張高興的 MicroPython 入門指南:(一)環境配置、Blink、部署

来源:https://www.cnblogs.com/zhanggaoxing/p/18276038
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目錄

什麼是 MicroPython

MicroPython 是一個基於 Python 3.4 的高效實現,它專為微控制器和嵌入式系統設計。它提供了一個小型的 Python 環境,包含了一些標準庫的部分,並且能夠在資源受限的設備上運行。MicroPython 支持互動式編程(REPL)、任意精度整數、列表解析、生成器、異常處理等高級功能,使開發者可以在邊緣設備上編寫和運行複雜的程式。

與 MicroPython 類似的 CircuitPython,也是一種運行在微控制器上的 Python 技術。它是由一家美國設計製造開源電子硬體的公司 Adafruit 推動的,基於 MicroPython 的 Folk 版本,所以 CircuitPython 的很多內容和 MicroPython 是相似的。關鍵的區別是 CircuitPython 對 Adafruit 的開發版以及感測器的支持更好,Adafruit 基本上對推出的每一款感測器都提供了相關的 CircuitPython 包,更方便初學者以及 DIY。但 MicroPython 的社區更大,設備支持的更廣泛。至於學習哪一項技術,也就仁者見仁,智者見智了。

環境配置

支持 MicroPython 的微控制器有很多,這裡使用 Raspberry Pi Pico。Raspberry Pi Pico 是樹莓派基金會發佈的首款微控制器級產品,基於 RP2040 晶元構建,售價僅 4 美元。Pico 家族目前由 Raspberry Pi Pico(最左),Pico H(左),Pico W(右)和 Pico WH(最右)組成。

Pico 使用了一顆 RP2040 晶元:

  • 採用 40nm 工藝製造,雙核 Cortex-M0+ @ 133MHz
  • 晶元內置 264KB SRAM 和 2MB 的板載快閃記憶體
  • 30 個 GPIO 引腳,其中 4 個可用作模擬輸入
  • 2 個 UART、2 個 SPI 控制器、2 個 I2C 控制器、16 個 PWM 通道
  • 支持 UF2 的 USB 大容量存儲啟動模式,用於拖放式編程
  • ……

硬體部分

  1. 在 MicroPython 官網下載適用於 Pico 的 UF2 文件:https://micropython.org/download/RPI_PICO
  2. 按住 Pico 開發板上的 BOOTSEL 按鈕,然後將 Pico 插入電腦的 USB 介面,然後鬆開 BOOTSEL 按鈕。
  3. Pico 會被識別為大容量存儲設備。
  4. 將下載的 MicroPython UF2 文件放入 RPI-RP2 捲上。Pico 將自動重啟,然後 MicroPython 就會開始運行。

軟體部分

MicroPython 的開發可以使用 Thonny IDE,但是作為一款開源軟體其表明瞭開發者的政治立場,我是比較反感的。在這裡使用 Visual Studio Code 配置一個最小開發環境。

  1. 首先下載安裝 Visual Studio Code:https://code.visualstudio.com
  2. 選擇 “擴展”,在 “擴展:商店” 的搜索欄中輸入“RT-Thread MicroPython”,點擊 “安裝”。由於 MicroPython 是運行在微控制器上的,到這裡最小開發環境就配置完成了。
  3. 如果想使用代碼補全功能還需要 Python 環境。訪問 Python 官網,下載 Python 安裝包:https://www.python.org/downloads
  4. 在 VS Code 中安裝 Python 插件:“Python”、“Pylance”。

在安裝完 MicroPython 插件後,VS Code 底部會出現幾個按鈕,其中:

  1. 用於創建、打開 MicroPython 項目。
  2. 用於連接 Pico 設備。
  3. 用於運行 MicroPython 程式。
  4. 用於停止運行 MicroPython 程式。
  5. 用於將 MicroPython 項目下載至 Pico 設備。

Hello World!

根據上面的步驟,新建一個 MicroPython 項目,打開 main_example.py 文件。

def main():
    print("Welcome to RT-Thread MicroPython!")
    
if __name__ == '__main__':
    main()

與 C、Java、C# 等編譯型語言不同,Python 是一種解釋型腳本語言,運行時是從模塊頂行開始,逐行進行翻譯執行。所以 Python 中並不需要一個統一的 main() 作為程式的入口。if __name__ == '__main__' 是一個標誌,象徵著 Java 等語言中的程式主入口。

點擊“運行”按鈕後,第一個程式就在 Pico 開發板上運行了,在 Python 解釋器中可以觀察到運行結果。

當人們想到“編程”時,通常很自然地想到軟體。然而,編程不僅僅是和軟體有關,它還可以通過硬體編程影響現實物理世界。這也是所謂的 物理計算。顧名思義,物理計算就是用你的程式控制現實世界中的事物——硬體,而不是軟體。比如在空調上設置程式,改變可編程恆溫器上的溫度;或者在微波爐上選擇不同烹飪模式。這些設備通常是由單片機控制的。

Pico 的引腳

Pico 通過其邊緣一系列的引腳與硬體通信。這些引腳大多是作為 通用輸入/輸出(GPIO) 引腳工作,它們可以被編程作為輸入或輸出,並沒有自己的固定用途。有些引腳有額外的功能和與更複雜的硬體通信的模式,另一些則有一個固定的功能,比如供電和提供連接的功能。

Pico 的 40 個引腳被標記在板的底部,這些標簽幫助你記住編號是如何排序的。淺綠色標簽的 GPxx,就是 GPIO 引腳,大多數情況下需要對其編程,對外部硬體進行操作。所有引腳的用途見下麵的表格。

引腳 作用 描述
3V3 3.3V 電源 Pico 的工作電壓
VSYS 2-5V 電源 可作為電源輸入引腳
VBUS 5V 電源 從 Pico 的 USB 埠獲取的 5V 電源
GND 0V 接地 接地連接
GPxx 通用輸入/輸出引腳 程式可以使用的GPIO引腳,標記為GP0-GP28
ADCx 模數轉換引腳 既可以用作模擬輸入,也可以用作數字輸入或輸出,但不能同時用作兩者
ADC_VREF 模數轉換器參考電壓 模擬輸入設置參考電壓的特殊輸入引腳
AGND 模數轉換器 0V 參考電壓 特殊的接地引腳
UARTx 串口協議引腳 與其他設備進行串口通信
I2Cx I2C匯流排協議引腳 與其他設備進行 I2C 通信
SPIx SPI 協議引腳 與其他設備進行 SPI 通信
RUN 啟用或禁用 Pico 其他微控制器可以通過此引腳控制 Pico,拉低用於複位

常見電子元件

麵包板

麵包板(Breadboard)是搭建基礎電路原型的試驗產品。最初人們都是在類似於切麵包的木板上做電路搭接試驗,隨著技術發展直到 1970 年無需焊接的插接板變得普及,麵包板慢慢的變成了這種便捷電路原型實驗產品的統稱。麵包板上下區是橫向5位相通,一般用於接電源和接地,中間區域是縱向5位相通,通常用於放置電路元件和電路連接線。

跳線

跳線(Jumper Wire),也被稱為杜邦線。有三種不同的類型:公對母線(M2F)、母對母線(F2F)以及公對公線(M2M)。如果不使用麵包板,可以使用 F2F 將組件連接到 Pico,如果使用麵包板,可以將組件插入到麵包板中,使用 M2M 進行連接。

開關

開關(Switch),也稱為瞬時開關、輕觸開關,通常有兩條或四條腳可供選擇,按下按鈕時相當於導線被連通。按鈕是一種輸入設備,可以告訴程式它是否被按下,然後執行任務。另一種常見的開關類型是鎖定開關,按下開關時一直保持活動狀態,直到再次切換它。

發光二極體

發光二極體(LED)是輸出設備,從洗衣機、微波爐等小家電的指示燈,到路邊的路燈、房間的吊燈等,LED 燈隨處可見。LED 有各種各樣的形狀、顏色、工作電壓,為了防止其被擊穿,通常會配合限流電阻使用。二極體具有單嚮導電性,只有在連接正確的電極方向時,才能正常工作。LED 的長端為陽極,接在電源正極,短端為陰極,接在電源負極。

電阻

電阻是控制電流流動的元件,使用歐姆 Ω 為單位,歐姆的值越大,提供的阻力就越大。

有些電阻的錶面塗有一些帶有顏色的環狀標誌,稱為色環電阻。色環具有特殊的意義,即電阻的值。要讀取電阻的值,從左側第一個環開始,在表的 1st/2nd Band 列中查找它的顏色,得到第一個和第二個數字。例如下圖電阻有兩個橙色色環,橙色值為 3,總共為 33。第三個色環的顏色表示乘數,即需要用前兩個色環得到的數乘以乘數才能得到電阻的實際值。例如下圖電阻的棕色色環,意思是 ×10。前兩個色環是 33,棕色色環是 x10,33x10=330Ω 這樣就得到了電阻的值。最後一個環是電阻的容差,表示實際阻值與標稱阻值之間的偏離程度,對於大多數業餘項目來說,容差並不是很重要。

使你的 Pico 閃爍

就像在屏幕上列印“Hello, World!”是學習編程語言的第一步一樣,在電路板上通過編程點亮 LED 燈是學習物理計算的經典入門方式。Blink 譯為“眨眼、閃爍”,下麵通過編程使 Pico 開發板上的 LED 燈不斷閃爍,模擬“眨眼”的效果。

Pico 上的這顆 LED 連接到 GPIO 引腳之一的 GP25,正因為這個引腳已經用於在板上連接 LED,所以 Pico 邊緣引出的 GPIO 引腳上就沒有 GP25 了。這個 LED 的工作原理和其它任何 LED 一樣:

  • 通電時,它會發光
  • 當它斷電時,熄滅。

下麵新建一個 MicroPython 項目來控制這顆 LED 的閃爍。首先導入 machine 包。

import machine

這很短的一行代碼對於在 Pico 上使用 MicroPython 是非常關鍵的,它包含了 MicroPython 與 Pico 通信所需的所有指令,擴展了用於物理計算的語言。如果沒有這一行命令,我們是無法控制 Pico 的任何 GPIO 引腳,自然也無法使板載的 LED 點亮。

接著使用 Pin() 函數獲取引腳。

led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)

這一行定義了一個名為 led 的對象,調用 machine 庫中的 Pin() 函數,這個函數是專為處理 GPIO 引腳。第一個參數25,是我們要設置的引腳的編號; 第二個 machine.Pin.Out 是告訴 Pico 引腳應該用作輸出而不是輸入。


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