【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-C3 软件SPI总线_esp32c3 spi

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。

ESP32-C3是一款由乐鑫科技开发的物联网芯片，它具有以下主要特性：

搭载 RISC-V 32 位单核处理器，时钟频率高达 160 MHz，支持 2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5 (LE)。
内置 400 KB SRAM，384 KB ROM，支持最大 16 MB 的外置 Flash。
集成了天线开关、射频巴伦、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能，仅需要 20 余个外围元件。
具有 22 个可编程 GPIO 管脚，支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。
具有完善的安全机制，包括安全启动、Flash 加密、数字签名和 HMAC 外设、世界控制器模块等。
沿用乐鑫成熟的物联网开发框架 ESP-IDF，支持 Arduino 和 MicroPython 等开源平台。

MicroPython的ESP32-C3支持软件SPI（串行外设接口）总线，下面是对ESP32-C3软件SPI总线的主要特点、应用场景以及需要注意的事项的详细解释：

主要特点：

软件驱动：ESP32-C3的软件SPI总线是通过软件控制实现的，而不是硬件内置的SPI控制器。这意味着可以通过编程方式配置和控制SPI总线的行为，使其适应各种应用需求。

灵活性：软件SPI总线具有较高的灵活性，可以配置不同的引脚用于时钟、数据输入和数据输出。这使得它可以适应各种外设的接口要求。

多设备支持：ESP32-C3的软件SPI总线支持连接多个外设设备，每个设备都可以具有独立的片选引脚。这使得在单个总线上同时控制多个外设设备成为可能。

速度控制：软件SPI总线的速度可以通过编程方式进行控制和调整。可以根据具体应用需求选择合适的传输速率，以平衡系统性能和外设数据传输的要求。

应用场景：

传感器接口：软件SPI总线可以用于连接各种传感器，如温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。通过与传感器进行通信，可以获取传感器输出的数据，并进行相应的处理和分析。

存储器接口：软件SPI总线可以用于连接存储器设备，如闪存、EEPROM等。通过与存储器设备进行通信，可以读取和写入数据，实现数据存储和检索的功能。

显示器接口：软件SPI总线可以用于连接各种显示器，如液晶显示器（LCD）模块、有机发光二极管（OLED）模块等。通过与显示器进行通信，可以控制显示内容的更新和操作。

外部接口扩展：软件SPI总线可以用于连接外部设备，如扩展模块、接口转换器等。通过与外部设备进行通信，可以实现系统功能的扩展和接口的适配。

需要注意的事项：

引脚资源冲突：在使用软件SPI总线时，需要注意避免与其他功能或外设共用同一引脚，以避免引脚资源冲突和干扰。

时序和时钟同步：软件SPI总线的稳定性和正确性与时序和时钟同步密切相关。在配置和使用时，需要确保时序和时钟的正确设置，以保证数据的可靠传输。

性能考虑：由于软件SPI总线是通过软件控制实现的，相比硬件SPI总线，它的性能可能会受到一定的限制。在高速数据传输或对实时性要求较高的应用中，需要评估软件SPI总线的性能是否满足需求。

电缆长度和干扰：软件SPI总线的电缆长度和外部干扰可能会对信号质量产生影响。在布线和连接时，需要注意电缆长度的控制和对信号线的屏蔽，以降低干扰和信号失真的风险。

总结：ESP32-C3的软件SPI总线具有软件驱动、灵活性、多设备支持和速度控制的特点。它适用于传感器接口、存储器接口、显示器接口和外部接口扩展等多种应用场景。在使用软件SPI总线时，需要注意引脚资源冲突、时序和时钟同步、性能考虑以及电缆长度和干扰等问题，以确保系统的可靠性和性能。

案例一：读取传感器数据

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI总线和片选引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 读取传感器数据
def read_sensor_data():
    cs.value(0)  # 片选信号低电平，选择传感器
    data = spi.read(8)  # 读取8位数据
    cs.value(1)  # 片选信号高电平，取消选择传感器
    return data

while True:
    data = read_sensor_data()
    print("Sensor data:", data)
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3软件SPI总线读取传感器数据。首先，我们导入了machine模块中的Pin和SPI类，以及time模块。然后，我们定义了SPI总线和片选引脚（CS）。接下来，我们定义了一个名为read_sensor_data的函数，用于读取传感器数据。在这个函数中，我们首先将片选信号设置为低电平，选择传感器；接着，我们使用spi.read()方法读取8位数据；最后，我们将片选信号设置为高电平，取消选择传感器。在主循环中，我们不断调用read_sensor_data()函数读取传感器数据，并打印出来。

案例二：发送数据到串口

from machine import Pin, SPI, UART
import time

# 定义SPI总线和片选引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 定义UART通信
uart = UART(1, baudrate=9600)

# 发送数据到串口
def send_data_to_uart(data):
    cs.value(0)  # 片选信号低电平，选择传感器
    spi.write(data)  # 通过SPI总线发送数据
    cs.value(1)  # 片选信号高电平，取消选择传感器

while True:
    data = "Hello, UART!"
    send_data_to_uart(data)
    print("Data sent to UART:", data)
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3软件SPI总线将数据发送到串口。首先，我们导入了machine模块中的Pin、SPI和UART类，以及time模块。然后，我们定义了SPI总线和片选引脚（CS），以及UART通信。接下来，我们定义了一个名为send_data_to_uart的函数，用于发送数据到串口。在这个函数中，我们首先将片选信号设置为低电平，选择传感器；接着，我们使用spi.write()方法通过SPI总线发送数据；最后，我们将片选信号设置为高电平，取消选择传感器。在主循环中，我们不断调用send_data_to_uart()函数发送数据到串口，并打印出来。

案例三：控制LED灯

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI总线和片选引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
cs = Pin(5, Pin.OUT)

# 定义LED引脚
led = Pin(25, Pin.OUT)

# 控制LED灯
def control_led():
    cs.value(0)  # 片选信号低电平，选择传感器
    data = spi.read(1)  # 读取1位数据
    cs.value(1)  # 片选信号高电平，取消选择传感器

    if data == b'\x01':
        led.value(1)  # 如果读取到的数据为1，点亮LED灯
    else:
        led.value(0)  # 如果读取到的数据不为1，熄灭LED灯

while True:
    control_led()
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3软件SPI总线控制LED灯。首先，我们导入了machine模块中的Pin和SPI类，以及time模块。然后，我们定义了SPI总线和片选引脚（CS），以及LED引脚。接下来，我们定义了一个名为control_led的函数，用于控制LED灯。在这个函数中，我们首先将片选信号设置为低电平，选择传感器；接着，我们使用spi.read()方法读取1位数据；然后，我们将片选信号设置为高电平，取消选择传感器。根据读取到的数据，我们控制LED灯的亮灭。在主循环中，我们不断调用control_led()函数控制LED灯，并等待1秒。

案例四：控制RGB LED
在此示例中，我们将使用SPI总线来控制连接到ESP32-C3的RGB LED。

from machine import SPI, Pin  
import time  
  
# 初始化SPI总线，设置频率为1000000Hz，模式为0，片选信号为0  
spi = SPI(0, freq=1000000, mode=0, select=Pin(2))  
  
# 设置RGB LED的R、G、B通道值  
rgb_values = [(255, 0, 0) for _ in range(10)]  # 红色  
  
# 循环控制RGB LED  
while True:  
    for values in rgb_values:  
        spi.writebytes(values)  # 将RGB值通过SPI总线发送到RGB LED控制器  
        time.sleep(0.1)  # 延时一段时间，以便人眼可以观察到RGB LED颜色的变化
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解读：在此程序中，我们首先导入了 SPI 和 time 模块。然后，我们使用 SPI 类初始化SPI总线，设置频率为1000000Hz，模式为0，片选信号为0。这是默认的参数设置，可以根据实际情况进行调整。然后，我们设置RGB LED的R、G、B通道值，表示红色。在每个循环中，我们使用 writebytes 方法将RGB值通过SPI总线发送到RGB LED控制器。最后，我们使用 time 模块中的 sleep 方法进行0.1秒的时间延时，以便人眼可以观察到RGB LED颜色的变化。

案例五：读取SD卡数据
在此示例中，我们将使用SPI总线来读取连接到ESP32-C3的SD卡中的数据。

from machine import SPI, Pin  
import os  

# 初始化SPI总线，设置频率为400000Hz，模式为1，片选信号为5  
spi = SPI(1, freq=400000, mode=1, select=Pin(5))  
  
# 循环读取SD卡数据  
while True:  
    filename = os.listdir("/sd")  # 获取SD卡中的文件列表  
    if filename:  # 如果存在文件  
        with open("/sd/" + filename[0], "r") as f:  # 打开第一个文件进行读取  
            data = f.read()  # 读取文件内容  
            print(data)  # 打印文件内容  
    time.sleep(1)  # 延时1秒，以便人眼可以观察到文件读取的过程
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解读：在此程序中，我们首先导入了 SPI 和 os 模块。然后，我们使用 SPI 类初始化SPI总线，设置频率为400000Hz，模式为1，片选信号为5。注意这里的参数设置可能需要根据实际情况进行调整。然后，我们进入一个无限循环，使用 os.listdir 方法获取SD卡中的文件列表。如果存在文件，我们使用 open 方法打开第一个文件进行读取，并使用 read 方法读取文件内容。最后，我们使用 print 方法打印文件内容，并使用 time 模块中的 sleep 方法进行1秒的时间延时，以便人眼可以观察到文件读取的过程。

案例六：控制舵机
在此示例中，我们将使用SPI总线来控制连接到ESP32-C3的舵机。

from machine import SPI, Pin  
import time  
  
# 初始化SPI总线，设置频率为1000000Hz，模式为0，片选信号为0  
spi = SPI(0, freq=1000000, mode=0, select=Pin(2))  
  
# 设置舵机旋转的角度范围和步进值  
angle_range = 180  # 旋转角度范围为180度  
step_size = 1  # 每次旋转增加或减少的角度步进值为1度  
  
# 循环控制舵机的旋转角度  
while True:  
    for angle in range(0, angle_range+step_size, step_size):  
        spi.writebytes([angle])  # 将角度值通过SPI总线发送到舵机控制器  
        time.sleep(0.1)  # 延时一段时间，以便人眼可以观察到舵机旋转的变化  
    for angle in range(angle_range, -step_size, -step_size):  
        spi.writebytes([angle])  # 将角度值通过SPI总线发送到舵机控制器  
        time.sleep(0.1)  # 延时一段时间，以便人眼可以观察到舵机旋转的变化
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解读：在此程序中，我们使用 SPI 类初始化SPI总线，设置频率为1000000Hz，模式为0，片选信号为0。然后我们设置舵机旋转的角度范围为180度，每次旋转增加或减少的角度步进值为1度。进入一个无限循环后，使用 writebytes 方法将角度值（此处为一个单独的数字）通过SPI总线发送到舵机控制器。每个循环中，我们使用 time 模块中的 sleep 方法进行0.1秒的时间延时，以便人眼可以观察到舵机旋转的变化。

案例七：与SPI设备通信

import machine
import utime

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(2), mosi=machine.Pin(3), miso=machine.Pin(4))
spi.init(baudrate=100000, polarity=0, phase=0)

while True:
    spi.write(b"Hello, SPI!")
    utime.sleep_ms(1000)
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要点解读：
代码使用machine.SPI创建一个SPI对象，并指定软件SPI总线的引脚连接。
spi.init()用于初始化SPI总线的参数，这里设置波特率为100,000，极性为0，相位为0。
在循环中，使用spi.write()向SPI设备发送数据，这里发送了字符串"Hello, SPI!"。
使用utime.sleep_ms()进行延迟，这里延迟1秒钟。

案例八：读取SPI设备数据

import machine

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(2), mosi=machine.Pin(3), miso=machine.Pin(4))
spi.init(baudrate=100000, polarity=0, phase=0)

while True:
    spi.write(b"\x01")
    data = spi.read(4)
    print("Received data:", data)
    machine.delay(1000)
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要点解读：
代码与前一个示例类似，使用machine.SPI创建一个SPI对象，并指定软件SPI总线的引脚连接。
spi.init()用于初始化SPI总线的参数，这里设置波特率为100,000，极性为0，相位为0。
在循环中，首先使用spi.write()向SPI设备发送命令字节\x01，然后使用spi.read()读取4个字节的数据。
将接收到的数据打印输出，并使用machine.delay()延迟1秒钟。

案例九：SPI设备数据传输

import machine

spi = machine.SPI(1, sck=machine.Pin(2), mosi=machine.Pin(3), miso=machine.Pin(4))
spi.init(baudrate=100000, polarity=0, phase=0)

while True:
    tx_data = b"\x01\x02\x03\x04"
    rx_data = bytearray(4)
    spi.transfer(tx_data, rx_data)
    print("Received data:", rx_data)
    machine.delay(1000)
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要点解读：
代码与前一个示例类似，使用machine.SPI创建一个SPI对象，并指定软件SPI总线的引脚连接。
spi.init()用于初始化SPI总线的参数，这里设置波特率为100,000，极性为0，相位为0。
在循环中，定义一个发送数据的字节序列tx_data，并创建一个长度为4的字节数组rx_data用于接收数据。
使用spi.transfer()进行SPI数据的传输，将发送数据和接收数据作为参数传入。
将接收到的数据打印输出，并使用machine.delay()延迟1秒钟。

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。