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MicroPython基础知识总汇

由 巧了我就是萌 提交于 2020-05-04 03:42:28

MicroPython的系统结构

MicroPython系统的经典结构由三部分组成，分别是微控制器硬件、MicroPython固件、用户程序。

MicroPython支持的其它类型开发板，需要自己编译源代码，产生固件，并将固件下载到微控制器中才能运行MicroPython。（此内容我们后面会讲解到，千万别好高骛远！）

MicroPython连接电脑

STM32微控制器的pyboard系列的开发板，通常都是带有原生USB 功能的开发板，在通过USB连接计算机后，默认情况下会出现两个设备：

  1. 虚拟磁盘（MSD）
  2. 虚拟串口（USB Comm Port)

Windows系统的设备管理器中显示的pyboard设备

虚拟磁盘设备可自动被系统识别出来，就想普通的U盘一样，无论是Windows、Linux、MacOS，都会识别出一个可移动磁盘设备。如图虚拟磁盘和串口显示了Windows系统的设备管理器中发现的uPy microSD Flash USB Device磁盘设备。（如图：虚拟磁盘里面默认的四个文件）

pyboard虚拟磁盘

如图虚拟磁盘的卷标是“PYBFLASH”，里面默认有4个文件。这个虚拟磁盘可以像普通的U盘一样使用，能够复制文件，存放程序和数据。我们可以将编写好的 Python 程序直接复制运行，系统复位后默认从 boot.py 加载基本参数，然后从main.py开始运行。（如图：虚拟磁盘里面默认的四个文件）

pyboardUSB串口

正常情况下，串口识别出来后系统会多出一个pyboard USB Comm Port设备，具体的串口号与计算机已安装的其他设备有关。（如图：虚拟磁盘和串口）

虚拟磁盘里面pybcdc.inf文件有什么作用？

在Windows10、Linux、MacOS操作系统上（包括32位和64位操作系统），虚拟串口会自动识别，无须安装额外的驱动。但是在Win10以下的系统中，虚拟串口需要安装一个设备驱动文件才能被正确识别和使用。MicroPython的作者使用了一个非常巧妙的方法，将这个驱动文件放在了自带的虚拟磁盘中（文件名是pybcdc.inf），这样不用到网上下载就能直接安装了，非常方便。（如图：虚拟磁盘里面默认的四个文件）

注：什么是原生USB功能？

串口是指利用串行方式传输数据的接口，它是一大类接口，USB接口、RS232接口、网线RJ45接口、RS485接口、SATA接口等等都属于串口。各种串口之间的通讯协议、接口电平等并不完全相同，因此有一种串口得到另一种串口时需要转换。一般来说，串口默认是指RS232接口，所谓的USB转串口实际上就是USB转RS232装置。USB接口隶属于串口。而所谓原生，指的是芯片自身提供的接口。

虚拟磁盘和串口：

 

 虚拟磁盘：

 

 

 虚拟磁盘里面默认的四个文件：

调试工具

MicroPython和PC的标准连接是通过USB接口，使用虚拟磁盘和虚拟串口（VCP）方式。其中虚拟串口（在pyboard和STM32上可以同时使用USB虚拟串口和物理串口两种方式）是调试中最常用的方式，无须频繁复制文件避免造成Flash的损耗。

虚拟串口

USB虚拟串口通信是USB设备使用CDC类在主机上虚拟出一个串口来。在主机上使用完全和标准串口一样。CDC类定义的是设备上下文对象的类。（了解一下就行，不必深究）

REPL人机交互

在MicroPython上我们使用串口终端软件和MicroPython的REPL进行交互，发送命令。通过串口终端软件，我们可以方便地在 REPL（Read Evaluate Print Loop）中输入代码，运行和调试程序，打印结果。

Putty串口终端软件

怎样打开REPL人机交互界面？ 可以使用Putty串口终端软件打开

其它常用的终端软件有：

Windows
● 超级终端（WinXP，可以在Win7/Win10下使用）
● putty
● kitty
● SecureCRT
● MobaXterm
Linux
● putty
● screen
● picocom
● minicom
MacOS
● screen

MicroPython已经移植到了很多硬件平台上，有很多不同的移植版本。但是无论哪种MicroPython的移植版本，对于串口参数的设置都是一样的：

 特别要注意流量控制（Flow Control）参数，很多软件默认使用硬件方式或者Xon/Xoff，在使用MicroPython时需要改为None，否则在有的终端软件中将无法输入数据。

putty串口终端软件：

 注：

● REPL可以和虚拟串口或者标准串口通信，它们的串口参数是一样的。

● 在一些操作系统中，虚拟串口的波特率可以随便设置，效果和设置为115200的相同。因为虚拟串口没有真正的物理串口信号，是通过驱动程序转换USB的数据。

● 极少数的 MicroPython 移植版因为硬件限制使用了不同的波特率，如Ameba RTL8915A开发板使用波特率为38400。

USB串口 = 虚拟串口 + 物理串口

 上面我们有提到的虚拟串口和物理串口，其实就是USB串口，我们后面就直接叫做USB串口。我们不管它是虚拟串口还是物理串口，只要知道它就是一个USB串口，功能是通讯和数据传输，需要设置波特率和串口号就行，具体细分时再考虑虚拟串口和物理串口的区别，省的自己稀里糊涂。

打开REPL人机交互界面

在Putty里面按图（putty串口终端软件）设置好波特率和串口的端口号，然后回车就会进入REPL人机交互界面：（你可以按ctrl + c 或 ctrl + b测试是否连接上pyboard,连接上了就会有一串英文字符出现)

 成功连接：

 

MicroPython v1.11 on 2019-05-29; PYBv1.1 with STM32F405RG
Type "help()" for more information.

 

MicroPython的REPL（read-evaluate-print-loop)

REPL是Read-Evaluate-Print Loop（读取-计算-输出循环）的缩写。很多编程语言都带有REPL（名称可能不完全相同），它像是一个小型的Shell，可以方便地在解释器（内核）和命令之间交互，可以方便输入各种命令，观察运行状态，因此在程序调试的时候能够起到非常大的作用。

Python语言的REPL功能非常强大，MicroPython虽然是一个微型的Python，但是它的REPL功能同样强大，通过REPL交互环境，我们可以访问pyboard，输入程序，测试代码，查找问题，查看帮助，查看磁盘文件……因为MicroPython是面向嵌入式应用的，所以MicroPython的REPL与Python的标准REPL相比，还有一些差异，快捷键不同，还提供了额外的功能和用法，如果熟练掌握这些功能就可以帮助我们更好地使用MicroPython。

快捷键的好处：在 REPL 提供了不少快捷键，使用这些快捷键可以有效减少按键的次数，提高代码输入效率。

REPL的快捷键：

 使用help()函数

在Python中可以使用help（）函数查看简单的帮助，在MicroPython中同样支持help（）函数。在REPL下直接输入help（），可以显示基本的帮助界面，内容是pyboard基本函数和REPL用法，可以帮助我们了解基本的命令和函数。

>>> help()
Welcome to MicroPython!

For online help please visit http://micropython.org/help/.

Quick overview of commands for the board:
  pyb.info()    -- print some general information
  pyb.delay(n)  -- wait for n milliseconds
  pyb.millis()  -- get number of milliseconds since hard reset
  pyb.Switch()  -- create a switch object
                   Switch methods: (), callback(f)
  pyb.LED(n)    -- create an LED object for LED n (n=1,2,3,4)
                   LED methods: on(), off(), toggle(), intensity(<n>)
  pyb.Pin(pin)  -- get a pin, eg pyb.Pin('X1')
  pyb.Pin(pin, m, [p]) -- get a pin and configure it for IO mode m, pull mode p
                   Pin methods: init(..), value([v]), high(), low()
  pyb.ExtInt(pin, m, p, callback) -- create an external interrupt object
  pyb.ADC(pin)  -- make an analog object from a pin
                   ADC methods: read(), read_timed(buf, freq)
  pyb.DAC(port) -- make a DAC object
                   DAC methods: triangle(freq), write(n), write_timed(buf, freq)
  pyb.RTC()     -- make an RTC object; methods: datetime([val])
  pyb.rng()     -- get a 30-bit hardware random number
  pyb.Servo(n)  -- create Servo object for servo n (n=1,2,3,4)
                   Servo methods: calibration(..), angle([x, [t]]), speed([x, [t]])
  pyb.Accel()   -- create an Accelerometer object
                   Accelerometer methods: x(), y(), z(), tilt(), filtered_xyz()

Pins are numbered X1-X12, X17-X22, Y1-Y12, or by their MCU name
Pin IO modes are: pyb.Pin.IN, pyb.Pin.OUT_PP, pyb.Pin.OUT_OD
Pin pull modes are: pyb.Pin.PULL_NONE, pyb.Pin.PULL_UP, pyb.Pin.PULL_DOWN
Additional serial bus objects: pyb.I2C(n), pyb.SPI(n), pyb.UART(n)

Control commands:
  CTRL-A        -- on a blank line, enter raw REPL mode
  CTRL-B        -- on a blank line, enter normal REPL mode
  CTRL-C        -- interrupt a running program
  CTRL-D        -- on a blank line, do a soft reset of the board
  CTRL-E        -- on a blank line, enter paste mode

For further help on a specific object, type help(obj)
For a list of available modules, type help('modules')
>>>

可以通过 help（模块名或函数名）查看更详细的帮助，如查看 pyb 模块的详细帮助：

>>> help(pyb)
object <module 'pyb'> is of type module
  __name__ -- pyb
  fault_debug -- <function>
  bootloader -- <function>
  hard_reset -- <function>
  info -- <function>
  unique_id -- <function>
  freq -- <function>
  repl_info -- <function>
  wfi -- <function>
  disable_irq -- <function>
  enable_irq -- <function>
  stop -- <function>
  standby -- <function>
  main -- <function>
  repl_uart -- <function>
  usb_mode -- <function>
  hid_mouse -- (1, 2, 4, 8, b'\x05\x01\t\x02\xa1\x01\t\x01\xa1\x00\x05\t\x19\x01)\x03\x15\x00%\x01\x95\x03u\x01\x81\x02\x95\x01u\x05\x81\x01\x05\x01\t0\t1\t8\x15\x81%\x7fu\x08\x95\x03\x81\x06\xc0\t<\x05\xff\t\x01\x15\x00%\x01u\x01\x95\x02\xb1"u\x06\x95\x01\xb1\x01\xc0')
  hid_keyboard -- (1, 1, 8, 8, b'\x05\x01\t\x06\xa1\x01\x05\x07\x19\xe0)\xe7\x15\x00%\x01u\x01\x95\x08\x81\x02\x95\x01u\x08\x81\x01\x95\x05u\x01\x05\x08\x19\x01)\x05\x91\x02\x95\x01u\x03\x91\x01\x95\x06u\x08\x15\x00%e\x05\x07\x19\x00)e\x81\x00\xc0')
  USB_VCP -- <class 'USB_VCP'>
  USB_HID -- <class 'USB_HID'>
  have_cdc -- <function>
  hid -- <function>
  millis -- <function>
  elapsed_millis -- <function>
  micros -- <function>
  elapsed_micros -- <function>
  delay -- <function>
  udelay -- <function>
  sync -- <function>
  mount -- <function>
  dht_readinto -- <function>
  Timer -- <class 'Timer'>
  rng -- <function>
  RTC -- <class 'RTC'>
  Pin -- <class 'Pin'>
  ExtInt -- <class 'ExtInt'>
  pwm -- <function>
  servo -- <function>
  Servo -- <class 'Servo'>
  Switch -- <class 'Switch'>
  Flash -- <class 'Flash'>
  SD -- <SDCard>
  SDCard -- <class 'SDCard'>
  LED -- <class 'LED'>
  I2C -- <class 'I2C'>
  SPI -- <class 'SPI'>
  UART -- <class 'UART'>
  CAN -- <class 'CAN'>
  ADC -- <class 'ADC'>
  ADCAll -- <class 'ADCAll'>
  DAC -- <class 'DAC'>
  Accel -- <class 'Accel'>
  LCD -- <class 'LCD'>

 还可以进一步查看pyb内部模块的帮助：

>>> help(pyb.Pin)
object <class 'Pin'> is of type type
  init -- <function>
  value -- <function>
  off -- <function>
  on -- <function>
  irq -- <function>
  low -- <function>
  high -- <function>
  name -- <function>
  names -- <function>
  af_list -- <function>
  port -- <function>
  pin -- <function>
  gpio -- <function>
  mode -- <function>
  pull -- <function>
  af -- <function>
  mapper -- <classmethod>
  dict -- <classmethod>
  debug -- <classmethod>
  board -- <class 'board'>
  cpu -- <class 'cpu'>
  IN -- 0
  OUT -- 1
  OPEN_DRAIN -- 17
  ALT -- 2
  ALT_OPEN_DRAIN -- 18
  ANALOG -- 3
  PULL_UP -- 1
  PULL_DOWN -- 2
  IRQ_RISING -- 269549568
  IRQ_FALLING -- 270598144
  OUT_PP -- 1
  OUT_OD -- 17
  AF_PP -- 2
  AF_OD -- 18
  PULL_NONE -- 0
  AF1_TIM1 -- 1
  AF1_TIM2 -- 1
  AF2_TIM3 -- 2
  AF2_TIM4 -- 2
  AF2_TIM5 -- 2
  AF3_TIM10 -- 3
  AF3_TIM11 -- 3
  AF3_TIM8 -- 3
  AF3_TIM9 -- 3
  AF4_I2C1 -- 4
  AF4_I2C2 -- 4
  AF5_SPI1 -- 5
  AF5_SPI2 -- 5
  AF7_USART1 -- 7
  AF7_USART2 -- 7
  AF7_USART3 -- 7
  AF8_UART4 -- 8
  AF8_USART6 -- 8
  AF9_CAN1 -- 9
  AF9_CAN2 -- 9
  AF9_TIM12 -- 9
  AF9_TIM13 -- 9
  AF9_TIM14 -- 9

  甚至可以一级一级深入查看，如：

>>> help(pyb.Pin.board)
object <class 'board'> is of type type
  X1 -- Pin(Pin.cpu.A0, mode=Pin.OUT)
  X2 -- Pin(Pin.cpu.A1, mode=Pin.OUT)
  X3 -- Pin(Pin.cpu.A2, mode=Pin.IN)
  X4 -- Pin(Pin.cpu.A3, mode=Pin.IN)
  X5 -- Pin(Pin.cpu.A4, mode=Pin.IN)
  X6 -- Pin(Pin.cpu.A5, mode=Pin.IN)
  X7 -- Pin(Pin.cpu.A6, mode=Pin.IN)
  X8 -- Pin(Pin.cpu.A7, mode=Pin.IN)
  X9 -- Pin(Pin.cpu.B6, mode=Pin.OUT)
  X10 -- Pin(Pin.cpu.B7, mode=Pin.IN)
  X11 -- Pin(Pin.cpu.C4, mode=Pin.IN)
  X12 -- Pin(Pin.cpu.C5, mode=Pin.IN)
  X17 -- Pin(Pin.cpu.B3, mode=Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP)
  X18 -- Pin(Pin.cpu.C13, mode=Pin.IN)
  X19 -- Pin(Pin.cpu.C0, mode=Pin.IN)
  X20 -- Pin(Pin.cpu.C1, mode=Pin.IN)
  X21 -- Pin(Pin.cpu.C2, mode=Pin.IN)
  X22 -- Pin(Pin.cpu.C3, mode=Pin.IN)
  Y1 -- Pin(Pin.cpu.C6, mode=Pin.OUT)
  Y2 -- Pin(Pin.cpu.C7, mode=Pin.OUT)
  Y3 -- Pin(Pin.cpu.B8, mode=Pin.IN)
  Y4 -- Pin(Pin.cpu.B9, mode=Pin.IN)
  Y5 -- Pin(Pin.cpu.B12, mode=Pin.IN)
  Y6 -- Pin(Pin.cpu.B13, mode=Pin.IN)
  Y7 -- Pin(Pin.cpu.B14, mode=Pin.IN)
  Y8 -- Pin(Pin.cpu.B15, mode=Pin.IN)
  Y9 -- Pin(Pin.cpu.B10, mode=Pin.IN)
  Y10 -- Pin(Pin.cpu.B11, mode=Pin.IN)
  Y11 -- Pin(Pin.cpu.B0, mode=Pin.IN)
  Y12 -- Pin(Pin.cpu.B1, mode=Pin.IN)
  SW -- Pin(Pin.cpu.B3, mode=Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP)
  LED_RED -- Pin(Pin.cpu.A13, mode=Pin.OUT)
  LED_GREEN -- Pin(Pin.cpu.A14, mode=Pin.OUT)
  LED_YELLOW -- Pin(Pin.cpu.A15, mode=Pin.OUT)
  LED_BLUE -- Pin(Pin.cpu.B4, mode=Pin.OUT)
  MMA_INT -- Pin(Pin.cpu.B2, mode=Pin.IN)
  MMA_AVDD -- Pin(Pin.cpu.B5, mode=Pin.OUT)
  SD_D0 -- Pin(Pin.cpu.C8, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD_D1 -- Pin(Pin.cpu.C9, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD_D2 -- Pin(Pin.cpu.C10, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD_D3 -- Pin(Pin.cpu.C11, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD_CMD -- Pin(Pin.cpu.D2, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD_CK -- Pin(Pin.cpu.C12, mode=Pin.ALT, pull=Pin.PULL_UP, af=12)
  SD -- Pin(Pin.cpu.A8, mode=Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP)
  SD_SW -- Pin(Pin.cpu.A8, mode=Pin.IN, pull=Pin.PULL_UP)
  USB_VBUS -- Pin(Pin.cpu.A9, mode=Pin.IN)
  USB_ID -- Pin(Pin.cpu.A10, mode=Pin.ALT_OPEN_DRAIN, pull=Pin.PULL_UP, af=10)
  USB_DM -- Pin(Pin.cpu.A11, mode=Pin.ALT, af=10)
  USB_DP -- Pin(Pin.cpu.A12, mode=Pin.ALT, af=10)
>>>

 如果能够灵活使用help（）函数，就可以查看大部分函数的基本用法和很多常量定义，甚至不需要看手册就能知道用法。

查看模块包含的变量和函数--dir()

有时候，我们需要了解一个模块内部有哪些变量和函数，在Python中是通过dir（）函数查看，在MicroPython中同样也支持dir（）。使用dir（），可以快速查看系统当前已经导入了哪些模块和变量：

>>> import pyb
>>> import math
>>> import os
>>> dir()
['os', 'start1', 'run', 'x1', '__name__', 'Pin', 'flag', 'Timer', 'x2', 'Echo', 'start', 'y1', 'left', 'back', 'y2', 'num', 'math', 'stop', 'Trig', 'stop1', 'pyb', 'go', 'right', 'machine']
>>>

 善用help（）和dir（）函数，可以在调试和输入代码时，帮助我们查看内部的变量和函数名称，了解模块的功能和用法。

 硬件平台之Pyboard

通常情况下，pyboard指的是MicroPython官方设计的开发板，如PYB V1.0 （也可写为PVB V10）、PYBV1.1（也可写为PVB V11）、PYBV3、PYBV4、PYB Lite 等。这些开发板的硬件和外形结构类似，功能差别也很小，主要差别在于是否带有加速度传感器、LED的数量、PCB的布局等。

但是因为 MicroPython 已经移植到了很多其他 STM32 开发板上（如STM32F4系列Nucleo开发板、STM32F4系列Discovery开发板），并且在这些STM32的开发板运行MicroPython时，基本功能和用法都类似，所以我们也可以把这些开发板称为pyboard。

 

那如何查看板子的型号：在REPL里面按ctrl + b（如果按不出来就先按ctrl + c 停止当前板子程序运行，特别是程序里面存在while循环时）就会显示你板子的型号引脚芯片的型号。

>>>
MicroPython v1.11 on 2019-05-29; PYBv1.0 with STM32F405RG
Type "help()" for more information.
>>>

 我这个板子的型号是PYBv1.0，芯片是STM32F405RG。

 官方的 pyboard（PYBv1x 系列）使用了 64 脚 LQFP64 封装的高性能STM32F405RGT6微控制器，它的主要特点有：

● 1MB Flash和196KB SRAM
● 168MHz主频
● RTC实时时钟
● 51个通用GPIO
● 17个定时器
● 多路PWM输出
● 16路ADC输入
● 2路DAC输出
● 3个I2C接口
● 4个UART接口
● 3个SPI接口
● 一个USB2.0全速接口
● 2个CAN接口
● SDIO接口
● 硬件随机数发生器
● 唯一ID号
● 1.8～3.6V工作电压
pyboard的主要功能：
● 一个复位按键
● 一个用户按键
● 4个不同颜色的LED（其中两个带有亮度调节功能）
● MMA7660C三轴加速度传感器
● microSD插座

除了 MicroPython 软件是开源的，pyboard 的硬件同样也是开源的。在github相关资料：https://github.com/RT-Thread-packages/micropython

原理图：https://micropython.org/resources/PYBv11.pdf

PYB V10使用了PA13、PA14、PA15、PB4四个GPIO控制LED，每个LED的颜色都不同。其中PA15也是TIM2_CH1，PB4是TM3_CH1，所以这两个GPIO支持PMW功能，可以通过调整PWM输出占空比改变LED的亮度。另外两个LED不支持亮度调节功能。

 MCU

   LED（1-4）

   三轴加速器

   SD存储卡

   Power电源分配

  引出的I/0口端子

 

用户按键SW2使用PB3，通过内部上拉电阻连接到VCC，按下SW2时PB3输入低电平。不过因为PB3上没有电容去抖（可以自己增加一个0.1μF的电容），所以在按键时容易出现抖动问题。

加速度传感器MMA7660连接到MCU的I2C1上，传感器的中断输出连接PB2，传感器的模拟电源通过 PB5 提供（这是因为传感器的功耗很低，需要的电流很小）。这样就可以通过PB5控制传感器是否工作了。

microSD连接到MCU的SDIO接口上，因此PYB V10访问SD卡的速度并不慢，比通过SPI方式快很多，而PA8用于检测SD卡是否插入。

系统主时钟由 8MHz 的外部无源振荡器提供，也可以使用其他频率的时钟（4-26MHz），但是频率必须是整数倍，这样才能支持USB功能。而32kHz晶体为系统提供RTC时钟信号。

PYB V10的四周是用于扩展的接口，使用了2.54mm的标准间距，可以焊接排针或者排母。官方开发板上使用的是排母，可以连接液晶、蜂鸣器、触摸按键等专用扩展板。不过焊接排针更适合使用杜邦线连接到各种传感器。

 

 

编译器：uPyCraft IDE （Windows）

 下一章节：Pyboard基本功能快速浏览

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