【雕爷学编程】MicroPython手册之 Zephyr 硬件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。

Zephyr是一款开源的实时操作系统（RTOS），专为嵌入式系统设计。下面将详细解释Zephyr的技术参数，包括其基本概念和定义。

1、支持的处理器架构：Zephyr支持多种处理器架构，包括ARM、x86、RISC-V等。这使得Zephyr可以运行在广泛的嵌入式系统上，从低功耗微控制器到高性能处理器。
2、内存需求：Zephyr的内存需求相对较低，可以适应资源受限的嵌入式系统。它提供了多种内存管理方案，包括静态内存分配和动态内存分配，可以根据应用需求进行灵活配置。
3、多任务支持：Zephyr支持多任务并发执行。它使用轻量级的线程（Thread）机制来实现任务的创建、调度和同步。Zephyr还提供了丰富的同步原语，如信号量、互斥锁和消息队列等，方便开发者进行任务间的通信和同步。
4、实时性能：作为实时操作系统，Zephyr具有良好的实时性能。它提供了可配置的优先级调度策略，可以确保关键任务的及时响应。此外，Zephyr还提供了硬实时和软实时两种调度模式，以满足不同实时性要求的应用场景。
5、硬件抽象层（HAL）：Zephyr提供了硬件抽象层（HAL），用于屏蔽不同硬件平台之间的差异性。通过HAL，开发者可以使用统一的API接口来访问硬件资源，无需关注底层硬件的细节，从而提高了代码的可移植性和可重用性。
6、设备驱动支持：Zephyr提供了丰富的设备驱动支持，包括串口、SPI、I2C、GPIO等常见外设的驱动。这些设备驱动可以方便地与硬件交互，简化了对外设的控制和访问。
7、网络协议支持：Zephyr支持多种网络协议，如TCP/IP协议栈、Bluetooth、Wi-Fi等。这使得Zephyr适用于物联网和无线通信等应用场景，可以与其他设备进行网络通信和连接。
8、开发工具链：Zephyr提供了丰富的开发工具链，包括命令行工具、集成开发环境（IDE）插件和调试器支持等。这些工具可以帮助开发者进行应用程序的编译、调试和部署，提高开发效率。

MicroPython的Zephyr硬件SPI总线是在MicroPython和Zephyr操作系统结合使用时的相关特性。下面将以专业的视角详细解释MicroPython的Zephyr硬件SPI总线，包括主要特点、应用场景以及需要注意的事项。

主要特点：

SPI通信协议支持：MicroPython的Zephyr硬件SPI总线支持SPI（Serial Peripheral Interface）通信协议。SPI是一种同步串行通信协议，常用于连接微控制器和外围设备之间的通信。通过SPI总线，开发者可以实现高速的全双工数据传输，同时支持多个从设备。

高速数据传输：Zephyr操作系统提供了对高速SPI传输的支持。开发者可以通过配置适当的SPI时钟频率来实现高速数据传输，以满足对实时性和性能的要求。这使得MicroPython的Zephyr硬件SPI总线在需要快速数据交换的应用场景中非常有用。

多设备支持：Zephyr操作系统允许连接多个SPI设备到同一个SPI总线上。通过配置不同的片选（Chip Select）引脚，开发者可以选择与目标设备进行通信。这种灵活性使得开发者可以同时控制多个SPI设备，如存储器、传感器、显示器等。

应用场景：

存储器访问：MicroPython的Zephyr硬件SPI总线在存储器访问方面非常常见。通过连接SPI存储器，如闪存、EEPROM等，开发者可以进行数据的读写操作。这对于存储设备的配置、固件更新、数据存储等应用非常有帮助。

传感器应用：许多传感器（如加速度计、陀螺仪、温度传感器等）支持SPI接口。通过MicroPython的Zephyr硬件SPI总线，开发者可以与这些传感器进行通信，读取实时数据，并进行相应的数据处理和决策。

显示器控制：某些液晶显示器（LCD）模块使用SPI接口进行控制。通过MicroPython的Zephyr硬件SPI总线，开发者可以与这些显示器进行通信，实现文本、图形等内容的显示控制。

需要注意的事项：

时序和速率：SPI通信协议有特定的时序和速率要求。开发者需要根据设备的规格和要求，设置适当的时序和速率，以确保正常的通信和数据传输。

片选管理：当连接多个SPI设备时，需要正确管理各个设备的片选引脚。开发者需要根据具体的硬件设备和需求，配置正确的片选引脚，并在通信前后正确选择和取消片选来与目标设备进行通信。

电平转换和电流限制：当连接不同电平的设备时，需要注意进行电平转换。SPI总线使用驱动器来提供信号，因此需要适当的电平转换电路来匹配不同设备的电平要求。此外，需要注意SPI总线上的电流限制，以防止损坏设备或导致通信故障。

总之，MicroPython的Zephyr硬件SPI总线为开发者提供了与SPI设备进行通信的能力。它具有高速数据传输、支持多设备等特点，适用于存储器访问、传感器应用和显示器控制等场景。在使用这一功能时，开发者需要注意设置适当的时序和速率、正确管理片选引脚、进行必要的电平转换和电流限制等。这样才能确保SPI总线的正常运行和可靠的通信。

案例1：使用SPI总线发送数据到传感器

from machine import Pin, SPI
import time

# 初始化SPI总线
spi = SPI(1, baudrate=2000000)

# 设置主设备地址
master_addr = 0x00

# 设置要发送的数据
data = bytearray([0x01, 0x02, 0x03])

# 发送数据到传感器
spi.xfer2([master_addr, data])

要点解读：这个程序演示了如何使用SPI总线发送数据到传感器。首先，需要初始化SPI总线并设置主设备地址和要发送的数据。然后，通过xfer2方法将主设备地址和数据发送给从机。需要注意的是，在使用SPI总线进行通信时，需要确保数据传输的正确性和完整性。因此，在发送数据前需要等待接收方准备好，并在读取数据时需要注意数据的完整性和正确性。

案例2：使用SPI总线接收传感器数

from machine import Pin, SPI
import time

# 初始化SPI总线
spi = SPI(1, baudrate=2000000)

# 设置从机地址
slave_addr = 0x01

# 设置接收缓冲区大小
buffer_size = 8

# 初始化接收缓冲区
buffer = bytearray(buffer_size)

# 循环接收传感器数据
while True:
    data = spi.readinto(buffer)
    if not data:
        break
    print("Received sensor data: ", buffer)

要点解读：这个程序演示了如何使用SPI总线接收传感器数据。首先，需要初始化SPI总线并设置从机地址和接收缓冲区大小。然后，通过readinto方法从SPI总线中读取传感器数据并将其存储在缓冲区中。最后，打印出接收到的传感器数据。需要注意的是，在使用SPI总线进行通信时，需要确保数据传输的正确性和完整性。因此，在发送数据前需要等待接收方准备好，并在读取数据时需要注意数据的完整性和正确性。

案例3：使用SPI总线控制LED灯闪

from machine import Pin, SPI
import time

# 初始化SPI总线
spi = SPI(1, baudrate=2000000)

# 设置主设备地址
master_addr = 0x00

# 设置LED灯引脚
led_pin = Pin(5, Pin.OUT)

# 设置LED灯状态为亮
led_state = True

# 控制LED灯闪烁
while True:
    if led_state:
        led_pin.value(0)  # LED灯亮
    else:
        led_pin.value(1)  # LED灯灭
    time.sleep(0.5)  # 延时0.5秒
    led_state = not led_state  # 切换LED灯状态

要点解读：这个程序演示了如何使用SPI总线控制LED灯的闪烁。首先，需要初始化SPI总线并设置主设备地址和LED灯引脚。然后，通过Pin类设置LED灯的状态为亮或灭。接着，在一个无限循环中，根据LED灯的状态来控制其亮灭，并通过time.sleep函数设置延时时间。最后，切换LED灯的状态。需要注意的是，在使用SPI总线进行通信时，需要确保数据传输的正确性和完整性。因此，在发送数据前需要等待接收方准备好，并在读取数据时需要注意数据的完整性和正确性。

案例4：配置和发送SPI数据：

import machine

# 配置SPI总线
spi = machine.SPI(0)

# 配置SPI参数
spi.init(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)

# 发送数据
data = b'\x01\x02\x03\x04'
spi.write(data)

要点解读：
使用machine.SPI()函数配置SPI总线，参数为总线号。
使用init()方法配置SPI总线的参数，例如波特率、极性和相位。
将要发送的数据存储在data变量中，以字节串形式表示。
使用write()方法向SPI总线发送数据。

案例5：从SPI设备接收数据：

import machine

# 配置SPI总线
spi = machine.SPI(0)

# 配置SPI参数
spi.init(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)

# 接收数据
data = spi.read(4)

# 打印接收结果
print("接收到的数据：", data)

要点解读：
使用machine.SPI()函数配置SPI总线，参数为总线号。
使用init()方法配置SPI总线的参数，例如波特率、极性和相位。
使用read()方法从SPI总线接收指定字节数的数据，并将其存储在data变量中。
打印接收到的数据。

案例6：执行SPI传输：

import machine

# 配置SPI总线
spi = machine.SPI(0)

# 配置SPI参数
spi.init(baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)

# 发送和接收数据
send_data = b'\x01\x02\x03\x04'
recv_data = spi.transfer(send_data)

# 打印传输结果
print("传输结果：", recv_data)

要点解读：
使用machine.SPI()函数配置SPI总线，参数为总线号。
使用init()方法配置SPI总线的参数，例如波特率、极性和相位。
将要发送的数据存储在send_data变量中，以字节串形式表示。
使用transfer()方法执行SPI传输，将发送的数据传递给SPI总线，并将接收到的数据存储在recv_data变量中。
打印传输结果。这些示例代码展示了MicroPython在Zephyr上操作硬件SPI总线的常见用法。根据具体的硬件平台和SPI设备的要求，你可以根据这些示例进行进一步的修改和调整。请注意，具体的SPI总线操作可能因Zephyr的特定配置和硬件平台而有所不同，上述示例提供了一个基本的框架，你可以根据实际情况进行适当的调整和实现。

案例7：SPI主机模式读取从机数据

from micropython import const  
import machine  
import utime  
import machine_spi as spi  
  
SPI_BUS = const(0)  
SPI_SCK = const(21)  
SPI_MOSI = const(20)  
SPI_MISO = const(19)  
SPI_FREQ = const(1000000)  
  
def main():  
    spi.init(SPI_BUS, baudrate=SPI_FREQ, sck=machine.Pin(SPI_SCK), mosi=machine.Pin(SPI_MOSI), miso=machine.Pin(SPI_MISO))  
    spi.configure(mode=spi.MODE_MASTER, bitorder=spi.BITORDER_MSB, datasize=spi.DATASIZE_8BIT)  
    while True:  
        # 发送读取命令（这里假设为0x01）  
        spi.writeto(bytearray([0x01]))  
        # 读取从机返回的数据（这里假设为2个字节）  
        data = spi.read(2)  
        print(data)  
        utime.sleep(1)  
  
main()

要点解读：此代码使用Zephyr的MicroPython运行时来配置SPI主机模式，并从从机读取数据。代码中，我们首先导入必要的模块和常量，然后初始化SPI总线并设置相关参数。接着，我们使用spi.writeto()函数发送读取命令，然后使用spi.read()函数读取从机返回的数据。最后在一个无限循环中重复进行读取操作并打印接收到的数据。

案例8：SPI从机模式发送数据给主机

from micropython import const  
import machine  
import utime  
import machine_spi as spi  
  
SPI_BUS = const(0)  
SPI_SCK = const(21)  
SPI_MOSI = const(20)  
SPI_MISO = const(19)  
SPI_FREQ = const(1000000)  
  
def main():  
    spi.init(SPI_BUS, baudrate=SPI_FREQ, sck=machine.Pin(SPI_SCK), mosi=machine.Pin(SPI_MOSI), miso=machine.Pin(SPI_MISO))  
    spi.configure(mode=spi.MODE_SLAVE, bitorder=spi.BITORDER_MSB, datasize=spi.DATASIZE_8BIT)  
    while True:  
        # 等待主机发送读取命令（这里假设为0x01）  
        if spi.readinto(bytearray([0]))[0] == 0x01:  
            # 发送数据给主机（这里假设为0x55和0xaa）  
            spi.writeto(bytearray([0x55, 0xaa]))  
        utime.sleep(1)  
  
main()

要点解读：此代码使用Zephyr的MicroPython运行时来配置SPI从机模式，并在接收到主机的读取命令后发送数据给主机。代码中，我们首先导入必要的模块和常量，然后初始化SPI总线并设置相关参数。接着，在一个无限循环中等待主机发送读取命令，如果接收到命令，则使用spi.writeto()函数发送数据给主机。这里需要注意的是，在SPI从机模式下，我们需要使用spi.readinto()函数来读取主机发送的命令。

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。