本章实验 · 三个实验

本章三个实验一览

第三章的主实验要接真继电器、真风扇，动的是 GPIO。为了让「决策和执行」分开练清楚，本章拆成三个实验：实验一、实验二不需要任何接线或器材，在主机或板端（riscv64 gcc）就能跑；实验三才是原来的整板接线实验。实验一、实验二写出的两段逻辑，正是实验三里要平移到真 GPIO 上的那两段。

实验一 · 温度扫描边界（sweep-ramp）

实验三主程序里，模拟温度要 24 → 30 → 24 来回扫。最容易写错的是温度越界：曾有一个版本扫到 30.5 / 23.5 才回头，被审阅专门指出。本实验把这小段逻辑单独抽出来，用断言直接卡死越界。源码 chapters/ch03/code/sweep-ramp/，只实现 ramp_next。

步骤

# 主机，或先 scp 到板子再进目录
$ cd chapters/ch03/code/sweep-ramp         # 板上：cd ~/sweep-ramp
$ make
$ ./build/sweep-ramp      # 未实现前：温度卡在 24 不动，到不了 30 → FAIL

打开 src/ramp.c，按头文件契约写 ramp_next：

/* 从 t、方向 dir 走一步（RAMP_STEP=0.5），温度保持在 [lo, hi] 内。
 * dir>0 且 t+0.5 > hi → 返回 hi、方向改 -1；     （到上限前就钳住反向）
 * dir<0 且 t-0.5 < lo → 返回 lo、方向改 +1；
 * 否则平推一步，方向不变。 */

实现后重新 make 再跑：

$ ./build/sweep-ramp
# 期望：
#   ok   200 步都在 [24, 30] 内
#   ok   到达过上限 30
#   ok   到达过下限 24
#   ALL PASS
# 对照参考：make sol && ./build/sweep-ramp-sol（同样 ALL PASS）

本实验成功判据：./build/sweep-ramp 打印 ALL PASS；能口头说出「到边界是钳住反向，不是越过去再反」。

实验二 · 滞回决策与时间线（fan-timeline）

实验二写这一章的决策函数 fan_decide，并跑一整天时间线看它的表现。注意：它的签名和实验三 temperature_fan 里要你写的 fan_decide 一模一样——本实验写对，实验三直接平移即可。源码 chapters/ch03/code/fan-timeline/，只实现 decide.c。

步骤

# 主机，或先 scp 到板子再进目录
$ cd chapters/ch03/code/fan-timeline       # 板上：cd ~/fan-timeline
$ make
$ ./build/fan-timeline    # 未实现前：风扇一直 OFF，SUMMARY 三数全错 → 预期

打开 src/decide.c 写 fan_decide（阈值 T_HIGH=29 / T_LOW=25，已在 fan.h）：

/* temp_c > T_HIGH → *fan_on = 1
 * temp_c < T_LOW  → *fan_on = 0
 * 中间区间 → 保持 *fan_on（滞回！不要每步都跟着温度上下抖） */

驱动会扫 240 步温度并打印时间线（每行 [步数] t=温度 fan=ON/OFF），最后一行是统计：

$ ./build/fan-timeline | tail -1
# 参考（make sol 一致）：SUMMARY steps=240 on_steps=117 turn_ons=9

其中 on_steps 是风扇 ON 的总步数，turn_ons 是「关→开」的次数。如果写成「高于 29 开、一降到 29 以下就关」的抖法，turn_ons 会大得多——滞回的价值就在这：一次降温要跌破 25 才关，风扇不会在 28/29 之间反复开关。

本实验成功判据：自己写的 ./build/fan-timeline 末行 steps=240 on_steps=117 turn_ons=9；能口头解释滞回如何避免抖动。

实验三 · 继电器控制风扇（真 GPIO）

实验一你写好了「温度在 24↔30 扫描不越界」，实验二写好了「>29 开 / <25 关」的决策。实验三把它们接到真继电器上：把 fan_decide 平移到 temperature_fan.c（函数签名一致），再补上 GPIO 申请与置位，接上风扇负载验收。下面是原实验正文，器材、接线、编译、验收都从这里开始。

说明

讲义已用 gpioset 跟做过信号链。本实验递进两步：接上风扇负载，并把讲义里的路径写成你自己的 C。

• 工程：chapters/ch03/code/（板上：~/ruyi-riscv-embedded/ch03-lab/）
• 学生文件：temperature_fan.c（默认 make）
• 参考实现：temperature_fan-sol.c（make sol；先自己写，过关后再对照）
• 脚：gpiochip5 line 5 / 丝印 IO1_5
• 输入：程序内部模拟温度（本章不接 DHT22）

实验器材

本章就这几样。真传感器第四章再接。

面包板怎么用

面包板用内部金属簧片把若干插孔连在一起，方便用杜邦线临时搭电路。本课用它把荔枝派排针上的电源、地和信号线接到继电器模块。

说明书用语与商品详情一致，见 chapters/ch03/manuals/面包板_MB102摘录.md 与同目录结构图。

• 接线前断开开发板电源；插拔杜邦线时捏线帽，避免扯断芯线。
• 正极与负极不要在轨上短接；5V 与 GND 插反可能导致模块异常或损坏。
• 同一信号只占一列；乱插多列会造成意外并联。

电烙铁与安全（本章首次）

本章以面包板与杜邦线为主。若课程提供的线材需要补焊端子、延长线，或继电器螺丝端子需要焊环/焊片，会用到电烙铁。下图为常见的约 40W 直热式烙铁外形。

荔枝派排针怎么认

板子侧面那排竖针是 20 针排针。信号脚高电平约 1.8V；本课光耦继电器可直连。

接线总表

先认丝印，再接线。丝印与表不完全一致时，以实物丝印为准，逻辑按下表角色对应。

A. 继电器（信号 + 供电）

跳线帽拨到 H（高电平有效）。

B. 风扇（走继电器触点）

排针 5V ──► [继电器 NO]──(吸合时接通)──[COM]──► 风扇红线
排针 GND ──────────────────────────────────────► 风扇黑线
排针 IO1_5 ──► 继电器 IN / X1（直连）
排针 5V  ──► 继电器 V+      排针 GND ──► 继电器 V-

步骤 1：接线

1. 接线前断开开发板电源。
2. 按总表：先 GND（共地），再 5V，再信号线 IO1_5 → IN，最后接风扇。
3. 确认跳线帽在 H；没碰到 Fan Power 白色插座。
4. 再上电。

本步成功判据：继电器电源指示灯亮；未触发时风扇不转；能指着线说出「地 / 信号 / 风扇回路」。

步骤 2：实现三个函数

打开 temperature_fan.c。脚手架已给出宏、main 调用顺序、信号收尾；只改标了 STUDENT TODO 的区块——三个函数的原型与实现都写在 main 上方。

先直接 make：应看到类似 implicit declaration of function 'line_request'——说明 main 在等你补函数。这是预期起点。

你要写的契约

/* 申请一根脚；direction 为 OUTPUT 时立刻置 val（0 或 1）
 * 成功返回 request 指针；失败返回 NULL。
 * 全局变量 chip 已由 main 打开，可直接用。
 */
struct gpiod_line_request *line_request(unsigned int offset,
                                        int direction, int val);

/* 写继电器信号端：on 非 0 → 吸合；on 为 0 → 释放。
 * 用全局 fan_req 与宏 FAN_LINE；成功时打印 [INFO] fan ON/OFF。
 */
void fan_set(int on);

/* 滞回决策：只改 *fan_on，不要在这里调 gpiod。
 *   temp_c > T_HIGH → *fan_on = 1
 *   temp_c < T_LOW  → *fan_on = 0
 *   中间区间        → 保持 *fan_on 原值
 * fan_on 为空指针时直接返回。
 */
void fan_decide(float temp_c, int *fan_on);

写的时候要想清楚

• line_request：为什么申请输出时要把初值设成 0，而不是先申请再随便写？
• fan_set 与 fan_decide 为什么拆开？决策函数里直接 set_value 会怎样？
• 中间区间「保持」时，main 为什么用 prev 比较后再调用 fan_set？
• 退出前脚手架已调用 fan_set(0)：若你的 fan_set 写错，Ctrl+C 后风扇可能一直转——现象会指回你的实现。

步骤 3：编译运行

主路径：在 x86 Linux 上激活第一章的 venv-gnu-ruyisdk，交叉编译后再拷到荔枝派运行。同一份 Makefile 在荔枝派上会自动改用板载 gcc（若主机交叉因缺少 libgpiod 失败，可直接在荔枝派上 make）。编译的是你自己写的 temperature_fan.c。

# —— 在 x86 Linux 上 ——
$ . ~/venv-gnu-ruyisdk/bin/ruyi-activate
$ cd chapters/ch03/code
$ make clean && make
$ file temperature_fan
# 期望含 RISC-V；若报找不到 gpiod.h，改到荔枝派上编译（见下）

# —— 在荔枝派上（源码目录）——
$ cd ~/ruyi-riscv-embedded/ch03-lab
$ make clean && make
$ sudo ./temperature_fan

若讲义跟做留下的 gpioset 仍占着 line 5，先 sudo pkill -x gpioset。

对照参考实现（助教验收路径）：make sol && sudo ./temperature_fan-sol。图 3 即 make sol 的运行记录。

步骤 4：模拟温度控制验收

• 启动打印 [INFO] 模拟温度控制: T_HIGH=29.0 T_LOW=25.0，并说明继电器在 IO1_5。
• 周期性打印 [INFO] temp=…C fan=OFF|ON，模拟温度在 24~30 之间来回。
• 升过 29°C → [INFO] fan ON，继电器吸合，风扇转。
• 降到 25°C 以下 → [INFO] fan OFF，风扇停。
• 中间区间（25~29）保持上一状态。

停程序：SSH 里 Ctrl+C。

本步成功判据：能演示超温开 / 降温关；Ctrl+C 后风扇停转（或靠下拉稳定关断）。

步骤 5：改阈值

改 temperature_fan.c 顶部 T_HIGH / T_LOW（默认 29 / 25；例如改成 27 / 23），重新 make 再跑，观察开/关温度点变化。也可加大 STEP_DELTA 让扫温更快。把改后的数填进记录表即可；教材截图仍用默认 29 / 25 的图 3，不另拍改阈值终端。

本步要证明的：阈值是你程序里的常量；硬件只跟着高低电平走。改阈值前后的终端对照图见第四章实验的 set temp。

常见故障

取证顺序：先看编译与你的三函数 → 再 chip/占用 → 再接线。

验收表

记录表（自填）