【欧时RS x Arduino】05 Led Matrix 显示风扇档位
# 背景前面已经实现了手势控制风扇，只有在网页展示了手势识别结果以及风扇档位，这次新增板载 Led Matrix 显示风扇档位，并支持不同的亮度等级。
# 亮度定义与时序
L1～L7 与库的非零灰度 1～7 一一对应，L1 是最低亮度，L7 是最大亮度，不使用熄灭灰度 0 来绘制数字。每隔 5 秒下降一级，从 L7 到 L1 共六次下降，因此需 30 秒。
到 L1 后持续显示当前数字，不再重复刷新或打印亮度日志。重复同档指令不重新提亮；只有切换到不同风扇档位才恢复 L7。风扇切到 0 档时，电机停转，但点阵仍显示数字 0，并逐渐降至 L1。亮度变化不影响电机 PWM。
初始化时显示 0，计时从 MCU 初始化开始，可能早于 Python 启动。主循环用 millis\(\) 非阻塞计时，支持延迟 tick 追赶与计时回绕。本次不增加自动心跳超时急停。
# 实现与参数
- `sketch/matrix_display.h/.cpp`：数字、灰度、渐暗状态；使用 `setGrayscaleBits(3)` 与灰度帧 `draw()`。
- `sketch/app_config.h`：`MATRIX_BRIGHTNESS_MIN=1`、`MATRIX_BRIGHTNESS_MAX=7`、`MATRIX_DIM_INTERVAL_MS=5000`。
- `sketch/motor.cpp`：写入 PWM 后更新显示档位。
- `sketch/sketch.ino`：初始化、周期调用和版本标记。
- `python/fan_test.py`：快速切档和显示渐暗验证。
官方接口依据：(https://github.com/arduino/ArduinoCore-zephyr/blob/main/libraries/Arduino_LED_Matrix/src/Arduino_LED_Matrix.h)。采用七级非零灰度，最低等级保持常亮。
# 整体流程图
下图区分“切换档位”和“定时渐暗”两条路径。接收档位指令只修改显示状态，画面由 MCU 主循环统一刷新；即使 Linux 后续没有发送指令，亮度仍会自动下降。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202611/02/002600wt2vvn6fahfd6f62.png)
# Linux 和 MCU 交互图
Linux 仅下发风扇档位，不传输数字字模或亮度变化指令。点阵状态由 MCU 依据其实际写入的档位维护，因此 AI 手势控制与 sweep 测试自然复用同一套显示逻辑。
!(//m.qjumbo.com/forum/data/attachment/forum/202611/02/002612ua73ohrxb73m35c5.png)
点阵反映的是 MCU 已采用并写入 PWM 的“指令档位”，不是转速传感器测量结果。电机方向与显示档位相互独立：改变方向本身不会触发数字变化或亮度重置。
# 模块接口
# 关键代码与说明
## 亮度配置
```C++
#define MATRIX_BRIGHTNESS_MIN1
#define MATRIX_BRIGHTNESS_MAX7
#define MATRIX_DIM_INTERVAL_MS 5000UL
const uint8_t GRAY_FOR_BRIGHTNESS
= {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
```
数组下标就是逻辑亮度等级。运行时只使用下标1～7；第0项保留为0，但不会用来绘制数字。画面背景始终为0，数字笔画最低为1。
## 初始化以及主循环
```Plain
// setup()：在电机与Bridge初始化后初始化点阵
matrix_display_begin();
// loop()：与通信服务一起持续执行
bridge_service_tick();
matrix_display_tick();
```
点阵库通过 `begin()` 初始化，并调用 `setGrayscaleBits(3)`。初始化会设置0档并立即绘制，因此上电后不必等待 Linux 发出第一条指令就能看到数字。
## 电机控制与显示关联
```Plain
// motor_set_level() 中，在档位钳位完成后执行
analogWrite(MOTOR_PIN_PWMA, DUTY_FOR_LEVEL);
matrix_display_set_level(level);
```
显示使用钳位后的合法档位，与 PWM 表的索引保持一致。显示函数不改变 PWM，因此数字逐渐变暗时风扇不会随之降档。
## 切换数字以及恢复亮度
```Plain
void matrix_display_set_level(int level)
{
if (level < 0)
{
level = 0;
}
if (level > FAN_LEVEL_MAX)
{
level = FAN_LEVEL_MAX;
}
if (level == g_level)
{
return;
}
g_level = level;
g_brightness = MATRIX_BRIGHTNESS_MAX;
g_last_step_ms = static_cast<uint32_t>(millis());
g_dirty = true;
}
```
先将输入限制到合法档位。如果与现有档位相同，立即返回；否则恢复最大亮度、记录时间并设置 `g_dirty`。这里不直接绘图，由下一次主循环统一处理。
## 非阻塞渐暗
```C++
void matrix_display_tick()
{
if (g_level < 0)
{
return;
}
const uint32_t now = static_cast<uint32_t>(millis());
// 无符号差值允许 millis() 回绕；延迟 tick 时一次追上应有亮度。
const uint32_t steps = (now - g_last_step_ms) / MATRIX_DIM_INTERVAL_MS;
if (g_brightness > MATRIX_BRIGHTNESS_MIN && steps > 0)
{
const uint32_t remaining = g_brightness - MATRIX_BRIGHTNESS_MIN;
g_brightness = steps >= remaining ? MATRIX_BRIGHTNESS_MIN : g_brightness - steps;
g_last_step_ms += steps * MATRIX_DIM_INTERVAL_MS;
g_dirty = true;
}
if (g_dirty)
{
g_dirty = false;
render();
}
}
```
`steps` 表示已过去多少个完整的5秒周期。若主循环延迟了12秒才执行，会一次降低两级，而不是仅下降一级。计时基准按实际处理的完整周期推进，保留余下时间，避免周期逐步漂移。
无符号时间差支持正常的 `millis()` 回绕。亮度到达 L1 后不再递减，也不因时间继续流逝而重新点亮。此设计仍要求主循环正常运行，不能用它补偿无限期停顿。
## 字模居中与灰度绘制
```C++
constexpr uint8_t WIDTH = 13;
constexpr uint8_t HEIGHT = 8;
constexpr uint8_t DIGIT_WIDTH = 5;
constexpr uint8_t DIGIT_HEIGHT = 6;
constexpr uint8_t OFFSET_X = (WIDTH - DIGIT_WIDTH) / 2; // 4
constexpr uint8_t OFFSET_Y = (HEIGHT - DIGIT_HEIGHT) / 2; // 1
// 示例：数字0，每个二进制数表示字模的一行
const uint8_t digit_zero = {
0b01110,
0b10001,
0b10001,
0b10001,
0b10001,
0b01110
};
// render()中：先将整个g_frame清零，再按当前字模填入笔画
const uint8_t gray = GRAY_FOR_BRIGHTNESS;
for (uint8_t y = 0; y < DIGIT_HEIGHT; ++y)
{
for (uint8_t x = 0; x < DIGIT_WIDTH; ++x)
{
if (DIGITS & (1U << (DIGIT_WIDTH - 1 - x)))
{
g_frame[(y + OFFSET_Y) * WIDTH + x + OFFSET_X] = gray;
}
}
}
g_matrix.draw(g_frame);
```
5×6字模占据列4～8、行1～6，上下各留一行、左右各留四列，实现矩形区域居中。所有笔画像素使用同一个灰度，形成整位数字的统一亮度。切换数字时先清空帧缓冲，避免旧数字笔画残留。
# 演示视频
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