【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32 软件I2C总线

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,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

ESP32 是一款功能丰富的微控制器，集成了 Wi-Fi 和蓝牙连接功能，适合物联网开发的强大而实惠的平台。ESP32 的主要特点有：

1、处理器：CPU：Xtensa 双核（或单核）32 位 LX6 微处理器，工作频率为 160 或 240 MHz，性能可达 600 DMIPS。超低功耗（ULP）协处理器。
2、内存：520 KiB RAM，448 KiB ROM。
3、无线连接：Wi-Fi：802.11 b/g/n。蓝牙：v4.2 BR/EDR 和 BLE。
4、外设：12 位 SAR ADC 最多支持 18 个通道，2 个 8 位 DAC，10 个触摸传感器，4 个 SPI，2 个 I2S，2 个 I2C，3 个 UART，SD/SDIO/MMC 主机控制器，SDIO/SPI 从设备控制器，以太网 MAC 接口，CAN 总线 2.0，红外远程控制器，电机 PWM，LED PWM 最多支持 16 通道。
4、安全性：硬件加速 AES、SHA-2、RSA、ECC、随机数生成器（RNG）等。
5、可靠性：工作温度范围为 –40°C 到 +125°C。具有动态电压调整和时钟门控等功能，可适应外部条件的变化和降低功耗。
6、灵活性：可作为独立系统运行应用程序或作为主机 MCU 的从设备，通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和蓝牙功能。具有高度集成的天线开关、RF balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块等。

MicroPython的ESP32 软件I2C总线是一种使用软件模拟的方式来实现I2C总线协议的方法。它可以使用任意的GPIO引脚作为SCL（时钟线）和SDA（数据线），并且可以与多个设备通信，但是速度较慢，而且占用CPU资源。

软件I2C总线的主要特点有：

可以自由选择任意两个GPIO引脚作为SCL和SDA，不受硬件限制。
可以创建多个软件I2C对象，实现多路I2C总线。
可以设置时钟速率、超时时间、是否使用内部上拉电阻等参数。
可以扫描总线上连接的设备地址，也可以读写设备的寄存器或内存。

软件I2C总线的应用场景有：

连接需要低速数据传输的外部设备，如显示器、存储器、传感器等。
连接不支持硬件I2C引脚的外部设备，或者硬件I2C引脚已被其他功能占用。
实现复杂的通信协议，如LCD1602、PCF8574等。

软件I2C总线需要注意的事项有：

在使用软件I2C之前，需要先导入machine模块，并创建软件I2C对象。
在使用软件I2C时，需要注意引脚的选择和连接，避免与其他功能冲突或影响性能。
在使用软件I2C时，需要注意设备的地址和寄存器或内存的地址，以及读写操作的字节数和格式。

以下是MicroPython的ESP32 软件I2C总线几个实际运用程序参考代码案例：

案例1：使用软件I2C连接一个OLED显示器，并显示一些文字和图形：:

from machine import Pin, I2C
import ssd1306 # 导入OLED显示器驱动模块

# 构造一个软件I2C对象
i2c = I2C(scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=400000)

# 构造一个OLED显示器对象
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

# 清屏
oled.fill(0)

# 显示文字
oled.text('Hello', 0, 0)
oled.text('MicroPython', 0, 10)
oled.text('ESP32', 0, 20)

# 显示图形
oled.rect(0, 30, 10, 10, 1) # 画一个矩形
oled.line(20, 30, 30, 40, 1) # 画一条直线
oled.fill_circle(50, 35, 5, 1) # 画一个实心圆

# 刷新显示
oled.show()

案例2：使用软件I2C连接一个BMP180气压传感器，并读取温度和气压值：

from machine import Pin, I2C
import bmp180 # 导入BMP180气压传感器驱动模块

# 构造一个软件I2C对象
i2c = I2C(scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=100000)

# 构造一个BMP180气压传感器对象
bmp = bmp180.BMP180(i2c)
bmp.oversample_sett = 2 # 设置采样精度为高精度模式

# 获取温度值（单位为摄氏度）
temp = bmp.temperature

# 获取气压值（单位为帕斯卡）
press = bmp.pressure

# 打印温度和气压值
print('Temperature:', temp, 'C')
print('Pressure:', press, 'Pa')

案例3：使用软件I2C连接一个LCD1602液晶显示屏，并显示一些文字：

from machine import Pin, I2C
import lcd1602 # 导入LCD1602液晶显示屏驱动模块

# 构造一个软件I2C对象
i2c = I2C(scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=400000)

# 构造一个LCD1602液晶显示屏对象
lcd = lcd1602.LCD1602(i2c)

# 清屏
lcd.clear()

# 显示文字
lcd.puts('Hello', 0, 0) # 在第一行第一列显示Hello
lcd.puts('MicroPython', 0, 1) # 在第二行第一列显示MicroPython
lcd.puts('ESP32', 10, 1) # 在第二行第十一列显示ESP32

案例4：驱动BME280温湿度传感器：

import machine
import bme280

i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))
bme = bme280.BME280(i2c=i2c)

# 读取温湿度数据
temperature = bme.temperature
humidity = bme.humidity

# 打印温湿度数据
print("Temperature:", temperature, "°C")
print("Humidity:", humidity, "%")

这个示例演示了如何使用MicroPython通过软件I2C总线驱动BME280温湿度传感器。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.I2C类创建一个I2C对象，指定SCL和SDA引脚。然后使用bme280.BME280类创建一个BME280对象，指定I2C对象。可以使用temperature属性读取温度数据，使用humidity属性读取湿度数据，并打印出来。

案例5：控制PCF8574扩展IO芯片：

import machine

i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))

# 设置PCF8574的输出状态
pcf_address = 0x20  # PCF8574的I2C地址
pcf_data = 0b10101010  # 输出状态的数据

i2c.writeto(pcf_address, bytes([pcf_data]))

这个示例演示了如何使用MicroPython通过软件I2C总线控制PCF8574扩展IO芯片。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.I2C类创建一个I2C对象，指定SCL和SDA引脚。然后使用writeto()方法向PCF8574芯片的I2C地址写入数据来设置输出状态。

案例6：读取MPU6050陀螺仪加速度计传感器数据：

import machine

i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))

# 读取MPU6050陀螺仪加速度计传感器数据
mpu_address = 0x68  # MPU6050的I2C地址

# 设置陀螺仪的测量范围
# 0x00表示±250°/s；0x08表示±500°/s；0x10表示±1000°/s；0x18表示±2000°/s
gyro_range_register = 0x1B
gyro_range_value = 0x10
i2c.writeto_mem(mpu_address, gyro_range_register, bytes([gyro_range_value]))

# 读取加速度计数据
acceleration_register = 0x3B
raw_data = i2c.readfrom_mem(mpu_address, acceleration_register, 6)

# 将原始数据转换为加速度值
acceleration = [
    (raw_data[0] << 8 | raw_data[1]) / 16384,
    (raw_data[2] << 8 | raw_data[3]) / 16384,
    (raw_data[4] << 8 | raw_data[5]) / 16384
]

# 打印加速度值
print("Acceleration:", acceleration)

这个示例演示了如何使用MicroPython通过软件I2C总线读取MPU6050陀螺仪加速度计传感器的数据。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.I2C类创建一个I2C对象，指定SCL和SDA引脚。首先使用writeto_mem()方法向MPU6050的I2C地址写入数据来设置陀螺仪的测量范围。然后使用readfrom_mem()方法从MPU6050读取加速度计数据的原始数据。最后，将原始数据转换为加速这些示例代码提供了使用MicroPython的ESP32软件I2C总线的实际运用程序参考。请根据自己的需求和硬件配置进行适当的调整和修改。

案例7：扫描I2C总线上的设备：

import machine

# 初始化I2C总线
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))

# 扫描I2C总线上的设备
devices = i2c.scan()

if len(devices) == 0:
    print("No devices found on I2C bus")
else:
    print("Devices found on I2C bus:")
    for device in devices:
        print(hex(device))

在上述示例中，我们使用machine.I2C()初始化ESP32的软件I2C总线对象。我们通过设置scl和sda参数来指定I2C总线的时钟和数据引脚。然后，我们使用i2c.scan()扫描I2C总线上的设备。如果扫描结果为空，则打印"No devices found on I2C bus"；否则，打印"Devices found on I2C bus:"，并逐个打印设备的地址（以十六进制形式）。

案例8：从I2C设备读取数据：

import machine

# 初始化I2C总线
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))

# 从I2C设备读取数据
device_address = 0x68  # I2C设备地址

i2c.start()
i2c.writeto(device_address, bytearray([0x00]))  # 发送要读取的寄存器地址
data = i2c.readfrom(device_address, 6)  # 从设备读取6字节数据
i2c.stop()

print("Received data:", data)

在上述示例中，我们使用machine.I2C()初始化ESP32的软件I2C总线对象。我们通过设置scl和sda参数来指定I2C总线的时钟和数据引脚。然后，我们定义一个device_address变量来存储要读取的I2C设备地址。通过调用i2c.start()开始I2C通信，然后使用i2c.writeto()发送要读取的寄存器地址。接下来，我们使用i2c.readfrom()从设备读取6字节的数据。最后，我们通过调用i2c.stop()结束I2C通信，并打印接收到的数据。

案例9：向I2C设备写入数据：

import machine

# 初始化I2C总线
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(22), sda=machine.Pin(21))

# 向I2C设备写入数据
device_address = 0x68  # I2C设备地址
register_address = 0x00  # 要写入的寄存器地址
data = bytearray([0x55, 0xAA])  # 要写入的数据

i2c.start()
i2c.writeto_mem(device_address, register_address, data)  # 向设备的指定寄存器写入数据
i2c.stop()

在上述示例中，我们使用machine.I2C()初始化ESP32的软件I2C总线对象。我们通过设置scl和sda参数来指定I2C总线的时钟和数据引脚。然后，我们定义一个device_address变量来存储要写入的I2C设备地址，以及一个register_address变量来存储要写入的寄存器地址。我们使用bytearray对象来存储要写入的数据。通过调用i2c.start()开始I2C通信，然后使用i2c.writeto_mem()向设备的指定寄存器写入数据。最后，我们通过调用i2c.stop()结束I2C通信。

请特别注意，以上示例仅供参考，具体的使用方法可能因不同的硬件平台和MicroPython版本而有所差异。在实际编程中，你需要根据你所使用的硬件和具体需求进行适当的调整。