はじめに

PCを好きな色に光らせるために書いた記事です．RGBの三色LEDを好きな色に光らせるプログラムを作ってみました。RaspberryPiZeroにあるGPIOピンを使ってLEDを光らせます。ソフトウェアでPWM制御することで色の強弱を表現します。ソースコードは最後にまとめて載せます。

環境

Raspberry Pi Zero WH
Raspbian 10.0

説明

アルゴリズム

PWMの1周期で、最初に赤、緑、青すべてのLEDを点灯させ、RGB値に応じて適切なタイミングで消灯させます。
まず、RGB値を小さい順に並べます。次に、RGB値の小さいものから順に消灯するために、消灯する時間間隔を計算します。

LEDをON,OFFするスレッドを作り、RGB値の並べ替えや時間間隔を計算するのとは別にします。

ファイル

ledmain.cに点灯させる色の流れを記述しておきます。ledmain.cからledgpio.cを呼び出してGPIOを制御します。ledgpio.cではpigpioを使います。

最初にpinInitialise()を呼び、最後にpinTerminate()を呼びます。colorLed()またはgraduateLed()で色と点灯時間を指定してLEDを光らせます。

実行方法

下記のledgpio.c、ledgpio.h、ledmain.cを同じディレクトリに入れます。
ledmain.cを適当に書き換えます。
$ gcc -O3 -o ledmain -lpigpio -lpthread ledgpio.c ledmain.cでコンパイルします。ledmainという実行ファイルができます。
$ sudo ./ledmainで実行します。

ソースコード

ledmain.c

#include <pigpio.h>
#include "ledgpio.h"

int main(void){
    int i;
    int pin[3] = {17, 18, 19}; // 赤: GPIO17ピン, 緑: GPIO18ピン, 青: GPIO19ピン
    pinInitialise(pin);

    for(i=0; i<100; i++){
        colorLed(1, 0, 0, 1000000, pin); // 赤、1000000マイクロ秒
        colorLed(0, 1, 0, 1000000, pin); // 緑、1000000マイクロ秒
        colorLed(0, 0, 1, 1000000, pin); // 青、1000000マイクロ秒
        graduateLed(0, 0, 1, 1, 0, 1, 2000000, pin); // 青→マゼンタ、2000000マイクロ秒
        graduateLed(1, 0, 1, 1, 0, 0, 2000000, pin); // マゼンタ→赤、2000000マイクロ秒
        graduateLed(1, 0, 0, 1, 1, 0, 2000000, pin); // 赤→黄、2000000マイクロ秒
        graduateLed(1, 1, 0, 0, 1, 0, 2000000, pin); // 黄→緑、2000000マイクロ秒
        graduateLed(0, 1, 0, 0, 1, 1, 2000000, pin); // 緑→シアン、2000000マイクロ秒
        graduateLed(0, 1, 1, 1, 1, 1, 2000000, pin); // シアン→白、2000000マイクロ秒
        colorLed(1, 1, 1, 1000000, pin);  // 白、1000000マイクロ秒
    }

    pinTerminate(pin);
    return 0;
}

ledgpio.h

#ifndef _LEDGPIO_H
#define _LEDGPIO_H

void pinInitialise(int pin[3]);
void pinTerminate(int pin[3]);
void colorLed(double red, double green, double blue, long time_usec, int pin[3]);
void graduateLed(double red1, double green1, double blue1,
                double red2, double green2, double blue2, long time_usec, int pin[3]);

#endif

ledgpio.c

#include <pigpio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

long period_usec = 5000; // PWMの周期

// スレッドに値を渡すための変数
pthread_t thread;
volatile int loop_on, renew, pin0, pin1, pin2;
volatile useconds_t time0, time1, time2, time3;

/**
 * @fn
 * LEDをON,OFFさせるためのスレッド
 */
void *loop_thread(){
    int pin0L, pin1L, pin2L;
    useconds_t time0L, time1L, time2L, time3L;
    while(loop_on){
        if(renew){ // 色を更新する。
            renew = -1;
            pin0L = pin0;
            pin1L = pin1;
            pin2L = pin2;
            time0L = time0;
            time1L = time1;
            time2L = time2;
            time3L = time3;
            renew = 0;
        }
        gpioWrite(pin0L, PI_ON);
        gpioWrite(pin1L, PI_ON);
        gpioWrite(pin2L, PI_ON);
        usleep(time0L);
        gpioWrite(pin0L, PI_OFF);
        usleep(time1L);
        gpioWrite(pin1L, PI_OFF);
        usleep(time2L);
        gpioWrite(pin2L, PI_OFF);
        usleep(time3L);
    }
}

/**
 * @fn
 * 初期化する関数。最初に呼ぶ。
 * @param (pin) GPIOのピン番号
 */
void pinInitialise(int pin[3]){
    if(gpioInitialise() < 0) return;
    gpioSetMode(pin[0], PI_OUTPUT);
    gpioSetMode(pin[1], PI_OUTPUT);
    gpioSetMode(pin[2], PI_OUTPUT);
    gpioWrite(pin[0], PI_OFF);
    gpioWrite(pin[1], PI_OFF);
    gpioWrite(pin[2], PI_OFF);
    loop_on = 1;
    pin0 = pin[0];
    pin1 = pin[1];
    pin2 = pin[2];
    time0 = 0;
    time1 = 0;
    time2 = 0;
    time3 = period_usec;
    renew = 1;
    pthread_create(&thread, NULL, &loop_thread, NULL);
}

/**
 * @fn
 * 最後に呼ぶ。
 * @param (pin) GPIOのピン番号
 */
void pinTerminate(int pin[3]){
    loop_on = 0;
    pthread_join(thread, NULL);
    gpioWrite(pin[0], PI_OFF);
    gpioWrite(pin[1], PI_OFF);
    gpioWrite(pin[2], PI_OFF);
    gpioTerminate();
}

/**
 * @fn
 * 指定の色で光らせる。
 * @param (red) RGBの赤色成分
 * @param (green) RGBの緑色成分
 * @param (blue) RGBの青色成分
 * @param (time_usec) 光らせる時間。マイクロ秒。
 * @param (pin) GPIOのピン番号
 */
void colorLed(double red, double green, double blue, long time_usec, int pin[3]){
    double tr, tg, tb;
    clock_t start = clock();
    tr = period_usec * red;
    tg = period_usec * green;
    tb = period_usec * blue;
    while(renew == -1);
    // RGB値の小さい順にソート
    if(tr < tg){
        if(tb < tr){
            time0 = tb;
            time1 = tr - tb;
            time2 = tg - tr;
            time3 = 1.0 - tg;
            pin0 = pin[2];
            pin1 = pin[0];
            pin2 = pin[1];
        }else if(tg < tb){
            time0 = tr;
            time1 = tg - tr;
            time2 = tb - tg;
            time3 = 1.0 - tb;
            pin0 = pin[0];
            pin1 = pin[1];
            pin2 = pin[2];
        }else{
            time0 = tr;
            time1 = tb - tr;
            time2 = tg - tb;
            time3 = 1.0 - tg;
            pin0 = pin[0];
            pin1 = pin[2];
            pin2 = pin[1];
        }
    }else{
        if(tr < tb){
            time0 = tg;
            time1 = tr - tg;
            time2 = tb - tr;
            time3 = 1.0 - tb;
            pin0 = pin[1];
            pin1 = pin[0];
            pin2 = pin[2];
        }else if(tg < tb){
            time0 = tg;
            time1 = tb - tg;
            time2 = tr - tb;
            time3 = 1.0 - tr;
            pin0 = pin[1];
            pin1 = pin[2];
            pin2 = pin[0];
        }else{
            time0 = tb;
            time1 = tg - tb;
            time2 = tr - tg;
            time3 = 1.0 - tr;
            pin0 = pin[2];
            pin1 = pin[1];
            pin2 = pin[0];
        }
    }
    renew = 1;
    usleep(time_usec);
}

/**
 * @fn
 * 色1から色2にだんだん変わるように光らせる。
 * @param (red1) 開始色の赤色成分
 * @param (green1) 開始色の緑色成分
 * @param (blue1) 開始色の青色成分
 * @param (red2) 終了色の赤色成分
 * @param (green2) 終了色の緑色成分
 * @param (blue2) 終了色の青色成分
 * @param (time_usec) 光らせる時間。マイクロ秒。
 * @param (pin) GPIOのピン番号
 */
void graduateLed(double red1, double green1, double blue1,
        double red2, double green2, double blue2, long time_usec, int pin[3]){
    long t, switchTime;
    int i, o, o0[4], o1[4], o2[4], oo0, oo1, oo2, p0, p1, p2;
    double ts[3], te[3], x, x01, x02, x12, xo[5], r_time_usec, aa0, aa1, aa2, aa3, bb0, bb1, bb2, bb3;
    clock_t start = clock();

    ts[0] = period_usec * red1;
    ts[1] = period_usec * green1;
    ts[2] = period_usec * blue1;
    te[0] = period_usec * red2;
    te[1] = period_usec * green2;
    te[2] = period_usec * blue2;

    // RGBを小さい順にソート
    if(ts[0] < ts[1]){
        if(ts[1] < ts[2]){
            o0[0] = 0;
            o1[0] = 1;
            o2[0] = 2;
        }else if(ts[0] < ts[2]){
            o0[0] = 0;
            o1[0] = 2;
            o2[0] = 1;
        }else{
            o0[0] = 2;
            o1[0] = 0;
            o2[0] = 1;
        }
    }else{
        if(ts[0] < ts[2]){
            o0[0] = 1;
            o1[0] = 0;
            o2[0] = 2;
        }else if(ts[1] < ts[2]){
            o0[0] = 1;
            o1[0] = 2;
            o2[0] = 0;
        }else{
            o0[0] = 2;
            o1[0] = 1;
            o2[0] = 0;
        }
    }
    if(ts[o0[0]] == ts[o2[0]] && te[o1[0]] > te[o2[0]]){
        o = o1[0];
        o1[0] = o2[0];
        o2[0] = o;
    }
    if(ts[o0[0]] == ts[o1[0]] && te[o0[0]] > te[o1[0]]){
        o = o0[0];
        o0[0] = o1[0];
        o1[0] = o;
    }
    if(ts[o1[0]] == ts[o2[0]] && te[o1[0]] > te[o2[0]]){
        o = o1[0];
        o1[0] = o2[0];
        o2[0] = o;
    }

    // RGBのグラフの交点を求める
    if((ts[o0[0]]>=ts[o1[0]]) != (te[o0[0]]>=te[o1[0]]) && ts[o0[0]] != ts[o1[0]]){
        x = ts[o1[0]] - ts[o0[0]];
        x01 = x / (x - te[o1[0]] + te[o0[0]]);
    }else{
        x01 = 1.0;
    }
    if((ts[o0[0]]>=ts[o2[0]]) != (te[o0[0]]>=te[o2[0]]) && ts[o0[0] != ts[o2[0]]]){
        x = ts[o2[0]] - ts[o0[0]];
        x02 = x / (x - te[o2[0]] + te[o0[0]]);
    }else{
        x02 = 1.0;
    }
    if((ts[o1[0]]>=ts[o2[0]]) != (te[o1[0]]>=te[o2[0]]) && ts[o1[0]] != ts[o2[0]]){
        x = ts[o2[0]] - ts[o1[0]];
        x12 = x / (x - te[o2[0]] + te[o1[0]]);
    }else{
        x12 = 1.0;
    }
    xo[0] = 0.0;
    if(x01 < x02){
        if(x02 < x12){
            xo[1] = x01;
            xo[2] = x02;
            xo[3] = x12;
            o0[1] = o1[0];
            o1[1] = o0[0];
            o2[1] = o2[0];
            o0[2] = o1[0];
            o1[2] = o2[0];
            o2[2] = o0[0];
            o0[3] = o2[0];
            o1[3] = o1[0];
            o2[3] = o0[0];
        }else if(x01 < x12){
            xo[1] = x01;
            xo[2] = x12;
            xo[3] = x02;
            o0[1] = o1[0];
            o1[1] = o0[0];
            o2[1] = o2[0];
            o0[2] = o2[0];
            o1[2] = o0[0];
            o2[2] = o1[0];
            o0[3] = o0[0];
            o1[3] = o2[0];
            o2[3] = o1[0];
        }else{
            xo[1] = x12;
            xo[2] = x01;
            xo[3] = x02;
            o0[1] = o0[0];
            o1[1] = o2[0];
            o2[1] = o1[0];
            o0[2] = o1[0];
            o1[2] = o2[0];
            o2[2] = o0[0];
            o0[3] = o1[0];
            o1[3] = o0[0];
            o2[3] = o2[0];
        }
    }else{
        if(x01 < x12){
            xo[1] = x02;
            xo[2] = x01;
            xo[3] = x12;
            o0[1] = o2[0];
            o1[1] = o1[0];
            o2[1] = o0[0];
            o0[2] = o2[0];
            o1[2] = o0[0];
            o2[2] = o1[0];
            o0[3] = o1[0];
            o1[3] = o0[0];
            o2[3] = o2[0];
        }else if(x02 < x12){
            xo[1] = x02;
            xo[2] = x12;
            xo[3] = x01;
            o0[1] = o2[0];
            o1[1] = o1[0];
            o2[1] = o0[0];
            o0[2] = o1[0];
            o1[2] = o2[0];
            o2[2] = o0[0];
            o0[3] = o0[0];
            o1[3] = o2[0];
            o2[3] = o1[0];
        }else{
            xo[1] = x12;
            xo[2] = x02;
            xo[3] = x01;
            o0[1] = o0[0];
            o1[1] = o2[0];
            o2[1] = o1[0];
            o0[2] = o2[0];
            o1[2] = o0[0];
            o2[2] = o1[0];
            o0[3] = o2[0];
            o1[3] = o1[0];
            o2[3] = o0[0];
        }
    }
    xo[3] = 1.0;

    // PWMで光らせる．
    r_time_usec = 10.0 / time_usec;
    for(i=0; xo[i]<1.0; i++){
        switchTime = (long)(time_usec/10 * xo[i+1]);
        oo0 = o0[i];
        oo1 = o1[i];
        oo2 = o2[i];
        bb0 = ts[oo0];
        bb1 = ts[oo1]     - ts[oo0];
        bb2 = ts[oo2]     - ts[oo1];
        bb3 = period_usec - ts[oo2];
        aa0 = (te[oo0]               - bb0) * r_time_usec;
        aa1 = (te[oo1]     - te[oo0] - bb1) * r_time_usec;
        aa2 = (te[oo2]     - te[oo1] - bb2) * r_time_usec;
        aa3 = (period_usec - te[oo2] - bb3) * r_time_usec;
        while(renew == -1);
        pin0 = pin[oo0];
        pin1 = pin[oo1];
        pin2 = pin[oo2];
        t = clock() - start;
        while(t <= switchTime){
            while(renew == -1);
            time0 = aa0 * t + bb0;
            time1 = aa1 * t + bb1;
            time2 = aa2 * t + bb2;
            time3 = aa3 * t + bb3;
            renew = 1;
            usleep(period_usec);
            t = clock() - start;
        }
    }

}

速度重視でプログラム組んだらソースコード長くなってしまいました（汗）

2019/10/16追記
@fujitanozomu 様からコメントをいただき，グローバル変数をvolatile宣言しました．

エラー対処

initMboxBlock: init mbox zaps failed というエラーが出ることがあります。$ sudo rebootでRaspberryPiZeroを再起動すればなおります。

参考