察白色LED亮度的变化规律：

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import time
from hiibot_bluefi.basedio import PWMLED
led = PWMLED()
b=0
d=1
while True:
    led.white = b
    b += 655 if d==1 else -655
    if b>65535:
        b=65535
        d=0
    if b<0:
        b=0
        d=1
    time.sleep(0.01)

仔细观察本示例程序的执行效果，感觉到BlueFi在呼吸了吗？白色LED灯的亮度逐渐变到最亮，然后又逐渐熄灭，如此往复。 为什么有这种效果？下面我们逐行来分析每行脚本程序的效果。

  • 第1行，导入一个Python内建的模块“time”。
  • 第2行，从“/CIRCUITPY/lib/hiibot_bluefi/basedio.py”模块中导入一个名叫“PWMLED”的类。
  • 第3行，将导入的“PWMLED”类实例化为一个实体对象，名叫“led”。
  • 第4行，创建变量b，存放亮度大小。
  • 第5行，创建变量d，标志位，为1时代表亮度逐渐变量的过程；为0时代表亮度逐渐变暗的过程。
  • 第6行，开始一个无穷循环的程序块。
  • 第7行(无穷循环程序块的第1行)，led对象的white属性(led.white)设置为变量b的值.
  • 第8行(无穷循环程序块的第2行)，判断变量d的值是否为1，若为1，b的值增加655；若为0，b的值减少655。
  • 第9行(无穷循环程序块的第3行)，判断变量b的值是否大于65535。
  • 第10行(无穷循环程序块的第4行)，如果b>65535，则b=65535。
  • 第11行(无穷循环程序块的第5行)，如果b>65535，则d=0。
  • 第12行(无穷循环程序块的第6行)，判断变量b的值是否小于0。
  • 第13行(无穷循环程序块的第7行)，如果b<0，则b=0。
  • 第14行(无穷循环程序块的第8行)，如果b<0，则d=1。
  • 第15行(无穷循环程序块的第8行)，执行time的sleep方法，参数为0.01秒(即10ms)。

这段程序能够让白色LED亮度以呼吸节奏改变亮度，其中的关键之处是变量b的变化规律。第8～14行程序都是在增加或减少b变量的值。

你能用一句既贴切又合适的话来概括变量b的变化规律吗？