Учебник по Rust: использование датчика HC-SR04 с Pico 2
Мы начнём с создания нового проекта на фреймворке Embassy. После этого повторим тот же проект на rp-hal. Как обычно, создайте проект из шаблона с помощью cargo-generate:
cargo generate --git https://github.com/ImplFerris/pico2-template.git --tag v0.3.2
Когда появится запрос, задайте проекту имя, например bat-beacon, и выберите embassy в качестве HAL. Включите логирование defmt, если у вас есть отладочный зонд, чтобы также видеть логи.
Дополнительные импорты
Помимо обычных импортов шаблона, добавьте в проект эти импорты. Редактор кода должен предложить автоматический импорт для большинства из них, кроме трейта SetDutyCycle, который придётся добавить вручную.
#![allow(unused)]
fn main() {
// Для GPIO
use embassy_rp::gpio::{Input, Level, Output, Pull};
// Для ШИМ
use embassy_rp::pwm::{Pwm, SetDutyCycle};
// Для вычисления времени
use embassy_time::Instant;
}Нам нужны типы GPIO для управления выводами Trigger и Echo, ШИМ для управления яркостью светодиода и утилиты времени для измерения длительности ультразвукового импульса.
Назначение выводов GPIO
К этому моменту вы уже должны знать ШИМ из раздела о плавном изменении яркости светодиода. Здесь мы создадим похожий эффект, но есть ключевое отличие. В главе о плавном изменении яркости мы заставляли светодиод многократно плавно загораться и гаснуть с помощью условий. Здесь же яркость светодиода будет расти только тогда, когда предмет приближается к датчику.
#![allow(unused)]
fn main() {
// Для встроенного светодиода
// let mut led = Pwm::new_output_b(p.PWM_SLICE4, p.PIN_25, Default::default());
// Для внешнего светодиода, подключённого к GPIO 3
let mut led = Pwm::new_output_b(p.PWM_SLICE1, p.PIN_3, Default::default());
}Можно использовать как встроенный светодиод, так и внешний. Мне больше нравится внешний светодиод: плавные изменения яркости видны намного лучше.
Далее инициализируем светодиод выключенным и получим его максимальное значение коэффициента заполнения:
#![allow(unused)]
fn main() {
led.set_duty_cycle(0)
.expect("duty cycle is within valid range");
let max_duty = led.max_duty_cycle();
// defmt::info!("Max duty cycle {}", max_duty);
}Коэффициент заполнения определяет яркость светодиода: 0 — полностью выключен, а max_duty — полностью включен.
Настройка выводов Trigger и Echo
Как вы знаете, Pico должен посылать сигнал на вывод trigger, поэтому вывод GPIO 17 (подключённый к выводу trigger) мы настраиваем как выход с начальным низким уровнем. Датчик сообщает расстояние импульсами на выводе echo, то есть отправляет сигналы в Pico (вход для Pico). Поэтому вывод GPIO 16 (подключённый к выводу echo) мы настраиваем как вход.
#![allow(unused)]
fn main() {
let mut trigger = Output::new(p.PIN_17, Level::Low);
let echo = Input::new(p.PIN_16, Pull::Down);
}Перевод расстояния в яркость светодиода
Нам нужна функция, которая переводит измеренное расстояние в подходящее значение коэффициента заполнения. Чем ближе предмет, тем выше коэффициент заполнения (ярче светодиод):
#![allow(unused)]
fn main() {
const MAX_DISTANCE_CM: f64 = 30.0;
fn calculate_duty_cycle(distance: f64, max_duty: u16) -> u16 {
if distance < MAX_DISTANCE_CM && distance >= 2.0 {
let normalized = (MAX_DISTANCE_CM - distance) / MAX_DISTANCE_CM;
// defmt::info!("duty cycle :{}", (normalized * max_duty as f64) as u16);
(normalized * max_duty as f64) as u16
} else {
0
}
}
}Функция принимает измеренное расстояние и максимальное значение коэффициента заполнения. Если расстояние находится между 2 см (минимальный диапазон датчика) и 30 см, мы нормируем его к диапазону от 0 до 1 и умножаем на максимальный коэффициент заполнения. Предметы ближе 2 см или дальше 30 см приводят к выключению светодиода (коэффициент заполнения 0).
Измерение расстояния датчиком
Расстояние будем измерять, посылая ультразвуковой импульс и засекая, сколько времени он идёт до возврата:
#![allow(unused)]
fn main() {
const ECHO_TIMEOUT: Duration = Duration::from_millis(100);
async fn measure_distance(trigger: &mut Output<'_>, echo: &Input<'_>) -> Option<f64> {
// Отправляем импульс trigger
trigger.set_low();
Timer::after_micros(2).await;
trigger.set_high();
Timer::after_micros(10).await;
trigger.set_low();
// Ждём, когда echo станет HIGH (датчик отвечает)
let timeout = Instant::now();
while echo.is_low() {
if timeout.elapsed() > ECHO_TIMEOUT {
defmt::warn!("Timeout waiting for HIGH");
return None; // Досрочный выход по таймауту
}
}
let start = Instant::now();
// Ждём, когда echo станет LOW (импульс завершён)
let timeout = Instant::now();
while echo.is_high() {
if timeout.elapsed() > ECHO_TIMEOUT {
defmt::warn!("Timeout waiting for LOW");
return None; // Досрочный выход по таймауту
}
}
let end = Instant::now();
// Вычисляем расстояние
let time_elapsed = end.checked_duration_since(start)?.as_micros();
let distance = time_elapsed as f64 * 0.0343 / 2.0;
Some(distance)
}
}Мы начинаем с того, что ненадолго переводим вывод trigger в низкий уровень, а затем на 10 микросекунд переводим его в высокий. Это создаёт импульс trigger, который велит датчику испустить ультразвуковой пакет. После этого ждём, пока вывод Echo поднимется. Время, в течение которого вывод Echo остаётся в высоком состоянии, — это время прохождения звуковой волны туда и обратно. Используя эту длительность, вычисляем итоговое расстояние и возвращаем его.
Мы также добавили таймаут на ожидание изменения состояния вывода echo, чтобы код не завис навечно. Если вывод не отвечает за допустимое время, мы считаем попытку неудачным измерением и возвращаем None, что позволяет остальной программе продолжать работать как обычно.
Главный цикл
Наконец, создадим главный цикл, который постоянно считывает датчик и обновляет светодиод:
#![allow(unused)]
fn main() {
loop {
Timer::after_millis(10).await;
let distance = match measure_distance(&mut trigger, &echo).await {
Some(d) => d,
None => {
Timer::after_secs(5).await;
continue; // Переходим к следующей итерации
}
};
let duty_cycle = calculate_duty_cycle(distance, max_duty);
led.set_duty_cycle(duty_cycle)
.expect("duty cycle is within valid range");
}
}Каждые 10 миллисекунд мы измеряем расстояние. Если измерение прошло успешно, вычисляем подходящую яркость светодиода и применяем её. Если измерение не удалось (из-за таймаута или проблем с датчиком), ждём 5 секунд перед следующей попыткой.
Полный код
Вот всё вместе:
#![no_std]
#![no_main]
use embassy_executor::Spawner;
use embassy_rp as hal;
use embassy_rp::block::ImageDef;
use embassy_time::{Duration, Timer};
//Обработчик паники
use panic_probe as _;
// Логирование через defmt
use defmt_rtt as _;
// Для GPIO
use embassy_rp::gpio::{Input, Level, Output, Pull};
// Для ШИМ
use embassy_rp::pwm::{Pwm, SetDutyCycle};
// Для вычисления времени
use embassy_time::Instant;
/// Сообщаем Boot ROM о нашем приложении
#[unsafe(link_section = ".start_block")]
#[used]
pub static IMAGE_DEF: ImageDef = hal::block::ImageDef::secure_exe();
#[embassy_executor::main]
async fn main(_spawner: Spawner) {
let p = embassy_rp::init(Default::default());
// Для встроенного светодиода
// let mut led = Pwm::new_output_b(p.PWM_SLICE4, p.PIN_25, Default::default());
// Для внешнего светодиода, подключённого к GPIO 3
let mut led = Pwm::new_output_b(p.PWM_SLICE1, p.PIN_3, Default::default());
let mut trigger = Output::new(p.PIN_17, Level::Low);
let echo = Input::new(p.PIN_16, Pull::None);
led.set_duty_cycle(0)
.expect("duty cycle is within valid range");
let max_duty = led.max_duty_cycle();
// defmt::info!("Max duty cycle {}", max_duty);
loop {
Timer::after_millis(10).await;
let distance = match measure_distance(&mut trigger, &echo).await {
Some(d) => d,
None => {
Timer::after_secs(5).await;
continue; // Переходим к следующей итерации
}
};
let duty_cycle = calculate_duty_cycle(distance, max_duty);
led.set_duty_cycle(duty_cycle)
.expect("duty cycle is within valid range");
}
}
const ECHO_TIMEOUT: Duration = Duration::from_millis(100);
async fn measure_distance(trigger: &mut Output<'_>, echo: &Input<'_>) -> Option<f64> {
// Отправляем импульс trigger
trigger.set_low();
Timer::after_micros(2).await;
trigger.set_high();
Timer::after_micros(10).await;
trigger.set_low();
// Ждём, когда echo станет HIGH (датчик отвечает)
let timeout = Instant::now();
while echo.is_low() {
if timeout.elapsed() > ECHO_TIMEOUT {
defmt::warn!("Timeout waiting for HIGH");
return None; // Досрочный выход по таймауту
}
}
let start = Instant::now();
// Ждём, когда echo станет LOW (импульс завершён)
let timeout = Instant::now();
while echo.is_high() {
if timeout.elapsed() > ECHO_TIMEOUT {
defmt::warn!("Timeout waiting for LOW");
return None; // Досрочный выход по таймауту
}
}
let end = Instant::now();
// Вычисляем расстояние
let time_elapsed = end.checked_duration_since(start)?.as_micros();
let distance = time_elapsed as f64 * 0.0343 / 2.0;
Some(distance)
}
const MAX_DISTANCE_CM: f64 = 30.0;
fn calculate_duty_cycle(distance: f64, max_duty: u16) -> u16 {
if distance < MAX_DISTANCE_CM && distance >= 2.0 {
let normalized = (MAX_DISTANCE_CM - distance) / MAX_DISTANCE_CM;
// defmt::info!("duty cycle :{}", (normalized * max_duty as f64) as u16);
(normalized * max_duty as f64) as u16
} else {
0
}
}
// Метаданные программы для `picotool info`.
// Это не обязательно, но рекомендуется добавить эти минимальные записи.
#[unsafe(link_section = ".bi_entries")]
#[used]
pub static PICOTOOL_ENTRIES: [embassy_rp::binary_info::EntryAddr; 4] = [
embassy_rp::binary_info::rp_program_name!(c"ultrasonic"),
embassy_rp::binary_info::rp_program_description!(c"your program description"),
embassy_rp::binary_info::rp_cargo_version!(),
embassy_rp::binary_info::rp_program_build_attribute!(),
];
// Конец файлаКлонируйте существующий проект
Можно клонировать проект, который я создал, и перейти в папку ultrasonic.
git clone https://github.com/ImplFerris/pico2-embassy-projects
cd pico2-embassy-projects/ultrasonic