一、問題/目標

  前面我們學習了 Python語言， 開發無線電軌智能車模使用的是 MicroPython 語言，如何從 Python 語言編程， 轉向 MicroPython 語言編程，下面讓我們來談談以下三個問題： （1）他們之間的區別；（2） MicroPython中特殊的硬件開發軟件包；（3）在 MicroPython 開發單片機中嵌入式程序的三個需要注意到的特點，Setup-Loop 整體框架結構；硬件相關軟件結構；硬件中斷的使用。下面讓我們逐一討論一下。

 

二、基本原理

1、與Python之間的差異

• Introduction to MicroPython – Python for Microcontrollers

  MicroPython 語言是集成了 Python 語言的一個分支， 實現了 Python 3.4 版本語言標準。它是專門為在單片機這類嵌入式微控制器上，  實現的一款簡潔穩定的Python語言解釋器由于它屬于高級解釋型語言，  使得單片機的開發變得容易起來現在已經有眾多的單片機平臺都支持 MicroPython 進行應用軟件的開發。對于初學者來講，  在語法層面， MicroPython 與 Python 語言的差別基本上不易被覺察。  這里就不做展開， 大家如果感興趣，可以在 MicroPython 官網進行查看。  最后需要說明一點的是，  為了便于軟件開發，  在MicroPython中有一種交互式程序開發模式， REPL， 也就是 Read Evaluate Print Loop。MicroPython 在此模式下， 不斷讀取從串口輸入的 MicroPython  指令， 執行后， 進行結果輸出。這個過程不斷循環， 形成一個交互式開發模式。

 

  比如在Thonny 環境中，利用上面程序編輯窗口進行軟件開發屬于正常程序開發，在Shell中就可以使用 REPL 機制進行交互式開發，比如下面演示在 Shell 中 命令提示符后面輸入不同命令，  回車后， MicroPython 執行結果的演示。手工輸入， 或者拷貝前面的命令，  都可以進行執行。

2、硬件軟件包

  為了應用到單片機平臺中的硬件模塊，在 MicroPython 中還集成了很多特殊的軟件包。應用這些軟件包可以定義一些與硬件相關的對象， 以及相關的硬件函數接口。

  這里以無線電軌智能車重核心控制板 ESP32為例， 在它的MicroPython 中就集成了很多的硬件軟件包包括有管腳、異步串口、PWM、ADC 以及外部的 I2C， SPI 串行接口等。通過這些特殊的硬件驅動軟件包， 我們就可以在Python 語言中訪問利用這些硬件資源， 來控制車模的運行， 感知外部環境等。比如這里是 I2C總線軟件包， 通過它可以連接單片機外部很多資源，為了應用這個端口，可以 import machine 軟件包中的 Pin， I2C 模塊，通過定義相應的對象，   設置 I2C 總線端口的屬性，并與外部設備通信。

 

  通過實驗 掌握更多單片機的這些硬件資源的特點和使用方法是應用單片機解決車模控制問題的管腳所在。

3、嵌入式程序開發

  最后， 我們討論一下 MicroPython 開發嵌入式程序的特點。對于初學者需要注意三個方面的內容。第一個就是程序主題大體上呈現設置與循環兩部分。在設置部分，往往需要 import 所需要的軟件包、  對程序軟件變量和硬件模塊進行初始化等然后程序進入一個由 for 或者 while 語句構成的無限循環結構，  在這個結構中周期的執行一系列的指令， 完成控制的主要任務。第二部分就是需要理解程序中包含有一些與硬件相關的變量、對象等。它們需要不停的進行循環刷新和幅值，這些實時變量的值反映了單片機外部端口的電壓信號， 或者通訊數據等， 通過前面的循環結構進行周期的讀取或者賦值。  最終形成對外部電路的控制。

 

  最后講一下在車模控制中會碰到的另外一個特殊編程技術，  那就是中斷。中斷是在 單片機內部硬件在滿足某些條件下執行的程序片段，  比如當定時器硬件出現溢出是會產生周期的定時器中斷； 在外部端口出現電壓變化時會出現 IO 信號中斷；在串口接收到數據的時候會出現串口通訊中斷等。靈活的應用中斷是單片機嵌入式開發的重要技巧。 通常情況下，  前面的 Loop 循環 以及中斷程序， 在嵌入式軟件開發中往往被稱為嵌入式程序的 后臺 任務和 前臺 任務。

 

三、應用舉例

  這里以無線電軌智能車綜合測試程序為例，  來說明一下 MicroPython 程序的特點。對于初學者來看， 這個程序顯得有點復雜，但在整體上， 大家看到， 它分為前后兩部分。  前面部分屬于 Setup 初始化部分，  做了很多的硬件初始化，  也定義了一些函數。后面一部分，就是有 while 形成的 循環控制部分，  這些屬于軟件的后臺任務部分。在每一次循環中依次執行 OLED 屏幕的刷新，按鍵的檢測處理，以及控制板上 LED 的閃爍， 用于顯示程序運行狀態。此時估計大家會有一個疑問， 車模運動中舵機和電機控制代碼在哪里執行呢？

 

  為了解決這個疑問， 大家看這個綜合演示程序的中間部分，在這里定義了 ESP32 硬件定時器對象， timer0，接下來定義了一個函數，  用于定時器中斷函數后面是對定時器進行初始化，設置定時器工作模式為周期中斷模式，中斷周期為 10毫秒，  也就是100Hz 的重復頻率，第三個參數設置中斷服務程序。這個程序就是前面定義的 timer0  irq 函數。因此這個中斷程序就會在 Timer0 的中斷驅動下， 每隔精確的 10毫秒， 就被執行一次。 中斷程序屬于嵌入式軟件的前臺任務。 中斷程序定義了中斷任務這些是需要用到的全局變量，  和程序中其它函數進行信息傳遞。讀取電磁場傳感器的交流電壓值判斷賽道的屬性計算舵機偏移量對舵機偏移量進行限幅下面就是設置電機運行速度和舵機偏移量。中間部分是用于控制電機是否運行的邏輯。之所以利用中斷周期進行車模控制，  主要是為了保證控制時間的精確和周期的穩定。  這要比在 while 循環中執行控制命令更加可靠。

 

  大家感興趣還可以研究一下這個程序前面的初始化過程，對于一些和硬件相關的模塊的使用，可以配合后面相關的實驗介紹進行聯系。通過這個程序， 大家能夠熟悉 MicroPython 編寫嵌入式軟件的一些特點。

 

1、演示代碼