【雕爷学编程】MicroPython手册之达芬奇 TKM32F499 软件SPI总线

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

达芬奇 TKM32F499是一款基于ARM Cortex-M4内核的微控制器，以下是其主要的参考技术参数：
1、内核和性能：
内核: ARM Cortex-M4
最高主频: 240 MHz
性能: 225 DMIPS / 608 CoreMark
2、存储器：
Flash存储器: 1 MB
RAM: 192 KB
存储器接口: 支持外部存储器扩展（例如，SD卡，NOR Flash等）
3、外设接口：
通用IO口（GPIO）: 支持多达 101 个GPIO引脚，可用于数字输入/输出、中断等。
串行通信接口: 包括多个UART、SPI、I2C接口，用于与外部设备进行通信。
USB接口: 支持USB 2.0 FS（全速）。
定时器: 包括多个定时器/计数器，可用于定时、脉冲宽度调制（PWM）等应用。
ADC和DAC: 内置多个模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），用于模拟信号的采集和输出。
LCD控制器: 支持液晶显示器（LCD）的控制和驱动。
触摸控制器: 支持电容式触摸屏的控制和输入。
SD卡控制器: 支持SD卡的读写操作。
Ethernet控制器: 支持以太网通信。
4、电源管理：
电源供应: 支持广泛的电源电压范围，包括 3.0V 至 3.6V 的工作电压。
低功耗模式: 支持多种低功耗模式，以最小化功耗。
5、安全性：
安全特性: 支持硬件加密和解密、随机数生成器等安全功能，保护系统的数据和通信安全。
6、开发工具支持：
开发环境: 支持常见的开发环境，如Keil MDK、IAR Embedded Workbench等。
调试接口: 支持标准的SWD（Serial Wire Debug）调试接口。

MicroPython的达芬奇TKM32F499提供了软件SPI总线功能，下面将以专业的视角为您详细解释其主要特点、应用场景以及需要注意的事项。

主要特点：

软件实现：达芬奇TKM32F499的软件SPI总线是通过软件编程实现的，而不是硬件电路。这意味着可以在没有硬件SPI接口的情况下使用软件来模拟SPI通信。

灵活性：软件SPI总线具有较高的灵活性，可以根据应用的需求进行个性化的设置和配置。用户可以自定义SPI的引脚分配、时序参数、传输模式等，以适应不同的外设和通信要求。

多设备支持：软件SPI总线可以支持多个外设设备的连接。通过片选信号（CS/SS）的控制，可以选择与哪个设备进行通信，并通过软件切换引脚和时序来实现多设备的数据传输。

低速应用：软件SPI总线通常适用于低速应用场景，例如与一些低速外设（如LCD显示屏、温度传感器等）进行通信。对于高速传输要求较高的应用，硬件SPI通常更为适合。

应用场景：

外设通信：软件SPI总线可以用于与各种外设进行通信，如LCD显示屏、触摸屏、存储器芯片等。通过软件模拟SPI通信协议，可以实现数据的读取和写入操作。

传感器接口：软件SPI总线适用于与各种传感器进行接口交互，如温度传感器、气压传感器、光传感器等。通过软件SPI总线可以读取传感器的数据，并进行相应的处理和分析。

嵌入式系统：在一些资源受限或没有硬件SPI接口的嵌入式系统中，软件SPI总线是一种常见的通信方式。它可以通过软件编程来模拟硬件SPI总线，以满足系统对外设通信的需求。

需要注意的事项：

时序要求：由于软件SPI总线是通过软件编程实现的，因此对于时序的控制要求较高。在进行软件SPI通信时，需要确保时序参数的准确性和稳定性，以避免通信错误或数据丢失。

速度限制：软件SPI总线的速度通常较慢，受软件执行速度的限制。在设计应用时，需要评估所需的数据传输速度，并确保软件SPI总线能够满足要求，避免数据传输延迟或性能瓶颈的问题。

引脚冲突：由于软件SPI总线是通过软件控制引脚来模拟SPI通信，因此需要注意引脚的分配和冲突问题。在设计电路时，需要避免引脚冲突以确保正常的通信操作。

综上所述，MicroPython的达芬奇TKM32F499的软件SPI总线具有软件实现、灵活性、多设备支持和适用于低速应用的特点。它适用于外设通信、传感器接口和嵌入式系统等应用场景。在使用软件SPI总线时需要注意时序要求、速度限制和引脚冲突等问题。

案例1：使用MicroPython控制达芬奇 TKM32F499的LED灯闪烁

from machine import Pin, Timer
import time

# 初始化LED引脚，这里使用的是TKM32F499的GPIO13引脚
led = Pin(13, Pin.OUT)

def led_blink():
    led.value(0)
    time.sleep(1)
    led.value(1)
    time.sleep(1)

timer = Timer(1)
timer.start(lambda: led_blink())

要点解读：
导入所需的库和模块。
初始化LED引脚，这里使用的是TKM32F499的GPIO13引脚。
定义一个定时器函数led_blink()，用于实现LED灯的闪烁效果。
在定时器回调函数中，调用led_blink()函数来实现LED灯的闪烁效果。
创建一个定时器对象timer，并设置定时器间隔为1秒。
启动定时器，并在定时器回调函数中调用led_blink()函数实现LED灯的闪烁效果。

案例2：使用MicroPython读取达芬奇 TKM32F499的温度传感器数据

from machine import Pin, I2C
import time
import dht

# 初始化I2C接口和温度传感器，这里使用的是TKM32F499的I2C接口和DHT11温度传感器。
i2c = I2C(scl=Pin(2), sda=Pin(3))
dht_sensor = dht.DHT11(Pin(4))

while True:
    # 读取温度传感器数据
    humidity, temperature = dht_sensor.read()

    # 如果读取成功，打印温度和湿度值；否则，打印无法读取温度传感器数据的提示信息。
    if humidity is not None and temperature is not None:
        print("温度：{:.1f}℃，湿度：{:.1f}%".format(temperature, humidity))
    else:
        print("无法读取温度传感器数据")

    # 延时1秒后继续循环
    time.sleep(1)

要点解读：
导入所需的库和模块。
初始化I2C接口和温度传感器，这里使用的是TKM32F499的I2C接口和DHT11温度传感器。
在循环中，首先读取温度传感器数据。
如果读取成功，打印温度和湿度值；否则，打印无法读取温度传感器数据的提示信息。
延时1秒后继续循环。

案例3：使用MicroPython控制达芬奇 TKM32F499的LCD显示屏显示当前时间

from machine import Pin, I2C
import time
import ssd1306

# 初始化I2C接口和OLED显示屏，这里使用的是TKM32F499的I2C接口和SSD1306 OLED显示屏。
i2c = I2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64)

while True:
    # 获取当前时间
    current_time = time.localtime()

    # 格式化时间字符串
    time_str = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

    # 在屏幕上显示时间字符串，包括标题和实际时间值。
    oled.text("当前时间：", 0, 0)
    oled.text("{:s}".format(time_str), 0, 10)
    oled.show()

    # 延时1秒后继续循环
    time.sleep(1)

要点解读：
导入所需的库和模块。
初始化I2C接口和OLED显示屏，这里使用的是TKM32F499的I2C接口和SSD1306 OLED显示屏。
在循环中，首先获取当前时间，然后格式化为字符串。
在屏幕上显示时间字符串，包括标题和实际时间值。
延时1秒后继续循环。

案例4：与LCD显示屏通信：

import machine
import time

# 定义SPI总线引脚
sck = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
mosi = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
miso = machine.Pin(16, machine.Pin.IN)
cs = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)

# 初始化SPI总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 选择LCD显示屏
cs.value(0)

# 发送命令和数据
def send_command(cmd):
    cs.value(0)
    spi.write(cmd)
    cs.value(1)

def send_data(data):
    cs.value(0)
    spi.write(data)
    cs.value(1)

# 初始化LCD
send_command(b'\x01')  # 清屏
time.sleep(0.1)
send_command(b'\x38')  # 设置8位数据总线和2行显示
time.sleep(0.1)
send_command(b'\x0C')  # 开启显示

# 显示数据
send_command(b'\x80')  # 设置光标位置
send_data(b'Hello World!')

# 关闭SPI总线
spi.deinit()

要点解读：
通过定义引脚和初始化SPI总线对象，建立软件SPI总线的连接。
使用spi.write()函数发送命令和数据，实现与LCD显示屏的通信。
通过选择片选信号（CS）来与目标设备进行通信。
通过发送特定的命令和数据，可以实现LCD的初始化、显示和控制等功能。

案例5：与温度传感器通信：

import machine
import time

# 定义SPI总线引脚
sck = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
mosi = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
miso = machine.Pin(16, machine.Pin.IN)
cs = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)

# 初始化SPI总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 选择温度传感器
cs.value(0)

# 读取温度
def read_temperature():
    cs.value(0)
    spi.write(b'\x01')  # 发送读取温度命令
    temperature = spi.read(2)  # 读取2字节的温度值
    cs.value(1)
    return temperature

# 循环读取并显示温度
while True:
    temperature = read_temperature()
    print("Temperature:", temperature)
    time.sleep(1)

# 关闭SPI总线
spi.deinit()

要点解读：
通过定义引脚和初始化SPI总线对象，建立软件SPI总线的连接。
使用spi.write()函数发送命令，并使用spi.read()函数读取返回的温度值。
通过选择片选信号（CS）来与目标设备进行通信。
循环读取温度并进行处理，可以实现温度传感器的数据采集和监测。

案例6：与存储器芯片通信：

import machine

# 定义SPI总线引脚
sck = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
mosi = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
miso = machine.Pin(16, machine.Pin.IN)
cs = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)

# 初始化SPI总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0, sck=sck, mosi=mosi, miso=miso)

# 选择存储器芯片
cs.value(0)

# 读取数据
def read_data(address, length):
    cs.value(0)
    spi.write(bytes([0x03, (address >> 8) & 0xFF, address & 0xFF]))  # 发送读取命令和地址
    data = spi.read(length)  # 读取指定长度的数据

要点解读：

• 通过定义引脚和初始化SPI总线对象，建立软件SPI总线的连接。
• 使用spi.write()函数发送读取命令和地址，并使用spi.read()函数读取返回的数据。
• 通过选择片选信号（CS）来与目标设备进行通信。
• 可以根据需要定义读取数据的地址和长度，实现与存储器芯片的读取操作。

案例7：发送SPI数据

from machine import Pin, SPI

# 创建SPI对象
spi = SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(2), mosi=Pin(3))

# 发送数据
data = b"Hello, SPI!"
spi.write(data)

要点解读：
使用machine.SPI类创建SPI对象，其中第一个参数指定SPI总线编号，第二个参数baudrate指定波特率，polarity和phase参数用于设置时钟极性和相位，sck和mosi分别指定时钟和数据输出引脚。
使用spi.write方法发送数据，数据可以是字节字符串或字节数组。

案例8：接收SPI数据

from machine import Pin, SPI

# 创建SPI对象
spi = SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(4))

# 接收数据
buffer = bytearray(10)
spi.readinto(buffer)
print("Received data: {}".format(buffer))

要点解读：
使用machine.SPI类创建SPI对象，其中第一个参数指定SPI总线编号，第二个参数baudrate指定波特率，polarity和phase参数用于设置时钟极性和相位，sck、mosi、miso分别指定时钟、数据输出和数据输入引脚。
使用spi.readinto方法接收数据，并将数据存储在字节数组中。

案例9：全双工通信

from machine import Pin, SPI

# 创建SPI对象
spi = SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(4))

# 发送和接收数据
tx_data = b"Hello, SPI!"
rx_data = bytearray(len(tx_data))
spi.write_readinto(tx_data, rx_data)
print("Received data: {}".format(rx_data))

要点解读：
使用machine.SPI类创建SPI对象，其中第一个参数指定SPI总线编号，第二个参数baudrate指定波特率，polarity和phase参数用于设置时钟极性和相位，sck、mosi、miso分别指定时钟、数据输出和数据输入引脚。
使用spi.write_readinto方法同时发送和接收数据，将发送的数据存储在一个字节字符串中，接收的数据存储在一个字节数组中。
以上代码示例展示了在达芬奇TKM32F499上使用MicroPython进行软件SPI总线通信的实际应用。您可以根据需求和实际情况，使用这些示例代码作为起点进行修改和扩展。请注意，具体的引脚配置、波特率和时钟极性相位设置可能会因硬件的不同而有所变化，请参考您的硬件文档以及MicroPython的文档以获取更详细的信息。

请注意，以上案例只是为了拓展思路，可能存在错误或不适用的情况。不同的硬件平台、使用场景和MicroPython版本可能会导致不同的使用方法。在实际编程中，您需要根据您的硬件配置和具体需求进行调整，并进行多次实际测试。需要正确连接硬件并了解所使用的传感器和设备的规范和特性非常重要。对于涉及到硬件操作的代码，请确保在使用之前充分了解和确认所使用的引脚和电平等参数的正确性和安全性。