【雕爷学编程】MicroPython手册之 SAMD21 引脚和GPIO

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。

SAMD21是一系列使用32位ARM® Cortex®-M0+处理器的低功耗微控制器，由Microchip Technology公司开发。SAMD21的技术参数如下：

1、处理器：32位ARM® Cortex®-M0+，最高工作频率为48MHz，每兆赫兹可达2.46 Coremark。
2、存储器：闪存容量从32KB到256KB不等，SRAM容量从4KB到32KB不等。
3、电源管理：支持多种低功耗模式，如空闲和待机模式，最低功耗为3.5μA/MHz。
4、外设：拥有丰富的智能和灵活的外设，如直接内存访问控制器（DMAC）、事件系统、定时器/计数器（TC/TCC）、实时时钟（RTC）、看门狗定时器（WDT）、CRC-32生成器、通用串行总线（USB）2.0接口、串行通信接口（SERCOM）、Inter-IC Sound（I2S）接口、模数转换器（ADC/DAC）、模拟比较器（AC）和外设触摸控制器（PTC）。
5、封装：支持多种封装形式，从32引脚到64引脚不等，包括TQFP、QFN、UFBGA和WLCSP。
6、标准：符合AEC-Q100 Grade 1的汽车级标准，工作温度范围为-40°C到+125°C。

MicroPython的SAMD21引脚和GPIO是指在SAMD21微控制器上使用MicroPython语言进行引脚控制和通用输入输出（GPIO）操作的功能模块。

主要特点：

引脚功能多样性：SAMD21微控制器的引脚可以配置为不同的功能，如输入、输出、模拟输入、PWM输出等。这使得开发者可以根据具体应用需求对引脚进行灵活配置和控制。
可编程性：通过MicroPython语言，开发者可以使用简洁的语法对SAMD21引脚进行编程控制。可以设置引脚的状态（高电平、低电平）、读取引脚的状态以及响应引脚的中断等。
引脚复用：SAMD21微控制器的引脚支持复用功能，即一个引脚可以被多个功能模块共享使用。这使得开发者可以在不同的应用场景中灵活地配置和分配引脚资源。

应用场景：

外设控制：SAMD21引脚和GPIO常用于与外部设备的连接和控制。通过设置引脚的输出状态，可以控制外设的开关、触发事件等。同时，通过读取引脚的输入状态，可以获取外设的反馈信息。
传感器接口：SAMD21引脚和GPIO可用于与各种传感器进行接口连接，如温度传感器、光传感器等。通过读取传感器输出的模拟信号或数字信号，可以实现对环境参数的测量和监测。
扩展模块连接：SAMD21引脚和GPIO可以连接各种扩展模块，如显示屏模块、无线通信模块等。通过编程控制引脚的状态，可以实现与扩展模块的数据交互和通信。

注意事项：

引脚电平和电流：在使用SAMD21引脚和GPIO时，需要注意引脚的电平和电流限制。确保引脚输出的电平符合连接设备的要求，并不超过引脚的最大电流承载能力。
引脚复用冲突：SAMD21微控制器的引脚复用功能可能会导致引脚冲突。在进行引脚配置时，需注意避免引脚复用冲突，确保各功能模块正常工作。
中断处理：使用SAMD21 GPIO进行中断处理时，需要合理处理中断优先级和中断服务程序，以确保准确响应和处理引脚中断。

综上所述，MicroPython的SAMD21引脚和GPIO模块利用SAMD21微控制器丰富的引脚资源和MicroPython语言的支持，提供了灵活的引脚控制和通用输入输出功能。适用于外设控制、传感器接口和扩展模块连接等应用场景。在使用引脚和GPIO功能时，需要注意引脚的电平和电流、引脚复用冲突以及中断处理等问题，以确保引脚的正常工作和可靠性。

以下是几个实际运用程序参考代码案例，分别演示了如何使用MicroPython的SAMD21引脚和GPIO功能：

案例一：使用machine.Pin()设置引脚为输出模式

import machine

pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)  # 设置引脚2为输出模式
pin.value(1)  # 将引脚2设置为高电平

重点解读：这个程序使用machine.Pin()函数创建一个引脚对象，然后通过Pin.OUT参数设置引脚为输出模式。在这个例子中，我们将引脚2设置为输出模式，并使用value()方法将其设置为高电平。

案例二：使用machine.Pin()读取引脚状态

import machine

pin = machine.Pin(2, machine.Pin.IN)  # 设置引脚2为输入模式
status = pin.value()  # 读取引脚2的状态
print("引脚2的状态：", status)

重点解读：这个程序使用machine.Pin()函数创建一个引脚对象，然后通过Pin.IN参数设置引脚为输入模式。在这个例子中，我们将引脚2设置为输入模式，并使用value()方法读取其状态。

案例三：使用machine.ADC()读取模拟输入值

import machine

adc = machine.ADC(0)  # 创建ADC对象，通道号为0
adc.atten(machine.ADC.ATTN_11DB)  # 设置ADC的衰减值为11dB
adc.conversion(machine.ADC.CONV_16BIT)  # 设置ADC的转换结果为16位
result = adc.read()  # 读取ADC的值
print("ADC的值为：", result)

重点解读：这个程序使用machine.ADC()函数创建一个ADC对象，并指定通道号、衰减值和转换结果。在这个例子中，我们创建了一个通道0的ADC对象，并设置了衰减值为11dB，转换结果为16位。然后，我们使用read()方法读取ADC的值，并将其打印出来。

案例四：LED闪烁

import machine  
  
led = machine.Pin(22, machine.Pin.OUT)  # 将22号引脚设为输出模式，连接LED  
  
while True:  
    led.toggle()  # 切换LED状态（亮/灭）  
    machine.sleep(1)  # 延时1秒

要点解读：
导入machine模块，以便控制引脚。
使用machine.Pin()函数将22号引脚设为输出模式，并将其命名为led。
在一个无限循环中，使用led.toggle()函数切换LED的状态（亮/灭），并使用machine.sleep()函数实现延时1秒。

案例五：按钮输入

import machine  
  
button = machine.Pin(23, machine.Pin.IN, pull=machine.Pin.PULL_UP)  # 将23号引脚设为输入模式，连接按钮，启用内部上拉电阻  
  
while True:  
    if button.value() == 0:  # 检测按钮是否被按下  
        print("Button pressed")  
        machine.sleep(1)  # 延时1秒

要点解读：
导入machine模块，以便控制引脚。
使用machine.Pin()函数将23号引脚设为输入模式，连接按钮，并启用内部上拉电阻（pull=machine.Pin.PULL_UP）。
在一个无限循环中，使用button.value()函数检测按钮是否被按下（按钮按下时值为0）。如果按钮被按下，则打印“Button pressed”消息，并使用machine.sleep()函数实现延时1秒。

案例六：LCD显示器控制

import machine  
import uili2c  
  
# 初始化I2C总线  
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21), freq=400000)  # SCL=22, SDA=21, 频率400kHz  
  
# 初始化LCD显示器模块（本例中为16x2字符液晶模块）  
lcd = uili2c.I2C_LCD(i2c, 0x38, 16, 2)  # 地址：0x38，列数：16，行数：2  
  
lcd.clear()  # 清屏  
lcd.message("Hello, SAMD21!")  # 显示消息

要点解读：
导入machine和uili2c模块，分别用于控制引脚和进行I2C通信。
使用machine.I2C()函数初始化I2C总线，指定SCL和SDA引脚以及频率。
使用uili2c.I2C_LCD()函数初始化LCD显示器模块，指定I2C总线、地址、列数和行数。在本例中，使用的是16x2字符液晶模块，地址为0x38。
使用lcd.clear()函数清空LCD屏幕。
使用lcd.message()函数在LCD屏幕上显示指定的消息。

案例七：使用SAMD21的DAC输出模拟信号

SAMD21设备在GPIO PA02处有1个DAC通道，可以用来输出模拟信号。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以让DAC输出一个三角波信号：

from machine import DAC, Pin
import time

dac = DAC(Pin('PA02')) # 创建DAC对象，使用PA02引脚
value = 0 # 初始值为0
step = 10 # 每次增加或减少的步长
direction = 1 # 方向，1为上升，-1为下降

while True:
    dac.write(value) # 向DAC写入值，范围为0-255
    value += step * direction # 根据方向和步长更新值
    if value > 255: # 如果超过最大值，改变方向并减去多余的部分
        value = 255 - (value - 255)
        direction = -1
    elif value < 0: # 如果低于最小值，改变方向并加上多余的部分
        value = -value
        direction = 1
    time.sleep(0.01) # 延时10毫秒

要点解读：
DAC类可以用来创建一个数字模拟转换器（DAC）对象，它可以将数字信号转换为模拟信号。
DAC对象的write方法可以用来向DAC写入一个整数值，范围为0-255，对应于0-3.3伏特的模拟电压。
通过循环改变DAC的输出值，可以生成不同形状和频率的模拟波形。

案例八：使用SAMD21的ADC读取模拟信号

SAMD21设备有多个ADC通道，可以用来读取模拟信号。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以读取PA03引脚上的模拟电压，并打印出对应的数字值：

from machine import ADC, Pin

adc = ADC(Pin('PA03')) # 创建ADC对象，使用PA03引脚
adc.atten(ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减为11分贝，使得输入范围为0-3.6伏特

while True:
    value = adc.read() # 从ADC读取值，范围为0-4095
    print(value) # 打印值

要点解读：
ADC类可以用来创建一个模拟数字转换器（ADC）对象，它可以将模拟信号转换为数字信号。
ADC对象的read方法可以用来从ADC读取一个整数值，范围为0-4095，对应于0-3.6伏特的模拟电压。
ADC对象的atten方法可以用来设置ADC的衰减系数，影响输入电压的范围。默认情况下，衰减系数为0分贝，输入范围为0-1伏特。

案例九：使用SAMD21的外部中断检测按键状态

除了16号引脚之外的所有引脚都可以配置为在它们的输入发生变化时触发硬中断。硬中断可以在事件发生后立即触发，并执行预设的回调函数。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以检测PA04引脚上按键的按下和松开，并打印出相应的信息：

from machine import Pin

def callback(p): # 定义回调函数，参数p是触发中断的引脚对象
    if p.value() == 0: # 如果引脚值为0，表示按键按下
        print('Button pressed')
    else: # 如果引脚值为1，表示按键松开
        print('Button released')

button = Pin('PA04', Pin.IN, Pin.PULL_UP) # 创建引脚对象，使用PA04引脚，设置为输入模式，并启用内部上拉电阻
button.irq(trigger=Pin.IRQ_RISING | Pin.IRQ_FALLING, handler=callback) # 设置引脚的中断触发模式为上升沿和下降沿，并指定回调函数

要点解读：
Pin类可以用来创建一个引脚对象，它可以控制和读取引脚的状态。
Pin对象的irq方法可以用来设置引脚的中断触发模式和回调函数。触发模式可以是Pin.IRQ_RISING（上升沿），Pin.IRQ_FALLING（下降沿），或者两者的按位或（|）。
回调函数必须接受一个参数，即触发中断的引脚对象。回调函数应该尽可能简短，避免分配内存或执行复杂的操作。

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。确保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。