张高兴的 MicroPython 入门指南:(一)环境配置、Blink、部署
什么是 MicroPython
MicroPython 是一个基于 Python 3.4 的高效实现,它专为微控制器和嵌入式系统设计。它提供了一个小型的 Python 环境,包含了一些标准库的部分,并且能够在资源受限的设备上运行。MicroPython 支持交互式编程(REPL)、任意精度整数、列表解析、生成器、异常处理等高级功能,使开发者可以在边缘设备上编写和运行复杂的程序。
与 MicroPython 类似的 CircuitPython,也是一种运行在微控制器上的 Python 技术。它是由一家美国设计制造开源电子硬件的公司 Adafruit 推动的,基于 MicroPython 的 Folk 版本,所以 CircuitPython 的很多内容和 MicroPython 是相似的。关键的区别是 CircuitPython 对 Adafruit 的开发版以及传感器的支持更好,Adafruit 基本上对推出的每一款传感器都提供了相关的 CircuitPython 包,更方便初学者以及 DIY。但 MicroPython 的社区更大,设备支持的更广泛。至于学习哪一项技术,也就仁者见仁,智者见智了。
环境配置
支持 MicroPython 的微控制器有很多,这里使用 Raspberry Pi Pico。Raspberry Pi Pico 是树莓派基金会发布的首款微控制器级产品,基于 RP2040 芯片构建,售价仅 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)组成。
Pico 使用了一颗 RP2040 芯片:
- 采用 40nm 工艺制造,双核 Cortex-M0+ @ 133MHz
- 芯片内置 264KB SRAM 和 2MB 的板载闪存
- 30 个 GPIO 引脚,其中 4 个可用作模拟输入
- 2 个 UART、2 个 SPI 控制器、2 个 I2C 控制器、16 个 PWM 通道
- 支持 UF2 的 USB 大容量存储启动模式,用于拖放式编程
- ……
硬件部分
- 在 MicroPython 官网下载适用于 Pico 的
UF2
文件:https://micropython.org/download/RPI_PICO - 按住 Pico 开发板上的
BOOTSEL
按钮,然后将 Pico 插入电脑的 USB 接口,然后松开 BOOTSEL 按钮。 - Pico 会被识别为大容量存储设备。
- 将下载的 MicroPython UF2 文件放入 RPI-RP2 卷上。Pico 将自动重启,然后 MicroPython 就会开始运行。
软件部分
MicroPython 的开发可以使用 Thonny IDE,但是作为一款开源软件其表明了开发者的政治立场,我是比较反感的。在这里使用 Visual Studio Code 配置一个最小开发环境。
- 首先下载安装 Visual Studio Code:https://code.visualstudio.com
- 选择 “扩展”,在 “扩展:商店” 的搜索栏中输入“RT-Thread MicroPython”,点击 “安装”。由于 MicroPython 是运行在微控制器上的,到这里最小开发环境就配置完成了。
- 如果想使用代码补全功能还需要 Python 环境。访问 Python 官网,下载 Python 安装包:https://www.python.org/downloads
- 在 VS Code 中安装 Python 插件:“Python”、“Pylance”。
在安装完 MicroPython 插件后,VS Code 底部会出现几个按钮,其中:
- 用于创建、打开 MicroPython 项目。
- 用于连接 Pico 设备。
- 用于运行 MicroPython 程序。
- 用于停止运行 MicroPython 程序。
- 用于将 MicroPython 项目下载至 Pico 设备。
Hello World!
根据上面的步骤,新建一个 MicroPython 项目,打开 main_example.py
文件。
def main():
print("Welcome to RT-Thread MicroPython!")
if __name__ == '__main__':
main()
与 C、Java、C# 等编译型语言不同,Python 是一种解释型脚本语言,运行时是从模块顶行开始,逐行进行翻译执行。所以 Python 中并不需要一个统一的 main()
作为程序的入口。if __name__ == '__main__'
是一个标志,象征着 Java 等语言中的程序主入口。
点击“运行”按钮后,第一个程序就在 Pico 开发板上运行了,在 Python 解释器中可以观察到运行结果。
Blink
当人们想到“编程”时,通常很自然地想到软件。然而,编程不仅仅是和软件有关,它还可以通过硬件编程影响现实物理世界。这也是所谓的 物理计算。顾名思义,物理计算就是用你的程序控制现实世界中的事物——硬件,而不是软件。比如在空调上设置程序,改变可编程恒温器上的温度;或者在微波炉上选择不同烹饪模式。这些设备通常是由单片机控制的。
Pico 的引脚
Pico 通过其边缘一系列的引脚与硬件通信。这些引脚大多是作为 通用输入/输出(GPIO) 引脚工作,它们可以被编程作为输入或输出,并没有自己的固定用途。有些引脚有额外的功能和与更复杂的硬件通信的模式,另一些则有一个固定的功能,比如供电和提供连接的功能。
Pico 的 40 个引脚被标记在板的底部,这些标签帮助你记住编号是如何排序的。浅绿色标签的 GPxx
,就是 GPIO 引脚,大多数情况下需要对其编程,对外部硬件进行操作。所有引脚的用途见下面的表格。
引脚 | 作用 | 描述 |
---|---|---|
3V3 | 3.3V 电源 | Pico 的工作电压 |
VSYS | 2-5V 电源 | 可作为电源输入引脚 |
VBUS | 5V 电源 | 从 Pico 的 USB 端口获取的 5V 电源 |
GND | 0V 接地 | 接地连接 |
GPxx | 通用输入/输出引脚 | 程序可以使用的GPIO引脚,标记为GP0-GP28 |
ADCx | 模数转换引脚 | 既可以用作模拟输入,也可以用作数字输入或输出,但不能同时用作两者 |
ADC_VREF | 模数转换器参考电压 | 模拟输入设置参考电压的特殊输入引脚 |
AGND | 模数转换器 0V 参考电压 | 特殊的接地引脚 |
UARTx | 串口协议引脚 | 与其他设备进行串口通信 |
I2Cx | I2C总线协议引脚 | 与其他设备进行 I2C 通信 |
SPIx | SPI 协议引脚 | 与其他设备进行 SPI 通信 |
RUN | 启用或禁用 Pico | 其他微控制器可以通过此引脚控制 Pico,拉低用于复位 |
常见电子元件
面包板
面包板(Breadboard)是搭建基础电路原型的试验产品。最初人们都是在类似于切面包的木板上做电路搭接试验,随着技术发展直到 1970 年无需焊接的插接板变得普及,面包板慢慢的变成了这种便捷电路原型实验产品的统称。面包板上下区是横向5位相通,一般用于接电源和接地,中间区域是纵向5位相通,通常用于放置电路元件和电路连接线。
跳线
跳线(Jumper Wire),也被称为杜邦线。有三种不同的类型:公对母线(M2F)、母对母线(F2F)以及公对公线(M2M)。如果不使用面包板,可以使用 F2F 将组件连接到 Pico,如果使用面包板,可以将组件插入到面包板中,使用 M2M 进行连接。
开关
开关(Switch),也称为瞬时开关、轻触开关,通常有两条或四条脚可供选择,按下按钮时相当于导线被连通。按钮是一种输入设备,可以告诉程序它是否被按下,然后执行任务。另一种常见的开关类型是锁定开关,按下开关时一直保持活动状态,直到再次切换它。
发光二极管
发光二极管(LED)是输出设备,从洗衣机、微波炉等小家电的指示灯,到路边的路灯、房间的吊灯等,LED 灯随处可见。LED 有各种各样的形状、颜色、工作电压,为了防止其被击穿,通常会配合限流电阻使用。二极管具有单向导电性,只有在连接正确的电极方向时,才能正常工作。LED 的长端为阳极,接在电源正极,短端为阴极,接在电源负极。
电阻
电阻是控制电流流动的元件,使用欧姆 Ω 为单位,欧姆的值越大,提供的阻力就越大。
有些电阻的表面涂有一些带有颜色的环状标志,称为色环电阻。色环具有特殊的意义,即电阻的值。要读取电阻的值,从左侧第一个环开始,在表的 1st/2nd Band 列中查找它的颜色,得到第一个和第二个数字。例如下图电阻有两个橙色色环,橙色值为 3,总共为 33。第三个色环的颜色表示乘数,即需要用前两个色环得到的数乘以乘数才能得到电阻的实际值。例如下图电阻的棕色色环,意思是 ×10。前两个色环是 33,棕色色环是 x10,33x10=330Ω
这样就得到了电阻的值。最后一个环是电阻的容差,表示实际阻值与标称阻值之间的偏离程度,对于大多数业余项目来说,容差并不是很重要。
使你的 Pico 闪烁
就像在屏幕上打印“Hello, World!”是学习编程语言的第一步一样,在电路板上通过编程点亮 LED 灯是学习物理计算的经典入门方式。Blink 译为“眨眼、闪烁”,下面通过编程使 Pico 开发板上的 LED 灯不断闪烁,模拟“眨眼”的效果。
Pico 上的这颗 LED 连接到 GPIO 引脚之一的 GP25,正因为这个引脚已经用于在板上连接 LED,所以 Pico 边缘引出的 GPIO 引脚上就没有 GP25 了。这个 LED 的工作原理和其它任何 LED 一样:
- 通电时,它会发光
- 当它断电时,熄灭。
下面新建一个 MicroPython 项目来控制这颗 LED 的闪烁。首先导入 machine
包。
import machine
这很短的一行代码对于在 Pico 上使用 MicroPython 是非常关键的,它包含了 MicroPython 与 Pico 通信所需的所有指令,扩展了用于物理计算的语言。如果没有这一行命令,我们是无法控制 Pico 的任何 GPIO 引脚,自然也无法使板载的 LED 点亮。
接着使用 Pin()
函数获取引脚。
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
这一行定义了一个名为 led
的对象,调用 machine
库中的 Pin()
函数,这个函数是专为处理 GPIO 引脚。第一个参数25,是我们要设置的引脚的编号; 第二个 machine.Pin.Out
是告诉 Pico 引脚应该用作输出而不是输入。
提示
也可以在代码中使用字符串常量 'LED'
特指与板载 LED 相连的引脚:led = machine.Pin('LED', machine.Pin.OUT)
上面的代码只是完成了引脚的设置,但还不能点亮LED,要点亮LED,还需要通过程序告诉 Pico 把引脚打开。
led.value(1)
前面的行创建了对象 led
,作为 GP25 引脚上的输出,这一行将该对象的值设定为 1
(二进制中的高电平),用于'on',它也可以将值设置为 0
,用于'off'。
led.value(0)
如何才能让 LED 闪烁起来呢?我们可以在 LED 的开与关之间加入一点延时。像导入 machine
库一样,将 utime
库导入到程序中。
import utime
这个库处理与时间有关的所有事情。在开启 LED 的代码后面添加一段延时,调用 utime 库中的 sleep()
函数,这将使程序暂停输入的秒数,这里暂停 1s
。
utime.sleep(1)
创建一个循环后,就可以让 LED 闪烁了。
import machine
import utime
def main():
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
while True:
led.value(1)
utime.sleep(1)
led.value(0)
utime.sleep(1)
if __name__ == '__main__':
main()
提示
也可以使用 toggle()
函数把引脚当作开关一样对待:led.toggle()
部署
上面的程序都是运行在 REPL 环境中,当断电重置 Pico 时,程序会消失。怎样才能将程序持久化到 Pico 中呢?在新建 MicroPython 项目时,默认提供了一个文件名为 main_example.py
的文件,通常会在这个文件里编写代码,进行调试。当代码可以烧录时,将文件重命名为 main.py
,点击“同步”按钮,或者右击想要下载到 Pico 中的文件或文件夹点击“下载该文件/文件夹到设备上”,下载完成后断电重启,这样 Pico 就会执行 main.py
中的代码。
有些时候可能会将问题代码固化到 Pico 中,这时可以烧录重置 Flash 的 UF2 flash_nuke.uf2
清空 Flash,重置完成后还需要重新烧录 MicroPython 的 UF2,下载地址:https://datasheets.raspberrypi.com/soft/flash_nuke.uf2
参考
- Raspberry Pi Documentation:https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/micropython.html
- Getting started with Raspberry Pi Pico:https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-the-pico
- 树莓派 Pico 实验室:https://pico.nxez.com
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