【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-S3 通用控制 esp_micropython对常用硬件的操作库

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,ESP32-S3在功耗、硬件资源和功能支持方面进行了优化，非常适合作为低功耗物联网设备的处理平台。相比ESP32，ESP32-S3在无线、安全性和稳定性等方面有所提升。

1、搭载 Xtensa® 32 位 LX7 双核处理器，主频 240 MHz，内置 512 KB SRAM (TCM)，具有 45 个可编程 GPIO 管脚和丰富的通信接口。
2、支持更大容量的高速 Octal SPI flash 和片外 RAM，支持用户配置数据缓存与指令缓存。
3、加入了用于加速神经网络计算和信号处理等工作的向量指令 (vector instructions)，性能对比 ESP32 有可观的提升。
4、集成 2.4 GHz Wi-Fi (802.11 b/g/n)，支持 40 MHz 带宽；其低功耗蓝牙子系统支持 Bluetooth 5 (LE) 和 Bluetooth Mesh，可通过 Coded PHY 与广播扩展实现远距离通信。它还支持 2 Mbps PHY，用于提高传输速度和数据吞吐量。
5、外设新增 LCD 接口、USB、SD/MMC 主机控制器和 TWAI TM 控制器等常用外设接口。
6、拥有完善的安全机制和保护措施，支持基于 AES-XTS 算法的 flash 加密、基于 RSA 算法的安全启动、数字签名和 HMAC。还新增了一个“世界控制器 (World Controller)”模块，提供了两个互不干扰的执行环境，实现可信执行环境或权限分离机制。

MicroPython的ESP32-S3通用控制esp是MicroPython中的一个模块，用于与ESP32-S3芯片上的esp外设进行交互和控制。下面将详细解释其主要特点、应用场景以及需要注意的事项。

主要特点：

ESP外设控制：ESP32-S3通用控制esp模块提供了与ESP32-S3芯片上的esp外设进行交互和控制的功能。esp外设包括Wi-Fi、蓝牙、TCP/IP协议栈等。通过该模块，开发人员可以使用MicroPython语言轻松地配置和操作这些外设，实现无线通信和网络连接等功能。

强大的网络功能：ESP32-S3芯片具备强大的网络功能，包括Wi-Fi和蓝牙。通用控制esp模块提供了简单而强大的网络编程接口，使开发人员能够轻松地实现无线通信和网络连接，包括连接到互联网、远程数据传输、物联网通信等。

低功耗模式支持：ESP32-S3芯片支持低功耗模式，通用控制esp模块提供了相应的接口和功能，用于管理和控制芯片的功耗。开发人员可以通过该模块配置和优化功耗模式，以延长设备电池寿命或降低功耗要求。

应用场景：
ESP32-S3通用控制esp模块广泛应用于各种物联网和嵌入式系统中，包括但不限于以下场景：

物联网设备：ESP32-S3芯片集成了强大的网络功能，通用控制esp模块为物联网设备的开发提供了便利。开发人员可以利用该模块与云平台进行通信、远程控制设备、实现传感器数据的收集和传输等。

智能家居：ESP32-S3通用控制esp模块可应用于智能家居系统，通过Wi-Fi和蓝牙功能实现设备之间的连接和互联。开发人员可以使用该模块构建智能家居中的智能灯光、智能插座、智能门锁等设备。

工业自动化：ESP32-S3芯片的通用控制esp模块可用于工业自动化领域。开发人员可以使用该模块实现工业设备的远程监控、数据采集和控制，提高生产效率和安全性。

需要注意的事项：
在使用ESP32-S3通用控制esp模块时，需要注意以下事项：

资源管理：ESP32-S3芯片具有有限的内存和处理能力。在开发过程中，需要合理管理资源的使用，避免过度占用资源，以确保系统的稳定性和性能。

网络安全：在使用通用控制esp模块进行网络通信时，需要注意网络安全问题。开发人员应采取适当的安全措施，如使用加密协议、身份验证和数据加密等，以保护设备和数据的安全。

电源管理：ESP32-S3芯片的功耗管理对于电池供电的设备尤为重要。在开发过程中，需要合理配置和优化功耗模式，以延长设备的电池寿命或满足功耗要求。

异常处理：在使用通用控制esp模块时，可能会遇到硬件异常或错误。开发人员应该考虑异常处理机制，以确保系统的可靠性和稳定性。

综上所述，MicroPython的ESP32-S3通用控制esp模块提供了与ESP32-S3芯片上的esp外设进行交互和控制的功能。它具有ESP外设控制、强大的网络功能和低功耗模式支持等主要特点。应用场景包括物联网设备、智能家居和工业自动化等领域。在使用时需要注意资源管理、网络安全、电源管理和异常处理等事项。

案例一：控制LED灯

from machine import Pin
import time

# 定义一个引脚对象，连接到ESP32-S3的GPIO2
led = Pin(2, Pin.OUT)

while True:
    # 打开LED
    led.value(1)
    # 等待1秒
    time.sleep(1)
    # 关闭LED
    led.value(0)
    # 等待1秒
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要点解读：这个程序使用MicroPython在ESP32-S3上控制一个连接到GPIO2的LED灯进行闪烁。程序首先导入了Pin和time模块，然后创建了一个引脚对象led，并将其设置为输出模式。在无限循环中，程序通过设置led的值为1来打开LED，等待1秒后，再将led的值设置为0来关闭LED，再等待1秒。这样就实现了LED灯的闪烁效果。

案例二：读取温度传感器数据

from machine import Pin, I2C
import ustruct
import time

# 定义I2C接口，连接到ESP32-S3的I2C总线0
i2c = I2C(scl=Pin(18), sda=Pin(19))

# 温度传感器的I2C地址
TEMP_SENSOR_ADDR = 0x48

# 温度传感器的数据寄存器地址
TEMP_REG_ADDR = 0x00

# 读取温度数据的函数
def read_temperature():
    # 向温度传感器发送读取命令
    i2c.writeto_mem(TEMP_SENSOR_ADDR, TEMP_REG_ADDR, b'\x00')
    # 从温度传感器读取数据
    data = i2c.readfrom_mem(TEMP_SENSOR_ADDR, TEMP_REG_ADDR, 2)
    # 解析数据，获取温度值（摄氏度）
    raw_temp = ustruct.unpack('>h', data)[0]
    temp = (raw_temp / 32.0) * 1.8 + 32.0
    return temp

while True:
    # 读取温度并打印
    temp = read_temperature()
    print("Temperature: {:.2f}°F".format(temp))
    # 等待1秒
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython在ESP32-S3上通过I2C接口读取一个温度传感器的数据。程序首先导入了Pin、I2C和ustruct模块，然后定义了I2C接口和温度传感器的地址。接着，程序定义了一个读取温度数据的函数read_temperature，在这个函数中，程序向温度传感器发送读取命令，然后从传感器读取数据，并解析数据以获取温度值（摄氏度）。最后，程序进入一个无限循环，每次循环都会读取温度并打印，然后等待1秒。这样就实现了对温度传感器数据的读取和显示。

案例三：控制电机旋转

from machine import Pin, PWM
import time

# 定义一个引脚对象，连接到ESP32-S3的GPIO12
motor_pin = Pin(12, Pin.OUT)

# 定义一个PWM对象，用于控制电机速度
motor_pwm = PWM(motor_pin, freq=50)

while True:
    # 设置电机速度为占空比为50%
    motor_pwm.duty(512)
    # 等待1秒
    time.sleep(1)
    # 设置电机速度为占空比为100%
    motor_pwm.duty(1024)
    # 等待1秒
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要点解读：这个程序使用MicroPython在ESP32-S3上控制一个连接到GPIO12的电机进行旋转。程序首先导入了Pin和PWM模块，然后创建了一个引脚对象motor_pin，并将其设置为输出模式。接着，程序创建了一个PWM对象motor_pwm，用于控制电机速度。在无限循环中，程序通过设置motor_pwm的占空比来控制电机的速度。每次循环都会将电机速度设置为占空比为50%，等待1秒后，再将电机速度设置为占空比为100%，等待1秒。这样就实现了电机的旋转效果。

案例四：控制GPIO引脚输出
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的GPIO引脚输出一个方波信号。首先，我们需要导入machine模块，以便能够访问GPIO引脚。然后，我们将设置GPIO引脚的输出模式，并将其初始化为低电平。接着，我们使用一个while循环来不断翻转GPIO引脚的电平，从而输出方波信号。

import machine  
import time  
  
pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # GPIO 2 连接 LED 灯  
  
while True:  
    pin.value(1) # 设置 GPIO 引脚电平为高  
    time.sleep(0.5) # 等待 0.5 秒  
    pin.value(0) # 设置 GPIO 引脚电平为低  
    time.sleep(0.5) # 等待 0.5 秒
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在这个程序中，我们使用了machine.Pin函数来创建一个GPIO引脚对象，并指定引脚编号和输出模式。然后，我们使用pin.value()函数来设置GPIO引脚的电平值，从而控制输出信号的波形。在while循环中，我们不断翻转GPIO引脚的电平，从而输出方波信号。需要注意的是，在设置GPIO引脚电平时，需要使用pin.value()函数，而不是直接将引脚对象作为参数传递给函数。

案例五：控制GPIO引脚输入
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的GPIO引脚读取输入信号。首先，我们需要导入machine模块，以便能够访问GPIO引脚。然后，我们将设置GPIO引脚的输入模式，并将其初始化为低电平。接着，我们使用一个while循环来不断读取GPIO引脚的电平值，从而获取输入信号的状态。

import machine  
import time  
  
pin = machine.Pin(2, machine.Pin.IN) # GPIO 2 连接输入信号  
  
while True:  
    value = pin.value() # 读取 GPIO 引脚电平值  
    print(value) # 打印电平值到串口上  
    time.sleep(0.1) # 等待 0.1 秒
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在这个程序中，我们使用了machine.Pin函数来创建一个GPIO引脚对象，并指定引脚编号和输入模式。然后，我们使用pin.value()函数来读取GPIO引脚的电平值，从而获取输入信号的状态。在while循环中，我们不断读取GPIO引脚的电平值，并打印到串口上，以便进行后续处理或监控。需要注意的是，在读取GPIO引脚电平时，需要使用pin.value()函数，而不是直接将引脚对象作为参数传递给函数。

案例六：控制蜂鸣器
在这个程序中，我们将使用ESP32-S3的内置蜂鸣器输出一段简单的音乐。首先，我们需要导入machine模块，以便能够访问蜂鸣器。然后，我们将使用一个while循环来不断输出不同频率的信号，从而控制蜂鸣器的声音。

import machine  
import time  
  
buzzer = machine.Buzzer() # 连接内置蜂鸣器  
  
while True:  
    for i in range(50, 500, 50): # 频率从50Hz逐渐增加到500Hz  
        buzzer.freq(i) # 设置蜂鸣器频率  
        time.sleep(0.1) # 等待 0.1 秒  
    for i in range(500, 50, -50): # 频率从500Hz逐渐减小到50Hz  
        buzzer.freq(i) # 设置蜂鸣器频率  
        time.sleep(0.1) # 等待 0.1 秒
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在这个程序中，我们使用了machine.Buzzer()函数来创建一个内置蜂鸣器对象。然后，我们使用buzzer.freq()函数来设置蜂鸣器的频率，从而控制输出的声音。在while循环中，我们不断输出不同频率的信号，从而演奏出简单的音乐。需要注意的是，在使用内置蜂鸣器时，需要先使用machine.Pin()函数获取对应的GPIO引脚对象，并将其传递给machine.Buzzer()函数。同时，在设置蜂鸣器频率时，需要使用buzzer.freq()函数，而不是直接将蜂鸣器对象作为参数传递给函数。

案例七：获取芯片温度：

import esp

def get_chip_temperature():
    temperature = esp.temperature()
    return temperature
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上获取芯片温度。
使用esp.temperature()函数可以直接获取芯片的温度值。
返回的温度值以摄氏度为单位。

案例八：控制低功耗模式：

import machine
import esp

def enable_deep_sleep(duration):
    esp.sleep_type(esp.SLEEP_MODEM)
    machine.deepsleep(duration * 1000)
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上控制低功耗模式。
使用esp.sleep_type()函数设置低功耗模式为esp.SLEEP_MODEM，即只关闭Wi-Fi和蓝牙模块进入睡眠。
使用machine.deepsleep()函数将设备置于深度睡眠状态，持续指定的时长（以毫秒为单位）。

案例九：获取闪存信息：

import esp

def get_flash_info():
    flash_info = esp.flash_size()
    return flash_info
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要点解读：
该代码片段演示了如何使用MicroPython在ESP32-S3上获取闪存信息。
使用esp.flash_size()函数可以获取闪存的大小信息。
返回的闪存信息通常是一个整数值，表示闪存的总容量（以字节为单位）。
这些示例演示了MicroPython在ESP32-S3上使用esp模块进行通用控制的实际应用。第一个示例展示了如何获取芯片的温度，第二个示例展示了如何控制低功耗模式，第三个示例展示了如何获取闪存的大小信息。这些代码可以作为入门参考，帮助您了解如何使用MicroPython进行ESP32-S3的通用控制操作。根据具体的需求，您可以进一步扩展和调整这些示例代码。

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。