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

什么是 MicroPython

MicroPython 是一個(gè)基于 Python 3.4 的高效實(shí)現(xiàn)，它專為微控制器和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它提供了一個(gè)小型的 Python 環(huán)境，包含了一些標(biāo)準(zhǔn)庫的部分，并且能夠在資源受限的設(shè)備上運(yùn)行。MicroPython 支持交互式編程（REPL）、任意精度整數(shù)、列表解析、生成器、異常處理等高級(jí)功能，使開發(fā)者可以在邊緣設(shè)備上編寫和運(yùn)行復(fù)雜的程序。

與 MicroPython 類似的 CircuitPython，也是一種運(yùn)行在微控制器上的 Python 技術(shù)。它是由一家美國(guó)設(shè)計(jì)制造開源電子硬件的公司 Adafruit 推動(dòng)的，基于 MicroPython 的 Folk 版本，所以 CircuitPython 的很多內(nèi)容和 MicroPython 是相似的。關(guān)鍵的區(qū)別是 CircuitPython 對(duì) Adafruit 的開發(fā)版以及傳感器的支持更好，Adafruit 基本上對(duì)推出的每一款傳感器都提供了相關(guān)的 CircuitPython 包，更方便初學(xué)者以及 DIY。但 MicroPython 的社區(qū)更大，設(shè)備支持的更廣泛。至于學(xué)習(xí)哪一項(xiàng)技術(shù)，也就仁者見仁，智者見智了。

環(huán)境配置

支持 MicroPython 的微控制器有很多，這里使用 Raspberry Pi Pico。Raspberry Pi Pico 是樹莓派基金會(huì)發(fā)布的首款微控制器級(jí)產(chǎn)品，基于 RP2040 芯片構(gòu)建，售價(jià)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 芯片：

• 采用 40nm 工藝制造，雙核 Cortex-M0+ @ 133MHz
• 芯片內(nèi)置 264KB SRAM 和 2MB 的板載閃存
• 30 個(gè) GPIO 引腳，其中 4 個(gè)可用作模擬輸入
• 2 個(gè) UART、2 個(gè) SPI 控制器、2 個(gè) I2C 控制器、16 個(gè) PWM 通道
• 支持 UF2 的 USB 大容量存儲(chǔ)啟動(dòng)模式，用于拖放式編程
• ……

硬件部分

1. 在 MicroPython 官網(wǎng)下載適用于 Pico 的 UF2 文件： https://micropython.org/download/RPI_PICO
2. 按住 Pico 開發(fā)板上的 BOOTSEL 按鈕，然后將 Pico 插入電腦的 USB 接口，然后松開 BOOTSEL 按鈕。
3. Pico 會(huì)被識(shí)別為大容量存儲(chǔ)設(shè)備。
4. 將下載的 MicroPython UF2 文件放入 RPI-RP2 卷上。Pico 將自動(dòng)重啟，然后 MicroPython 就會(huì)開始運(yùn)行。

軟件部分

MicroPython 的開發(fā)可以使用 Thonny IDE，但是作為一款開源軟件其表明了開發(fā)者的政治立場(chǎng)，我是比較反感的。在這里使用 Visual Studio Code 配置一個(gè)最小開發(fā)環(huán)境。

1. 首先下載安裝 Visual Studio Code： https://code.visualstudio.com
2. 選擇 “擴(kuò)展”，在 “擴(kuò)展：商店” 的搜索欄中輸入“RT-Thread MicroPython”，點(diǎn)擊 “安裝”。由于 MicroPython 是運(yùn)行在微控制器上的，到這里最小開發(fā)環(huán)境就配置完成了。
   
3. 如果想使用代碼補(bǔ)全功能還需要 Python 環(huán)境。訪問 Python 官網(wǎng)，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 插件后，VS Code 底部會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)按鈕，其中：

1. 用于創(chuàng)建、打開 MicroPython 項(xiàng)目。
   
2. 用于連接 Pico 設(shè)備。
   
3. 用于運(yùn)行 MicroPython 程序。
4. 用于停止運(yùn)行 MicroPython 程序。
5. 用于將 MicroPython 項(xiàng)目下載至 Pico 設(shè)備。

Hello World！

根據(jù)上面的步驟，新建一個(gè) MicroPython 項(xiàng)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(yùn)行時(shí)是從模塊頂行開始，逐行進(jìn)行翻譯執(zhí)行。所以 Python 中并不需要一個(gè)統(tǒng)一的 main() 作為程序的入口。 if __name__ == '__main__' 是一個(gè)標(biāo)志，象征著 Java 等語言中的程序主入口。

點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕后，第一個(gè)程序就在 Pico 開發(fā)板上運(yùn)行了，在 Python 解釋器中可以觀察到運(yùn)行結(jié)果。

Blink

當(dāng)人們想到“編程”時(shí)，通常很自然地想到軟件。然而，編程不僅僅是和軟件有關(guān)，它還可以通過硬件編程影響現(xiàn)實(shí)物理世界。這也是所謂的 物理計(jì)算 。顧名思義，物理計(jì)算就是用你的程序控制現(xiàn)實(shí)世界中的事物——硬件，而不是軟件。比如在空調(diào)上設(shè)置程序，改變可編程恒溫器上的溫度；或者在微波爐上選擇不同烹飪模式。這些設(shè)備通常是由單片機(jī)控制的。

Pico 的引腳

Pico 通過其邊緣一系列的引腳與硬件通信。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，并沒有自己的固定用途。有些引腳有額外的功能和與更復(fù)雜的硬件通信的模式，另一些則有一個(gè)固定的功能，比如供電和提供連接的功能。

Pico 的 40 個(gè)引腳被標(biāo)記在板的底部，這些標(biāo)簽幫助你記住編號(hào)是如何排序的。淺綠色標(biāo)簽的 GPxx ，就是 GPIO 引腳，大多數(shù)情況下需要對(duì)其編程，對(duì)外部硬件進(jìn)行操作。所有引腳的用途見下面的表格。

常見電子元件

面包板

面包板（Breadboard）是搭建基礎(chǔ)電路原型的試驗(yàn)產(chǎn)品。最初人們都是在類似于切面包的木板上做電路搭接試驗(yàn)，隨著技術(shù)發(fā)展直到 1970 年無需焊接的插接板變得普及，面包板慢慢的變成了這種便捷電路原型實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的統(tǒng)稱。面包板上下區(qū)是橫向5位相通，一般用于接電源和接地，中間區(qū)域是縱向5位相通，通常用于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(duì)母線（M2F）、母對(duì)母線（F2F）以及公對(duì)公線（M2M）。如果不使用面包板，可以使用 F2F 將組件連接到 Pico，如果使用面包板，可以將組件插入到面包板中，使用 M2M 進(jìn)行連接。

開關(guān)

開關(guān)（Switch），也稱為瞬時(shí)開關(guān)、輕觸開關(guān)，通常有兩條或四條腳可供選擇，按下按鈕時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)線被連通。按鈕是一種輸入設(shè)備，可以告訴程序它是否被按下，然后執(zhí)行任務(wù)。另一種常見的開關(guān)類型是鎖定開關(guān)，按下開關(guān)時(shí)一直保持活動(dòng)狀態(tài)，直到再次切換它。

發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）是輸出設(shè)備，從洗衣機(jī)、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(huì)配合限流電阻使用。二極管具有單向?qū)щ娦�，只有在連接正確的電極方向時(shí)，才能正常工作。LED 的長(zhǎng)端為陽極，接在電源正極，短端為陰極，接在電源負(fù)極。

電阻

電阻是控制電流流動(dòng)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。

有些電阻的表面涂有一些帶有顏色的環(huán)狀標(biāo)志，稱為 色環(huán)電阻 。色環(huán)具有特殊的意義，即電阻的值。要讀取電阻的值，從左側(cè)第一個(gè)環(huán)開始，在表的 1st/2nd Band 列中查找它的顏色，得到第一個(gè)和第二個(gè)數(shù)字。例如下圖電阻有兩個(gè)橙色色環(huán)，橙色值為 3，總共為 33。第三個(gè)色環(huán)的顏色表示乘數(shù)，即需要用前兩個(gè)色環(huán)得到的數(shù)乘以乘數(shù)才能得到電阻的實(shí)際值。例如下圖電阻的棕色色環(huán)，意思是 ×10。前兩個(gè)色環(huán)是 33，棕色色環(huán)是 x10， 33x10=330Ω 這樣就得到了電阻的值。最后一個(gè)環(huán)是電阻的容差，表示實(shí)際阻值與標(biāo)稱阻值之間的偏離程度，對(duì)于大多數(shù)業(yè)余項(xiàng)目來說，容差并不是很重要。

使你的 Pico 閃爍

就像在屏幕上打印“Hello, World!”是學(xué)習(xí)編程語言的第一步一樣，在電路板上通過編程點(diǎn)亮 LED 燈是學(xué)習(xí)物理計(jì)算的經(jīng)典入門方式。Blink 譯為“眨眼、閃爍”，下面通過編程使 Pico 開發(fā)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?yàn)檫@個(gè)引腳已經(jīng)用于在板上連接 LED，所以 Pico 邊緣引出的 GPIO 引腳上就沒有 GP25 了。這個(gè) LED 的工作原理和其它任何 LED 一樣:

• 通電時(shí)，它會(huì)發(fā)光
• 當(dāng)它斷電時(shí)，熄滅。

下面新建一個(gè) MicroPython 項(xiàng)目來控制這顆 LED 的閃爍。首先導(dǎo)入 machine 包。

import machine

這很短的一行代碼對(duì)于在 Pico 上使用 MicroPython 是非常關(guān)鍵的，它包含了 MicroPython 與 Pico 通信所需的所有指令，擴(kuò)展了用于物理計(jì)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(diǎn)亮。

接著使用 Pin() 函數(shù)獲取引腳。

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

這一行定義了一個(gè)名為 led 的對(duì)象，調(diào)用 machine 庫中的 Pin() 函數(shù)，這個(gè)函數(shù)是專為處理 GPIO 引腳。第一個(gè)參數(shù)25，是我們要設(shè)置的引腳的編號(hào); 第二個(gè) machine.Pin.Out 是告訴 Pico 引腳應(yīng)該用作輸出而不是輸入。

上面的代碼只是完成了引腳的設(shè)置，但還不能點(diǎn)亮LED，要點(diǎn)亮LED，還需要通過程序告訴 Pico 把引腳打開。

led.value(1)

前面的行創(chuàng)建了對(duì)象 led ，作為 GP25 引腳上的輸出，這一行將該對(duì)象的值設(shè)定為 1 （二進(jìn)制中的高電平），用于'on'，它也可以將值設(shè)置為 0 ，用于'off'。

led.value(0)

如何才能讓 LED 閃爍起來呢？我們可以在 LED 的開與關(guān)之間加入一點(diǎn)延時(shí)。像導(dǎo)入 machine 庫一樣，將 utime 庫導(dǎo)入到程序中。

import utime

這個(gè)庫處理與時(shí)間有關(guān)的所有事情。在開啟 LED 的代碼后面添加一段延時(shí)，調(diào)用 utime 庫中的 sleep() 函數(shù)，這將使程序暫停輸入的秒數(shù)，這里暫停 1s 。

utime.sleep(1)

創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)后，就可以讓 LED 閃爍了。

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()

部署

上面的程序都是運(yùn)行在 REPL 環(huán)境中，當(dāng)斷電重置 Pico 時(shí)，程序會(huì)消失。怎樣才能將程序持久化到 Pico 中呢？在新建 MicroPython 項(xiàng)目時(shí)，默認(rèn)提供了一個(gè)文件名為 main_example.py 的文件，通常會(huì)在這個(gè)文件里編寫代碼，進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)代碼可以燒錄時(shí)，將文件重命名為 main.py ，點(diǎn)擊“同步”按鈕，或者右擊想要下載到 Pico 中的文件或文件夾點(diǎn)擊“下載該文件/文件夾到設(shè)備上”，下載完成后斷電重啟，這樣 Pico 就會(huì)執(zhí)行 main.py 中的代碼。

有些時(shí)候可能會(huì)將問題代碼固化到 Pico 中，這時(shí)可以燒錄重置 Flash 的 UF2 flash_nuke.uf2 清空 Flash，重置完成后還需要重新燒錄 MicroPython 的 UF2，下載地址： https://datasheets.raspberrypi.com/soft/flash_nuke.uf2

參考

1. Raspberry Pi Documentation： https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/micropython.html
2. Getting started with Raspberry Pi Pico： https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-the-pico
3. 樹莓派 Pico 實(shí)驗(yàn)室： https://pico.nxez.com