一、問(wèn)題/目標(biāo)

  前面我們學(xué)習(xí)了 Python語(yǔ)言， 開(kāi)發(fā)無(wú)線電軌智能車模使用的是 MicroPython 語(yǔ)言，如何從 Python 語(yǔ)言編程， 轉(zhuǎn)向 MicroPython 語(yǔ)言編程，下面讓我們來(lái)談?wù)勔韵氯齻�(gè)問(wèn)題： （1）他們之間的區(qū)別；（2） MicroPython中特殊的硬件開(kāi)發(fā)軟件包；（3）在 MicroPython 開(kāi)發(fā)單片機(jī)中嵌入式程序的三個(gè)需要注意到的特點(diǎn)，Setup-Loop 整體框架結(jié)構(gòu)；硬件相關(guān)軟件結(jié)構(gòu)；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(yǔ)言是集成了 Python 語(yǔ)言的一個(gè)分支， 實(shí)現(xiàn)了 Python 3.4 版本語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。它是專門為在單片機(jī)這類嵌入式微控制器上，  實(shí)現(xiàn)的一款簡(jiǎn)潔穩(wěn)定的Python語(yǔ)言解釋器由于它屬于高級(jí)解釋型語(yǔ)言，  使得單片機(jī)的開(kāi)發(fā)變得容易起來(lái)現(xiàn)在已經(jīng)有眾多的單片機(jī)平臺(tái)都支持 MicroPython 進(jìn)行應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。對(duì)于初學(xué)者來(lái)講，  在語(yǔ)法層面， MicroPython 與 Python 語(yǔ)言的差別基本上不易被覺(jué)察。  這里就不做展開(kāi)， 大家如果感興趣，可以在 MicroPython 官網(wǎng)進(jìn)行查看。  最后需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，  為了便于軟件開(kāi)發(fā)，  在MicroPython中有一種交互式程序開(kāi)發(fā)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(zhí)行后， 進(jìn)行結(jié)果輸出。這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)， 形成一個(gè)交互式開(kāi)發(fā)模式。

 

  比如在Thonny 環(huán)境中，利用上面程序編輯窗口進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)屬于正常程序開(kāi)發(fā)，在Shell中就可以使用 REPL 機(jī)制進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)，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(zhí)行結(jié)果的演示。手工輸入， 或者拷貝前面的命令，  都可以進(jìn)行執(zhí)行。

2、硬件軟件包

  為了應(yīng)用到單片機(jī)平臺(tái)中的硬件模塊，在 MicroPython 中還集成了很多特殊的軟件包。應(yīng)用這些軟件包可以定義一些與硬件相關(guān)的對(duì)象， 以及相關(guān)的硬件函數(shù)接口。

  這里以無(wú)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(guò)這些特殊的硬件驅(qū)動(dòng)軟件包， 我們就可以在Python 語(yǔ)言中訪問(wèn)利用這些硬件資源， 來(lái)控制車模的運(yùn)行， 感知外部環(huán)境等。比如這里是 I2C總線軟件包， 通過(guò)它可以連接單片機(jī)外部很多資源，為了應(yīng)用這個(gè)端口，可以 import machine 軟件包中的 Pin， I2C 模塊，通過(guò)定義相應(yīng)的對(duì)象，   設(shè)置 I2C 總線端口的屬性，并與外部設(shè)備通信。

 

  通過(guò)實(shí)驗(yàn) 掌握更多單片機(jī)的這些硬件資源的特點(diǎn)和使用方法是應(yīng)用單片機(jī)解決車模控制問(wèn)題的管腳所在。

3、嵌入式程序開(kāi)發(fā)

  最后， 我們討論一下 MicroPython 開(kāi)發(fā)嵌入式程序的特點(diǎn)。對(duì)于初學(xué)者需要注意三個(gè)方面的內(nèi)容。第一個(gè)就是程序主題大體上呈現(xiàn)設(shè)置與循環(huán)兩部分。在設(shè)置部分，往往需要 import 所需要的軟件包、  對(duì)程序軟件變量和硬件模塊進(jìn)行初始化等然后程序進(jìn)入一個(gè)由 for 或者 while 語(yǔ)句構(gòu)成的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，  在這個(gè)結(jié)構(gòu)中周期的執(zhí)行一系列的指令， 完成控制的主要任務(wù)。第二部分就是需要理解程序中包含有一些與硬件相關(guān)的變量、對(duì)象等。它們需要不停的進(jìn)行循環(huán)刷新和幅值，這些實(shí)時(shí)變量的值反映了單片機(jī)外部端口的電壓信號(hào)， 或者通訊數(shù)據(jù)等， 通過(guò)前面的循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期的讀取或者賦值。  最終形成對(duì)外部電路的控制。

 

  最后講一下在車模控制中會(huì)碰到的另外一個(gè)特殊編程技術(shù)，  那就是中斷。中斷是在 單片機(jī)內(nèi)部硬件在滿足某些條件下執(zhí)行的程序片段，  比如當(dāng)定時(shí)器硬件出現(xiàn)溢出是會(huì)產(chǎn)生周期的定時(shí)器中斷； 在外部端口出現(xiàn)電壓變化時(shí)會(huì)出現(xiàn) IO 信號(hào)中斷；在串口接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)串口通訊中斷等。靈活的應(yīng)用中斷是單片機(jī)嵌入式開(kāi)發(fā)的重要技巧。 通常情況下，  前面的 Loop 循環(huán) 以及中斷程序， 在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中往往被稱為嵌入式程序的 后臺(tái) 任務(wù)和 前臺(tái) 任務(wù)。

 

三、應(yīng)用舉例

  這里以無(wú)線電軌智能車綜合測(cè)試程序?yàn)槔��? 來(lái)說(shuō)明一下 MicroPython 程序的特點(diǎn)。對(duì)于初學(xué)者來(lái)看， 這個(gè)程序顯得有點(diǎn)復(fù)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(shù)。后面一部分，就是有 while 形成的 循環(huán)控制部分，  這些屬于軟件的后臺(tái)任務(wù)部分。在每一次循環(huán)中依次執(zhí)行 OLED 屏幕的刷新，按鍵的檢測(cè)處理，以及控制板上 LED 的閃爍， 用于顯示程序運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)估計(jì)大家會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)， 車模運(yùn)動(dòng)中舵機(jī)和電機(jī)控制代碼在哪里執(zhí)行呢？

 

  為了解決這個(gè)疑問(wèn)， 大家看這個(gè)綜合演示程序的中間部分，在這里定義了 ESP32 硬件定時(shí)器對(duì)象， timer0，接下來(lái)定義了一個(gè)函數(shù)，  用于定時(shí)器中斷函數(shù)后面是對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，設(shè)置定時(shí)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(fù)頻率，第三個(gè)參數(shù)設(shè)置中斷服務(wù)程序。這個(gè)程序就是前面定義的 timer0  irq 函數(shù)。因此這個(gè)中斷程序就會(huì)在 Timer0 的中斷驅(qū)動(dòng)下， 每隔精確的 10毫秒， 就被執(zhí)行一次。 中斷程序?qū)儆谇度胧杰浖�的前臺(tái)任務(wù)。 中斷程序定義了中斷任務(wù)這些是需要用到的全局變量，  和程序中其它函數(shù)進(jìn)行信息傳遞。讀取電磁場(chǎng)傳感器的交流電壓值判斷賽道的屬性計(jì)算舵機(jī)偏移量對(duì)舵機(jī)偏移量進(jìn)行限幅下面就是設(shè)置電機(jī)運(yùn)行速度和舵機(jī)偏移量。中間部分是用于控制電機(jī)是否運(yùn)行的邏輯。之所以利用中斷周期進(jìn)行車模控制，  主要是為了保證控制時(shí)間的精確和周期的穩(wěn)定。  這要比在 while 循環(huán)中執(zhí)行控制命令更加可靠。

 

  大家感興趣還可以研究一下這個(gè)程序前面的初始化過(guò)程，對(duì)于一些和硬件相關(guān)的模塊的使用，可以配合后面相關(guān)的實(shí)驗(yàn)介紹進(jìn)行聯(lián)系。通過(guò)這個(gè)程序， 大家能夠熟悉 MicroPython 編寫嵌入式軟件的一些特點(diǎn)。

 

1、演示代碼