使用樹(shù)莓派Pico編一個(gè)拼手速游戲

微控制器（MCU）不僅存在于工業(yè)設(shè)備中，它們?yōu)榘ㄍ婢吆陀螒蛟趦?nèi)的許多家庭電子產(chǎn)品 供算力。在這一章中，你將創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng)計(jì)時(shí)游戲，看看你的朋友中誰(shuí)會(huì)在燈熄滅時(shí)第一個(gè)按下按鈕。

你的反應(yīng)時(shí)間，大腦來(lái)處理的時(shí)間以毫秒計(jì)：人類的平均反應(yīng)時(shí)間大約是 200 – 250 毫秒。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，你需要：
– 樹(shù)莓派 Pico
– 面包板
– 任何顏色的 LED 燈
– 一個(gè) 330Ω 電阻
– 兩個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)
– 若干公對(duì)公跳線
– 一根 microUSB 數(shù)據(jù)線

將 Pico 連接到樹(shù)莓派或其他運(yùn)行 Thonny MicroPython IDE 的計(jì)算機(jī)。

單人游戲

如圖所示在面包板上搭建電路。LED 和 330Ω 限流電阻串聯(lián)在 Pico 的 GP15 和 GND 引腳之間。

接下來(lái)，添加按鈕開(kāi)關(guān)。將按鈕一側(cè)的引腳連接到 Pico 的 GP14，另一側(cè)的引腳接到 Pico 的 3V3 引腳上。

為什么要連接 3v3？請(qǐng)記住，開(kāi)關(guān)和 LED 一樣，需要電阻器才能正確工作，而且
Pico 上 GPIO 是有可編程電阻器的。在這本文的項(xiàng)目中，我們將它們?cè)O(shè)置為下拉電阻，這意味著當(dāng)按鈕按下時(shí)，引腳電壓必須被拉高。

現(xiàn)在你的電路已經(jīng)具備了作為一個(gè)單人游戲所需要的一切，LED 是輸出設(shè)備（類似電視機(jī)的作用），按鈕開(kāi)關(guān)為控制器，而 Pico 是游戲主機(jī)，盡管它比你通?？吹降囊〉枚?！

現(xiàn)在你需要真正編寫(xiě)游戲。和往常一樣，把樹(shù)莓派上的 Thonny 打開(kāi)。創(chuàng)建一個(gè)新程序：

import machine
import utime

此外，你將需要一個(gè)新的庫(kù)：urandom，它用來(lái)創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)并在這個(gè)游戲中使用，以防止曾經(jīng)玩過(guò)它的玩家簡(jiǎn)單地倒數(shù)一個(gè)固定的秒數(shù)點(diǎn)擊按鈕而一招制勝。

接下來(lái)，設(shè)置好 LED 和按鈕的引腳：

led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

在前面的章節(jié)中，你已經(jīng)了解如何在主程序或單獨(dú)的線程中使用按鈕。這一次我們將采 用一種不同的、更靈活的方法：中斷請(qǐng)求（IRQs）來(lái)處理按鈕的反饋。

這個(gè)名字聽(tīng)起來(lái)很復(fù)雜，但其實(shí)很簡(jiǎn)單。想象一下，你正在一頁(yè)一頁(yè)地閱讀一本書(shū)，有人走過(guò)來(lái)問(wèn)你一個(gè)問(wèn)題。那個(gè)人在執(zhí)行一個(gè)打斷請(qǐng)求，要求你停止正在做的事情，回答他們的問(wèn)題，然后讓你繼續(xù)讀你的書(shū)。

MicroPython 中斷請(qǐng)求以完全相同的方式工作，它允許某些東西（在這種情況下是按下按鈕 開(kāi)關(guān)）中斷主程序。在某些方面，它和線程很相似，在主程序之外有一段代碼。然而，與線程不 同的是，代碼不是持續(xù)運(yùn)行的，它只在中斷被觸發(fā)時(shí)運(yùn)行。

首先定義中斷的處理程序。這個(gè)被稱為回調(diào)函數(shù)的代碼在中斷被觸發(fā)時(shí)運(yùn)行。

def button_handler(pin):
button.irq(handler=None)
print(pin)

這兩行代碼首先關(guān)閉中斷，這樣它只觸發(fā)一次，然后打印有關(guān)觸發(fā)中斷的引腳編號(hào)。

繼續(xù)下面的程序:

led.value(1)
utime.sleep(urandom.uniform(5, 10))
led.value(0)

第一行將 LED 點(diǎn)亮，下一行暫停程序，最后一行再次關(guān)閉 LED 燈。玩家按下按鈕之后，LED 被點(diǎn)亮的時(shí)間并不是固定的，而是利用 urandom 庫(kù)將程序暫停 5 到 10 秒，換句話說(shuō)，就是 LED 會(huì)亮 5 到 10 秒。

然而，目前還沒(méi)有什么東西在等待著按鈕被按下。你需要為此設(shè)置中斷，方法是在程序末尾增加一行：

button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

設(shè)置中斷需要兩個(gè)東西：觸發(fā)器和處理程序。觸發(fā)器告訴 Pico 它應(yīng)該尋找什么作為中斷它正在做的事情的有效信號(hào)；handler 就是中斷被觸發(fā)后運(yùn)行的函數(shù)名。

在這個(gè)程序中，你的觸發(fā)器是 IRQ_RISING，這意味著中斷是由引腳電壓從低電平升到高電平時(shí)觸發(fā)。而 IRQ_FALLING 這是引腳電壓從高電平到低電平時(shí)觸發(fā)。如果你需要寫(xiě)一個(gè)程序，在一個(gè)引腳改變時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷，而不關(guān)心它是上升還是下降，你可以使用「|」組合這兩個(gè)觸發(fā)器：

button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING | machine.Pin.IRQ_FALLING, andler=button_handler)

本項(xiàng)目中，代碼將變成下面這樣：

import machine
import utime
import urandom


led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)


def button_handler(pin):
  button.irq(handler=None)
  print(pin)


led.value(1)
utime.sleep(urandom.uniform(5, 10))
led.value(0)
button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

單擊 Run 按鈕，并將程序保存到 Pico 上命名為 Reaction_Game.py。你會(huì)看到 LED 燈亮起來(lái)，這是信號(hào)，用你的手指放在按鈕上。當(dāng) LED 熄滅時(shí)，盡可能快地按下按鈕。

當(dāng)你按下按鈕時(shí)，它會(huì)觸發(fā)你之前編寫(xiě)的處理程序代碼。查看 Shell 區(qū)域，你將看到 Pico 打印了一條消息，確認(rèn)中斷是由 GP14 引腳觸發(fā)的。你還會(huì)看到另一個(gè)細(xì)節(jié)：mode=IN 告訴你引腳被配置為輸入。不過(guò)，這個(gè)信息并沒(méi)有給游戲造成多大的影響，為此，你需要一種方法來(lái)加快玩家的反應(yīng)速度。首先從按鈕處理程序中刪除 print(pin) 這一行，你不再需要它了。

轉(zhuǎn)到程序的底部并添加一條新行，就在你設(shè)置中斷的位置的正上方：

timer_start = utime.ticks_ms()

這里創(chuàng)建了一個(gè)名為 timer_start 的新變量，并賦予了 utime.ticks_ms() 函數(shù)的輸出，該函數(shù)計(jì)算自 utime 庫(kù)開(kāi)始計(jì)數(shù)以來(lái)已過(guò)的毫秒數(shù)。這給在 LED 熄滅之后和中斷觸發(fā)器準(zhǔn)備好讀取按鈕之前，提供了一個(gè)參考的時(shí)間點(diǎn)。

接下來(lái)，回到按鈕處理程序，添加以下兩行：

timer_reaction = utime.ticks_diff(utime.ticks_ms(), timer_start)
print("Your reaction time was " + str(timer_reaction) + "milliseconds!")

第一行創(chuàng)建了另一個(gè)變量，這一次是中斷實(shí)際觸發(fā)的時(shí)刻，換句話說(shuō)，就是按下按鈕的時(shí) 候。但是，它不像以前那樣簡(jiǎn)單地從 utime.ticks_ms() 中讀取數(shù)據(jù)，而是使用 utime.ticks_diff() 這個(gè)函數(shù)，它得到了觸發(fā)這行代碼的時(shí)間與變量 timer_start 中保存的參考點(diǎn)之間的差異。

第二行代碼打印出計(jì)算結(jié)果。

最后的代碼如下：

import machine
import utime
import urandom


led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)


def button_handler(pin):
  button.irq(handler=None)
  timer_reaction = utime.ticks_diff(utime.ticks_ms(), timer_start)
  print("Your reaction time was " + str(timer_reaction) + " milliseconds!")


led.value(1)
utime.sleep(urandom.uniform(5, 10))
led.value(0)
timer_start = utime.ticks_ms() button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

再次點(diǎn)擊 Run 按鈕，等待 LED 熄滅，然后按下按鈕。這一次，你將看到一條消息，告訴你按下按鈕的速度，而不是觸發(fā)中斷的針的報(bào)告，這是對(duì)你反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量。

再次點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，看看你是否可以更快的速度按下按鈕，在這個(gè)游戲中，你正在嘗試盡可能低的分?jǐn)?shù)！

雙人游戲

單人游戲很有趣，但是讓你的朋友參與進(jìn)來(lái)會(huì)更好。你可以先邀請(qǐng)他們玩你的游戲，比較你 的高分或低分，看看誰(shuí)的反應(yīng)最快。然后，你可以修改你的游戲，讓他們和你一起玩。

首先在你的電路中添加第二個(gè)按鈕。如圖所示。確保兩個(gè)按鈕之間有足夠的距離，以便玩家能夠?qū)⑹种阜旁诎粹o上。

雖然第二個(gè)按鈕現(xiàn)在已經(jīng)連接到 Pico，但它還不知道如何使用它?；氐侥阍?Thonny 的程序 中，找到你設(shè)置第一個(gè)按鈕的地方。在這一行下面，添加：

right_button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

你將注意到，名稱現(xiàn)在指定了你正在使用的按鈕（右側(cè)的按鈕）。為了避免混淆，請(qǐng)編輯
上面的一行，這樣你就可以清楚地看到，原來(lái)黑板上唯一的按鈕現(xiàn)在變成了左邊的按鈕：

left_button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

你還需要在程序的其他地方進(jìn)行相同的更改。轉(zhuǎn)到按鈕處理器功能并更改行：

button.irq(handler=None)

它讀取：

left_button.irq(handler=None)

接下來(lái)，為第二個(gè)按鈕添加：

right_button.irq(handler=None)

向下滾動(dòng)到程序的底部，并更改設(shè)置中斷觸發(fā)器的行，以便它進(jìn)行讀?。?/p>

left_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

同樣，在它下面添加另一行，以在新按鈕上設(shè)置中斷觸發(fā)器：

right_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

你的程序現(xiàn)在應(yīng)該看起來(lái)像這樣：

import machine
import utime
import urandom


led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
left_button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)right_button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)


def button_handler(pin):
  left_button.irq(handler=None)
  right_button.irq(handler=None)
  timer_reaction = utime.ticks_diff(utime.ticks_ms(), timer_start) print("Your reaction time was " + str(timer_reaction) +
  " milliseconds!")


led.value(1)
utime.sleep(urandom.uniform(5, 10))
led.value(0)
right_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)
left_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)

點(diǎn)擊 Run 圖標(biāo)，等待 LED 熄滅，然后按下左邊的按鈕開(kāi)關(guān)，你會(huì)看到游戲和之前一樣，將你的反應(yīng)時(shí)間打印到 Shell 區(qū)域。再次點(diǎn)擊運(yùn)行圖標(biāo)，但這一次，當(dāng) LED 熄滅時(shí)，按右邊的按鈕也在正常工作，打印你們的反應(yīng)時(shí)間。

中斷和中斷處理函數(shù)

你創(chuàng)建的每個(gè)中斷都需要一個(gè)處理程序，但單個(gè)處理程序可以處理任意數(shù)量的中斷。在這個(gè)程序中，有兩個(gè)中斷都指向同一個(gè)處理程序，這意味著無(wú)論觸發(fā)哪個(gè)中斷，它們都將運(yùn)行相同的代碼。不同的程序可能有兩個(gè)處理程序，讓每個(gè)中斷運(yùn)行不同的代碼，這完全取決于你需要你的程序做什么。

為了讓游戲更精彩一點(diǎn)，你可以讓它報(bào)告兩個(gè)玩家中哪一個(gè)是第一個(gè)按下按鈕的。回到程序的 頂部，就在下面，你可以設(shè)置 LED 和兩個(gè)按鈕，并添加以下內(nèi)容：

fastest_button = None

這將設(shè)置一個(gè)新變量 fastest_button，并將其初始值設(shè)置為 None，因?yàn)檫€沒(méi)有按下任何按鈕。

接下來(lái)，到按鈕處理程序的底部，刪除處理計(jì)時(shí)器和打印的兩行，然后用以下代碼替換它們：

global fastest_button
fastest_button = pin

這兩行代碼讓 fastest_button 成為變量，并將其設(shè)置為相應(yīng)按鈕的引腳編號(hào)。

現(xiàn)在直接轉(zhuǎn)到程序的底部，并添加以下兩行：

while fastest_button is None:
utime.sleep(1)

這里創(chuàng)建了一個(gè)循環(huán)，但它不是一個(gè)無(wú)限循環(huán)。這里，你告訴 MicroPython 只有在 fastest_button 變量仍然為 None 時(shí)才在循環(huán)中運(yùn)行代碼。實(shí)際上，這會(huì)暫停程序的主線程，直到中斷處理程序更改了變量的值。

如果兩個(gè)玩家都沒(méi)有按下按鈕，程序就會(huì)暫停。

最后，你需要一種方法來(lái)確定哪位選手獲勝，并向他們表示祝賀。在程序的底部輸入以下代碼：

if fastest_button is left_button:
print("Left Player wins!")
elif fastest_button is right_button:
print("Right Player wins!")

第一行設(shè)置了一個(gè) if 條件，用于查看 fastest_button 變量是否為 left_button（這意味著 IRQ 是由左手按鈕觸發(fā)的）。如果是這樣，它將打印一條消息祝賀左邊的玩家（他的按鈕連接到 GP14 引腳）。

如果條件不成立，它將查看 fastest_button 變量是否為 right_button。如果是，則打印一條消息祝賀右邊的玩家，該玩家的按鈕已連接到 GP16。

完成的程序如下：

import machine
import utime
import urandom


led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
left_button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) right_button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)


fastest_button = None


def button_handler(pin):
  left_button.irq(handler=None)
  right_button.irq(handler=None)
  global fastest_button
  fastest_button = pin


led.value(1)
utime.sleep(urandom.uniform(5, 10))
led.value(0)
left_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)
right_button.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=button_handler)


while fastest_button is None:
  utime.sleep(1)


if fastest_button is left_button:
  print("Left Player wins!")
elif fastest_button is right_button:
  print("Right Player wins!")

點(diǎn)擊 Run 按鈕運(yùn)行程序，等待 LED 熄滅，但不要按下任何一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。

你將看到 Shell 區(qū)域仍然是空白的，并且不會(huì)返回「>>>」提示符。這是因?yàn)橹骶€程仍在運(yùn)行，處于你創(chuàng)建的循環(huán)中。

現(xiàn)在按左手按鈕（GP14）。你將看到一條祝賀你的消息「Left Player wins!」打印到 Shell 上。

再次單擊 Run 運(yùn)行，并嘗試在 LED 熄滅后按下右手按鈕。你將看到另一條消息「Right Player wins!」打印出來(lái)，這一次祝賀你的右手。

再次點(diǎn)擊 Run 運(yùn)行，這次每個(gè)按鈕上都有一個(gè)手指，同時(shí)按下它們，看看你的右手還是左手更快！

現(xiàn)在你已經(jīng)創(chuàng)造了一個(gè)雙人游戲，你可以邀請(qǐng)你的朋友一起玩，看看你們誰(shuí)的反應(yīng)速度最快！