【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-C3 硬件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支持硬件SPI（串行外设接口）总线，下面是对ESP32-C3硬件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：

硬件加速：ESP32-C3的硬件SPI总线使用专用的硬件控制器，可以实现更高的数据传输速度和更低的CPU占用率。硬件加速可以提供更高的性能和更稳定的数据传输。

多通道支持：ESP32-C3的硬件SPI总线支持多个SPI通道，每个通道都具有独立的时钟、数据输入和数据输出引脚。这使得可以同时连接和控制多个外设设备。

高灵活性：硬件SPI总线具有灵活的配置选项，可以通过设置时钟频率、数据位宽和传输模式等参数来适应不同外设设备的要求。这使得它适用于多种应用场景。

低功耗模式：ESP32-C3的硬件SPI总线支持低功耗模式，可以在不需要进行数据传输时将SPI控制器置于睡眠状态，以节省功耗。

应用场景：

外设接口：硬件SPI总线可用于连接各种外设设备，如传感器、存储器、显示器、无线模块等。通过与外设设备进行通信，可以实现数据采集、存储、显示和通信等功能。

高速数据传输：由于硬件加速的特性，硬件SPI总线适用于对数据传输速度要求较高的应用场景，如高速数据采集、实时信号处理等。

实时控制系统：硬件SPI总线的低延迟和可靠性使其适用于实时控制系统，如机器人控制、工业自动化等。它可以用于与各种执行器和传感器进行实时数据交换和控制信号传输。

物联网应用：硬件SPI总线广泛应用于物联网设备中，如智能家居、智能城市、工业物联网等。它可以用于与各种传感器、无线通信模块和外部存储器进行数据交互和通信。

需要注意的事项：

引脚配置：在使用硬件SPI总线时，需要正确配置和连接相关的引脚，确保与外设设备的接口匹配，并避免引脚冲突。

时钟频率和数据位宽：根据具体应用需求，需要选择合适的时钟频率和数据位宽。较高的时钟频率可以提供更高的数据传输速度，但也会增加功耗和干扰风险。数据位宽应与外设设备的要求匹配。

信号干扰：硬件SPI总线可能受到电磁干扰的影响，特别是在长距离传输或高速传输时。为了保证数据的可靠性，需要采取适当的屏蔽和干扰抑制措施。

系统资源限制：硬件SPI总线的通道数和缓冲区大小等资源是有限的。在设计和开发过程中，需要合理规划和管理这些资源，以满足应用需求。

总结：ESP32-C3的硬件SPI总线具有硬件加速、多通道支持、高灵活性和低功耗模式等特点。

案例一：读取传感器数据

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI总线和引脚
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(1)  # 使能传感器
    data = spi.read(8)  # 读取8位数据
    cs.value(0)  # 禁用传感器
    return data

while True:
    sensor_data = read_sensor_data()
    print("Sensor data:", sensor_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3硬件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，我们首先使能传感器（通过设置CS引脚为高电平），然后使用spi.read()方法读取8位数据，最后禁用传感器（通过设置CS引脚为低电平）。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总线和引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
uart = UART(1, baudrate=9600)

# 发送数据到串口
def send_data_to_serial(data):
    uart.write(data)

while True:
    sensor_data = read_sensor_data()
    send_data_to_serial(sensor_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3硬件SPI总线将传感器数据发送到串口。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总线和串口（UART）。接下来，我们定义了一个名为send_data_to_serial的函数，用于将数据发送到串口。在这个函数中，我们使用uart.write()方法将数据写入串口。在主循环中，我们不断调用read_sensor_data()函数读取传感器数据，并使用send_data_to_serial()函数将数据发送到串口。

案例三：控制LED灯

from machine import Pin, SPI
import time

# 定义SPI总线和引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
led_pin = Pin(13, Pin.OUT)

# 控制LED灯
def control_led():
    while True:
        led_pin.value(1)  # 点亮LED灯
        time.sleep(1)
        led_pin.value(0)  # 熄灭LED灯
        time.sleep(1)

control_led()
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要点解读：这个程序使用MicroPython的ESP32-C3硬件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LED灯引脚。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，我们使用一个无限循环来不断切换LED灯的状态（点亮或熄灭）。在主程序中，我们调用control_led()函数来启动LED灯的控制。

案例四：读取 MCP3008 模拟器通道值
MCP3008 是一个 8 通道的模拟器-数字转换器 (ADC)，可以通过 SPI 总线与 ESP32-C3 通信。下面的 MicroPython 代码示例演示了如何使用 SPI 总线从 MCP3008 的一个通道读取模拟值：

from machine import SPI  
  
# 初始化 SPI 对象，设置总线频率为 1MHz，模式为 0  
spi = SPI(1, baudrate=1000000, mode=0)  
  
# 设置 MISO（主设备接收从设备数据）线路，并将其设置为 SPI 的第 16 号线路  
spi.set_miso(16)  
  
# 设置 MOSI（主设备发送从设备数据）线路，并将其设置为 SPI 的第 17 号线路  
spi.set_mosi(17)  
  
# 设置 SCK（时钟线路）线路，并将其设置为 SPI 的第 18 号线路  
spi.set_sck(18)  
  
# 从 MCP3008 的通道 0 读取一个模拟值  
value = spi.read(8)  # 从 MCP3008 读取一个字节的数据  
print(value)  # 打印读取到的数据
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解读：这个示例代码首先初始化了 SPI 总线对象，然后设置了 MISO、MOSI 和 SCK 线路。然后通过 spi.read() 方法从 MCP3008 的一个通道读取一个字节的数据。

案例五： 控制 MAX7219 数码管

MAX7219 是一种常见的数字-模拟转换器 (DAC)，可以通过 SPI 总线与 ESP32-C3 通信。下面的 MicroPython 代码示例演示了如何使用 SPI 总线向 MAX7219 发送数据，以控制数码管显示：

from machine import SPI  
  
# 初始化 SPI 对象，设置总线频率为 1MHz，模式为 0  
spi = SPI(1, baudrate=1000000, mode=0)  
  
# 设置 MISO（主设备接收从设备数据）线路，并将其设置为 SPI 的第 16 号线路  
spi.set_miso(16)  
  
# 设置 MOSI（主设备发送从设备数据）线路，并将其设置为 SPI 的第 17 号线路  
spi.set_mosi(17)  
  
# 设置 SCK（时钟线路）线路，并将其设置为 SPI 的第 18 号线路  
spi.set_sck(18)  
  
# 向 MAX7219 发送一个字节的数据，设置第一个数码管的亮度为最大（全亮）和显示“A”  
spi.write([0x09, 0x07, 0x07, 0x07, 0x0F, ord('A'), 0x0A])  # 在第一个数码管上显示"A"，全亮，其他数码管不显示
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解读：这个示例代码同样首先初始化了 SPI 总线对象，然后通过 spi.write() 方法向 MAX7219 发送了一个字节的数据，控制第一个数码管显示字母"A"，并全亮显示。注意 ord(‘A’) 是获取字母"A"的 ASCII 值。

案例六：与SPI设备通信

import machine

spi = machine.SPI(1)
spi.init(baudrate=100000, polarity=0, phase=0)

while True:
    spi.write(b"Hello, SPI!")
    machine.delay(1000)
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要点解读：
代码使用machine.SPI创建一个SPI对象，并指定硬件SPI总线的编号。
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machine.delay()进行延迟，这里延迟1秒钟。

案例七：读取SPI设备数据

import machine

spi = machine.SPI(1)
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，并指定硬件SPI总线的编号。
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。

案例八：SPI设备数据传输

import machine

spi = machine.SPI(1)
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，并指定硬件SPI总线的编号。
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。