【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP8266 硬件SPI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。
ESP8266是一种低成本的Wi-Fi芯片，它可以用于开发物联网、智能家居、网络控制等应用。不同的ESP8266芯片或模块可能有不同的参数，因此在使用或购买时，需要注意选择合适的型号和版本。以下是一些常见的ESP8266参数：
1、尺寸：ESP8266芯片的尺寸为5x5 mm，ESP8266模块的尺寸根据外围电路和天线的不同而有所差异，一般在10x15 mm到25x50 mm之间。
2、工作温度：ESP8266芯片的工作温度范围为-40125℃，ESP8266模块的工作温度范围一般为-4085℃。
3、处理器：ESP8266芯片内置了一个32位的Tensilica L106 RISC处理器，最高时钟频率为160 MHz，支持实时操作系统和Wi-Fi协议栈。
4、内存：ESP8266芯片内置了64 KB的指令RAM和96 KB的数据RAM，以及64 KB的boot ROM。ESP8266模块还需要外接一个Flash存储器，一般为512 KB到16 MB之间。
5、电源：ESP8266芯片的供电电压为3.0~3.6 V，最大功耗为170 mA，最小功耗为20 uA。ESP8266模块的供电电压一般为3.3 V或5 V，最大功耗一般为200~300 mA，最小功耗一般为10~20 uA。
6、通信协议：ESP8266芯片支持IEEE 802.11 b/g/n标准的Wi-Fi协议，支持Station、SoftAP和Station+SoftAP三种模式。ESP8266芯片还支持多种数字外设接口，如GPIO、PWM、ADC、UART、I2C、SPI等。ESP8266芯片还可以使用socket模块或其他协议库来实现TCP/IP、UDP、HTTP、MQTT等协议。
MicroPython 是一种基于 Python 语言的嵌入式开发平台，可以在微控制器上运行 Python 代码，实现对硬件的控制和编程。ESP8266 是一种低成本的 Wi-Fi 芯片，可以通过 MicroPython 进行编程和连接网络。
SPI (Serial Peripheral Interface) 是一种串行外设接口总线协议，用于在微控制器和外部设备之间进行高速数据传输。SPI 总线由四条信号线组成：SCK (时钟线)、MOSI (主机输出从机输入)、MISO (主机输入从机输出) 和 SS (从机选择)。
SPI 总线的主要特点有：
SPI 总线是一种全双工通信方式，即主机和从机可以同时发送和接收数据。
SPI 总线是一种同步通信方式，即数据的传输和接收都依赖于时钟信号的变化。
SPI 总线是一种主从模式的通信方式，即总线上只有一个主机，可以有多个从机，但每次只能与一个从机进行通信。
SPI 总线的通信速率取决于时钟频率、数据位宽、时钟极性和相位等参数，可以通过软件或硬件进行配置。
SPI 总线的应用场景有：
SPI 总线可以用于连接各种外部设备，如 TFT 屏幕、SD 卡、FLASH 存储器、传感器、音频解码器等。
SPI 总线可以用于实现多个微控制器之间的数据交换，如 ESP8266 和 ESP32 之间的通信。
SPI 总线可以用于实现高速数据采集和处理，如图像处理、音频处理等。
SPI 总线的注意事项有：
SPI 总线的引脚分配取决于具体的硬件平台和驱动程序，需要根据文档或示例代码进行选择和配置。
SPI 总线的通信参数需要与外部设备或其他微控制器保持一致，否则会导致数据错误或丢失。
SPI 总线的通信过程需要遵循一定的协议和顺序，如先发送 SS 信号选择从机，再发送或接收数据，最后取消 SS 信号释放总线。
MicroPython 的 ESP8266 硬件 SPI 总线的几个实际运用程序参考代码案例如下：
案例1：使用硬件 SPI 驱动 TFT 屏幕 (ST7735) 显示图像：
# 导入相关模块
import machine
import st7735
import time
# 定义 TFT 屏幕的引脚
TFT_RST = 16
TFT_DC = 5
TFT_CS = 4
# 创建硬件 SPI 对象
spi = machine.SPI(1, baudrate=8000000, polarity=0, phase=0)
# 创建 TFT 屏幕对象
tft = st7735.ST7735R(spi, rst=machine.Pin(TFT_RST), dc=machine.Pin(TFT_DC), cs=machine.Pin(TFT_CS))
# 初始化 TFT 屏幕
tft.initb2()
tft.rgb(True)
# 定义显示图像的函数
def show_image(filename):
# 打开图像文件
f = open(filename, 'rb')
# 跳过 BMP 文件头 (54 字节)
f.read(54)
# 读取 BMP 文件数据 (160x128x2 字节)
data = f.read(160*128*2)
# 关闭文件
f.close()
# 将数据写入 TFT 屏幕缓冲区
tft._write_data(data)
# 循环显示不同的图像
while True:
show_image('cat.bmp')
time.sleep(2)
show_image('dog.bmp')
time.sleep(2)
案例2：使用硬件 SPI 连接 SD 卡并读写文件：
# 导入相关模块
import machine
import sdcard
import os
# 定义 SD 卡的引脚
SD_CS = 15
# 创建硬件 SPI 对象
spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=1, phase=0)
# 创建 SD 卡对象
sd = sdcard.SDCard(spi, machine.Pin(SD_CS))
# 挂载 SD 卡到文件系统
os.mount(sd, '/sd')
# 列出 SD 卡的文件和目录
os.listdir('/sd')
# 在 SD 卡上创建一个新文件
f = open('/sd/test.txt', 'w')
f.write('Hello MicroPython!')
f.close()
# 读取 SD 卡上的文件内容
f = open('/sd/test.txt', 'r')
f.read()
f.close()
# 取消挂载 SD 卡
os.umount('/sd')
案例3：主机，使用硬件 SPI 实现 ESP8266 和 ESP32 之间的通信：
# ESP8266 作为主机，发送数据给 ESP32
# 导入相关模块
import machine
import time
# 定义 SPI 总线和 SS 引脚
spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
ss = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
# 定义要发送的数据
data = b'Hello ESP32!'
# 循环发送数据
while True:
# 选择从机 (ESP32)
ss.value(0)
# 写入数据到 SPI 总线
spi.write(data)
# 取消选择从机 (ESP32)
ss.value(1)
# 等待一秒
time.sleep(1)
案例4：从机
# ESP32 作为从机，接收数据来自 ESP8266
# 导入相关模块
import machine
# 定义 SPI 总线和 SS 引脚
spi = machine.SPI(2, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0, sck=machine.Pin(18), mosi=machine.Pin(23), miso=machine.Pin(19))
ss = machine.Pin(5, machine.Pin.IN)
# 定义接收数据的缓冲区
buf = bytearray(12)
# 循环接收数据
while True:
# 检查是否被选择为从机 (ESP8266)
if not ss.value():
# 从 SPI 总线读取数据到缓冲区
spi.readinto(buf)
# 打印缓冲区的内容
print(buf)
案例5：与SPI设备进行数据交换：
import machine
spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
cs = machine.Pin(5, machine.Pin.OUT)
cs.value(0)
while True:
cs.value(0)
spi.write(b'\x01')
data = spi.read(4)
cs.value(1)
print("Received data: {}".format(data))
这个示例使用ESP8266的硬件SPI总线与外部SPI设备进行数据交换。通过设置SPI通信参数和片选引脚，然后在循环中选择设备（通过片选引脚），发送数据并接收对应的数据，将接收到的数据打印出来。
案:6：使用SPI总线控制OLED屏幕：
import machine
import ssd1306
spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
oled = ssd1306.SSD1306_SPI(128, 64, spi, machine.Pin(4), machine.Pin(15), machine.Pin(16))
oled.text("Hello, World!", 0, 0)
oled.show()
这个示例使用ESP8266的硬件SPI总线控制一个OLED屏幕（如SSD1306）。通过设置SPI通信参数和引脚连接，然后创建一个SSD1306_SPI对象，可以使用其提供的方法在屏幕上显示文本、图像等内容。
案例7：通过SPI总线读取加速度传感器数据：:
import machine
import time
spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0)
cs = machine.Pin(5, machine.Pin.OUT)
cs.value(0)
while True:
cs.value(0)
spi.write(b'\x0F')
x = spi.read(1)[0]
spi.write(b'\x10')
y = spi.read(1)[0]
spi.write(b'\x11')
z = spi.read(1)[0]
cs.value(1)
print("X: {}, Y: {}, Z: {}".format(x, y, z))
time.sleep(1)
这个示例使用ESP8266的硬件SPI总线与一个加速度传感器（如LIS3DH）进行通信。通过设置SPI通信参数和片选引脚，然后在循环中选择设备（通过片选引脚），发送读取指令并接收对应的数据，将加速度值打印出来。这些示例展示了如何在MicroPython的ESP8266模块上使用硬件SPI总线进行通信。通过硬件SPI总线，您可以与各种SPI设备进行数据交换，如传感器、显示屏等。请注意，具体的引脚和硬件连接可能会根据您的实际电路和配置而有所不同。
案例8：与 SPI 设备通信：
import machine
import time
# 初始化 SPI 总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0)
# 与 SPI 设备通信
spi.init()
spi.write(b'\x01\x02\x03') # 发送数据
received_data = spi.read(3) # 接收数据
print("接收到的数据：", received_data)
spi.deinit()
这个程序使用 ESP8266 上的硬件 SPI 总线与 SPI 设备通信。使用 machine.SPI() 初始化一个 SPI 对象 spi，参数 1 表示使用硬件 SPI 模式。baudrate 参数设置通信速率，polarity 和 phase 参数分别指定时钟极性和时钟相位。
使用 spi.init() 初始化 SPI 总线。
使用 spi.write() 方法发送数据给 SPI 设备，参数是一个字节串。
使用 spi.read() 方法接收 SPI 设备发送的数据，参数是要接收的字节数。
最后通过打印语句输出接收到的数据。
案例9：读取 SPI 设备的传感器数据：:
import machine
import time
# 初始化 SPI 总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0)
# 与 SPI 设备通信
spi.init()
# 读取传感器数据
spi.write(b'\x01\x00') # 发送命令
time.sleep(0.1) # 等待传感器准备数据
received_data = spi.read(2) # 接收数据
# 解析传感器数据
sensor_value = received_data[0] << 8 | received_data[1]
print("传感器数值：", sensor_value)
spi.deinit()
这个程序使用 ESP8266 上的硬件 SPI 总线读取连接的 SPI 设备的传感器数据。
使用 machine.SPI() 初始化一个 SPI 对象 spi，参数 1 表示使用硬件 SPI 模式。baudrate 参数设置通信速率，polarity 和 phase 参数分别指定时钟极性和时钟相位。
使用 spi.init() 初始化 SPI 总线。
使用 spi.write() 方法发送命令给 SPI 设备，参数是一个字节串。
使用 time.sleep() 方法等待传感器准备数据。
使用 spi.read() 方法接收 SPI 设备发送的数据，参数是要接收的字节数。
将接收到的数据解析为传感器数值，并将其存储在变量 sensor_value 中。
最后通过打印语句输出传感器数值。
案例10：控制 SPI 设备的外设：:
import machine
import time
# 初始化 SPI 总线
spi = machine.SPI(1, baudrate=100000, polarity=0, phase=0)
# 与 SPI 设备通信
spi.init()
# 控制外设
spi.write(b'\x02\x01') # 发送控制命令
# 等待外设完成操作
time.sleep(1)
# 读取外设状态
spi.write(b'\x03')
status = spi.read(1)
print("外设状态：", status)
spi.deinit()
这个程序使用 ESP8266 上的硬件 SPI 总线控制连接的 SPI 设备的外设。
使用 machine.SPI() 初始化一个 SPI 对象 spi，参数 1 表示使用硬件 SPI 模式。baudrate 参数设置通信速率，polarity 和 phase 参数分别指定时钟极性和时钟相位。
使用 spi.init() 初始化 SPI 总线。
使用 spi.write() 方法发送控制命令给 SPI 设备，参数是一个字节串。
使用 time.sleep() 方法等待外设完成操作。
使用 spi.write() 方法发送读取状态命令给 SPI 设备。
使用 spi.read() 方法接收 SPI 设备发送的状态数据，参数是要接收的字节数。
最后通过打印语句这些示例代码展示了如何使用 MicroPython 和 ESP8266 的硬件 SPI 总线与 SPI 设备进行通信、读取传感器数据以及控制外设。请根据你实际连接的硬件和设备进行适当的修改和调整。
请注意，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。
