Raspberry Pi 之 SenseHAT 开发笔记

SenseHAT 是 Raspberry Pi 家族的标准组件，不仅在硬件设计一与 Raspberry Pi 浑然天成，无需任何改动或添加即可完全接入 Rpi，而且在软件上也能得到 Raspbian 官方的支持，无论是 Scratch 平台还是 Python 平台都提供了完整的驱动和模块，非常方便使用和教学。

本文记录了有关 Sense-HAT 的知识，及学习、开发细节。

Sense-HAT 主板

1. Sense-HAT 引入

1.1 发展及历史

Sense-HAT 创立之初是作为 Astro-Pi 项目的一个基本组件。Astro-Pi 是 ESA(European Space Agency 欧洲航天局) 发起的一项年度科学探索与编程竞赛，其中，由学生编写的代码将有机会在国际空间站上运行，但目前此项竞赛仅对 ESA 成员国开放。

Astro-Pi 致力于展示计算机编程的魅力，鼓励在校生提高数字写作技能，培养它们对于 STEM 学科的兴趣。空间飞行常被青年们视为令人兴奋和及具创造性的活动。Astro-Pi 给了他们一个能够主动参与空间科学探索的机会，实地探索空间创新，实现创意愿望，而不仅仅是作为一个旁观者。

Astro-Pi 项目不限于在太空站中开展，也在教室中进行。它由 Rpi 计算机和 Sense-HAT 传感器板组成，Sense-HAT 用以感知所在的空间环境，检测运动，获取地球磁场信息。

Sense-HAT 作为 Astro-Pi 硬件，已展示出了其非凡和独特的能力。

1. 安装配置 SenseHAT

新的 SenseHAT 到手，通常还需要进行硬件的安装。

1.1 40pin引脚安装

与其它板子引脚焊接方式不同，Sense-HAT 的引脚居然与板子是分离的，而板子上焊接的是引脚座，需要装引脚插入引脚座中，一般对准孔位后用力按压即可完成。

1.2 扩展板安装

安装好引脚后，就可以装引脚对准 Rpi主板的插座进行安装了。

1.3 加电

很快安装好硬件，进行加电测试，可以发现，加电后 HAT 的LED阵列以一种七彩的方式显示，这时HAT板实际上处于一种空置状态，Rpi并没有真正管理HAT。

1.4 配置HAT

Rpi是通过I2C接口与HAT通信的，因此，需要在Respbian中的配置选项中打开 I2C 使能开关。

1.5 安装驱动

由于HAT是官方标配的硬件，Raspbian系统已经开发了针对HAT的驱动程序，直接安装即可。

$ sudo apt-get install sense-hat

很多时候，都不需要安装，因为系统已安装好了。

驱动安装完成后，会有 /usr/src/sense-hat 目录

其中 examples 都是案例，可以运行。

 1.6 添加配置

这时，我们发现还不能正常使用HAT，在 /boot/config.txt 还要添加相应的配置选项。

在配置文件 config.txt 末尾添加如下一行

dtoverlay=rpi-sense

1.7 重新启动

完成以上步骤后，需要重新启动Rpi。启动时 HAT 会如以前一样显示彩虹灯面板，便随着驱动的成功加载，灯会很快熄灭，也就是说如果灯熄灭了，则表示驱动加载成功。

2. 功能测试

2.1 LED 

由于是官方硬件，Scratch自带Sense-HAT的扩展模块，可以很方便的进行测试。

下面是一个Scratch版本的LED走马灯程序，依次点亮 LED

下面是一个 Python 版本的 走马灯程序

#!/usr/bin/env python

from sense_hat import SenseHat

import time

import sys

black=[[0,0,0]]*64

sense=SenseHat()

sense.set_pixels(black)

while 1:

 for x in range(0,8):

  for y in range(0,8):

   sense.set_pixels(black)

   sense.set_pixel(x,y,255,255,255)

   time.sleep(0.05)

经过测试，Scratch命令对于 LED 灯状态的切换时间最小可以达到0.3秒，而 Python 命令对于 LED 灯状态的控制速度可以达到0.02秒，而且还可以再快，但如果再快，则硬件速度跟不上了，则会出现 跳灯的情况，即部分LED灯不会被点亮，而直接跳到下一灯的情况。

2.2 IMU 功能测试

Sense帽有一个IMU((Inertial Measurement Unit惯性测量单元)芯片，其中包括一组检测运动的传感器：

•一个陀螺仪 Gyroscope (用来检测板上的方向) GYRO 希腊语 "旋转"

•加速度计 Accelerometer (用于检测运动)  

•磁力仪  Compass (用于探测磁场)  

我们都知道地球绕着南北两极之间的一个轴旋转。我们也可以将sensehat增加三个轴，这些都是:

•俯仰pitch

•滚动roll

•偏航yaw

如果把树莓派的网络和USB接口看作飞机的头的话，那么就可以较好理解这三个转轴。

yaw 就是航向，表示飞机的水平飞行方向

roll 就是滚动，表示飞机围绕着自己的中轴翻滚

pitch 俯仰就是机头向上抬起，或机头向下俯冲

Scratch 提供的 SenseHAT 扩展板插件中提供了以下的三个传感器数据的支持

一种简单的测试方法是，直接用传感器的值来定义角色面向的方向

如上图所示，箭头角色的方向由 yaw 值来决定。

试验发现，这三个变量的取值非常不稳定，而且对于动作有一定的延迟效果，数值抖动非常厉害。用下面这个实验可以发现。将小球在 x, y 坐标上的增量设为 roll 和 pitch 值，观察小球的运动。

  

小球实际上做的是类似分子的布朗运动，抖动非常厉害。