很多嵌入式應用使用了高級 MCU，但它們只需基本的硬件控制功能，而無高級嵌入式設計的“硬實時”需求。開發(fā)人員和創(chuàng)客經(jīng)常很容易陷到硬件設計、C/C++ 編程和實時操作系統(tǒng)的細節(jié)中。幸運的是，他們可以使用更簡單的方法。

本文將介紹一種使用來自 Adafruit Industries 的微型開發(fā)板的較容易方法。該開發(fā)板結合了 Python 編程語言的嵌入式設計變體與基于 ARM Cortex-M0+ 處理器的高級 32 位 MCU。

高級 MCU 簡化了設計

高級 MCU 通過將全套模擬和數(shù)字外設與功能強大的處理器內(nèi)核集成在一起，從而幫助簡化硬件設計。例如，Microchip Technology 的 ATSAMD21G18 MCU 將 ARM Cortex-M0+ 內(nèi)核、256 KB 閃存、32 KB SRAM、高級控制子系統(tǒng)和大量外設全部集成在 10 x 10 mm 見方的扁平 (TQFP) 封裝(圖 1)中。

 

 

Microchip Technology 的 SAM D21 MCU 系列圖片

圖 1：Microchip Technology 的 SAM D21 MCU 系列成員都基于超低功耗 ARM? Cortex?-M0+ 內(nèi)核，提供全套功能塊和外設，差別僅在于具體的存儲器大小和外設通道數(shù)量。(圖片來源：Microchip Technology)

除了 32 個 GPIO 之外，ATSAMD21G18 MCU 的外設集還包括多個高級串行通信 (SERCOM) 通道、波形輸出通道、多通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、模擬比較器、10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。

設計挑戰(zhàn)

有了此類高級 MCU，開發(fā)人員無需花費時間查找和連接外部外設，但它們?nèi)匀粚υ谙到y(tǒng)設計中部署 MCU 的方式提出了嚴格要求。例如，在集成多種類型的電路時，ATSAMD21G18 MCU 的設計要通過相應的一組單獨域來提供電源。因此，開發(fā)人員必須處理處理器內(nèi)核 VDDCORE、內(nèi)部穩(wěn)壓器 (VDDIN)、外設 (VDDIO) 和模擬模塊 (VDDANA) 的多個電源和接地引腳(圖 2)。

在設計過程中，開發(fā)人員必須遵守具體的建議，包括提供電源、接地以及選擇和放置去耦電容器——這些對于經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員極為平常，但對于新接觸嵌入式 MCU 硬件設計的開發(fā)人員而言，卻是潛在的陷阱。

 

 

Microchip Technology 的 ATSAMD21G18 MCU 圖片

圖 2：Microchip Technology 的 ATSAMD21G18 MCU 使用多個功率域為不同的模擬和數(shù)字塊供電，在為這些域供電時需要多加注意。(圖片來源：Microchip Technology)

同樣，這些器件的軟件開發(fā)工作也是非常艱巨的。通常，新入門的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員會發(fā)現(xiàn)他們埋頭于從嵌入式開發(fā)資料了解 C/C++ 開發(fā)的相關細節(jié)，而這些資料更多地針對具有硬實時需求的應用。這些應用通常具有針對中斷延遲和確定性響應的關鍵性時序要求。但是，很多面向物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的新興傳感器設計對數(shù)據(jù)采集或致動器工作的要求卻要寬松得多，或者說這些要求很容易滿足。

簡化嵌入式開發(fā)

Adafruit 推出了一系列開發(fā)板，旨在幫助嵌入式開發(fā)人員消除這些硬件和軟件設計障礙，為許多應用需求提供了特別有效的解決方案。Adafruit 的 Metro M0 Express 和 Feather M0 Express 都基于 ATSAMD21G18 MCU，提供的是完整的嵌入式系統(tǒng)，包括串行接口(USB、SPI、I2C 和 UART)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、中斷輸入，以及多個模擬 IO 和 GPIO。這些開發(fā)板的差異僅在于尺寸和 GPIO 數(shù)量：2.8" x 2.1" x 0.28" 的 Metro M0 Express 提供 25 個 GPIO，而尺寸稍小 (2.0" x 0.9" x 0.28") 的 Feather M0 Express 則提供 20 個 GPIO。

SAM D21 MCU 系列使用了最高級的 MCU，提供的外設通道數(shù)遠多于物理引腳，但提供的引腳映射功能可將外設功能分配給特定硬件引腳。因此，雖然尺寸小巧，但每個開發(fā)板都可使用共享引腳來提供 MCU 廣泛外設的全部功能(圖 3)。

 

 

Adafruit 的 Feather M0 Express 開發(fā)板圖片

圖 3：Adafruit 利用引腳復用在微型 Feather M0 Express 開發(fā)板中提供大量 ATSAMD21G18 外設功能子集。(圖片來源：Adafruit)

但是，對于開發(fā)人員而言，這些細節(jié)是透明的。Adafruit 在其開源軟件包的特定模塊中為每個開發(fā)板提供了特定配置(列表 1)。

STATIC const mp_rom_map_elem_t board_global_dict_table[] = {

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A0), MP_ROM_PTR(&pin_PA02) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A1), MP_ROM_PTR(&pin_PB08) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A2), MP_ROM_PTR(&pin_PB09) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A3), MP_ROM_PTR(&pin_PA04) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A4), MP_ROM_PTR(&pin_PA05) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_A5), MP_ROM_PTR(&pin_PB02) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_SCK), MP_ROM_PTR(&pin_PB11) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_MOSI), MP_ROM_PTR(&pin_PB10) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_MISO), MP_ROM_PTR(&pin_PA12) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D0), MP_ROM_PTR(&pin_PA11) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_RX), MP_ROM_PTR(&pin_PA11) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D1), MP_ROM_PTR(&pin_PA10) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_TX), MP_ROM_PTR(&pin_PA10) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_SDA), MP_ROM_PTR(&pin_PA22) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_SCL), MP_ROM_PTR(&pin_PA23) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D5), MP_ROM_PTR(&pin_PA15) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D6), MP_ROM_PTR(&pin_PA20) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D9), MP_ROM_PTR(&pin_PA07) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D10), MP_ROM_PTR(&pin_PA18) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D11), MP_ROM_PTR(&pin_PA16) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D12), MP_ROM_PTR(&pin_PA19) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_D13), MP_ROM_PTR(&pin_PA17) },

{ MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_NEOPIXEL), MP_ROM_PTR(&pin_PA06) },

};

MP_DEFINE_CONST_DICT(board_module_globals, board_global_dict_table);

列表 1：Adafruit 開源 CircuitPython 庫摘錄了硬件詳細信息，其中包括使用開發(fā)板特定的引腳映射，例如此處顯示的 Feather M0 Express 開發(fā)板映射。(代碼來源：Adafruit)

開始開發(fā)時，用戶可將開發(fā)板插入 USB 端口，并且將內(nèi)置 USB 引導程序與 Arduino IDE 一起使用。為了進一步簡化引入嵌入式軟件設計，開發(fā)人員可以使用內(nèi)置功能，輕松將 CircuitPython 加載到其電路板上，然后即可開始構建嵌入式應用。

利用 CircuitPython 簡化開發(fā)

CircuitPython 旨在幫助加快嵌入式開發(fā)的學習速度，它的功能實際上源自 MicroPython，后者是與 Python 關系更直接的派生語言。憑借簡單清晰的語法和大量的支持模塊，Python 成為一種流行語言。但是，其代碼占用空間過大，對嵌入式系統(tǒng)不實用。

MicroPython 砍掉了 Python 的一些比較繁瑣的功能，簡化的版本能夠滿足嵌入式系統(tǒng)的邏輯約束，同時又保留了語言的核心功能。在開發(fā) CircuitPython 的過程中，Adafruit 更進一步，刪除了被視為對嵌入式系統(tǒng)新手程序員不太必要的模塊。

Adafruit 宣稱 CircuitPython 的目標是提供一種非常適合培訓的語言，讓開發(fā)人員能夠熟練掌握嵌入式設計，而無需糾纏于低級別開發(fā)細節(jié)。CircuitPython 從前代產(chǎn)品 Python 繼承的最令人期待的特性之一是解釋型特性，讓開發(fā)人員能夠通過交互方式探索外部模塊的接口。例如，CircuitPython 的基本模塊就是開發(fā)板模塊——一個提供對相關開發(fā)板 I/O 引腳訪問的開發(fā)板特定模塊。開發(fā)人員能夠從控制臺啟動 CircuitPython，導入該開發(fā)板模塊并即時查看支持的引腳名稱(列表 2)。

>>> import board

>>> dir(board)

['A0', 'SPEAKER', 'A1', 'A2', 'A3', 'A4', 'SCL', 'A5', 'SDA', 'A6', 'RX',

'A7', 'TX', 'LIGHT', 'A8', 'TEMPERATURE', 'A9', 'BUTTON_A', 'D4', 'BUTTON_B',

'D5', 'SLIDE_SWITCH', 'D7', 'NEOPIXEL', 'D8', 'D13', 'REMOTEIN', 'IR_RX',

'REMOTEOUT', 'IR_TX', 'IR_PROXIMITY', 'MICROPHONE_SCK', 'MICROPHONE_DO',

'ACCELEROMETER_INTERRUPT', 'ACCELEROMETER_SDA', 'ACCELEROMETER_SCL',

'SPEAKER_ENABLE', 'SCK', 'MOSI', 'MISO', 'FLASH_CS']

列表 2：在解析器控制臺提示符處 (>>)，程序員可以導入開發(fā)板模塊，并輸入 dir(board)，以查看該開發(fā)板特定模塊中提供的引腳名稱。(代碼來源：Adafruit)

開發(fā)板模塊提供與底層硬件的連接，同時提供一種簡單方式來訪問 Metro M0 Express 和 Feather M0 Express 開發(fā)板的引腳。例如，A0 模擬引腳被簡單引用為 "board.A0"。另一方面，各個模塊中駐留有特定硬件功能，例如：analogio 模塊代表模擬;digitalio 模塊代表數(shù)字;busio 模塊代表 I2C、SPI 和 UART;pulseio 模塊代表 PWM 和其他基于脈沖的協(xié)議等。因此，要在 CircuitPython 中讀取 A0 模擬輸入，只需導入相關模塊，并讀取相關器件實例的值(列表 3)。

import board

import analogio

def adc_to_voltage(val):

return val / 65535 * 3.3

adc = analogio.AnalogIn(board.A0)

pinA0voltage = adc_to_voltage(adc.value)

列表 3：與 Python 相同，CircuitPython 提供了很多高級別模塊，開發(fā)人員可將它們導入自己的代碼中;與 Python 不同，CircuitPython 還提供了一些模塊，讓程序員能夠執(zhí)行硬件級別的操作，例如讀取值 (adc.value) (在 ADC 輸入引腳 (board.A0) 處)。(代碼來源：Adafruit)

開發(fā)人員可通過對模擬或數(shù)字 IO 引腳的直接訪問，輕松地擴展硬件功能。例如，他們可以通過試驗板將 LED 連接到開發(fā)板的 A0 連接(圖 4)，并且使用模擬模塊讓 LED 閃爍(列表 4)，以詳細研究模擬輸出特性。

Metro M0 Express 板的 A0 模擬輸出圖片

圖 4：開發(fā)人員可以通過將試驗板電路，例如具有限流電阻器的 LED，連接到 Metro M0 Express 板的 A0 模擬輸出，即可調(diào)出 MCU 的 DAC，從而快速構建外部硬件原型。

 

 

(圖片來源：Adafruit)

import board

import analogio

led = analogio.AnalogOut(board.A0)

while True:

led.value = 65535 # max brightness

time.sleep(0.5) # stay on for 1/2 sec

led.value = 0 # off

time.sleep(0.5) # stay off for 1/2 sec

列表 4：對于圖 4 所示的試驗板電路，開發(fā)人員使用 CircuitPython analogio 模塊，創(chuàng)建綁定到該板 A0 引腳的 Analogout 類實例 (led)，并修改其值屬性，以便控制 LED 亮度。(代碼來源：Adafruit)

大多數(shù)現(xiàn)代“智能”傳感器和致動器都提供 I2C 或 SPI 接口，用于讀取、寫入和監(jiān)視外圍設備。雖然開發(fā)人員可將器件輕松連接到開發(fā)板的 SPI 或 I2C 接口，但軟件接口可能需要額外的工作。

為了最大程度減少這類工作，Adafruit 為一些流行的器件(例如 Silicon Labs 的 SI7021 溫度/濕度傳感器)提供了 CircuitPython 模塊。與模擬 I/O 模塊相同，在定義了所需的 I2C 接口對象之后，SI7021 CircuitPython 模塊允許程序員只需使用相應類對象的實例即可訪問傳感器(列表 5)。

import adafruit_si7021

from busio import I2C

from board import SCL, SDA

# create the I2C interface object

i2c = I2C(SCL, SDA)

# and use it to instantiate the sensor object

sensor = adafruit_si7021.SI7021(i2c)

# and perform the sensor measurements

current_temperature = sensor.temperature

current_relative_humidity = sensor.relative_humidity

列表 5：Adafruit 開源軟件庫提供了簡化附加硬件功能訪問的 CircuitPython 模塊，例如使用 Silicon Labs 的 SI7021 傳感器的溫度和濕度測量。(代碼來源：Adafruit)

Adafruit 板和 CircuitPython 開源庫的組合雖然主要是作為一個學習平臺，但也可用于創(chuàng)建相當先進的物聯(lián)網(wǎng)設備和其他嵌入式設計。同時，開發(fā)人員需要認識到，諸如 MicroPython/CircuitPython 之類解釋型語言，在滿足硬實時需求的能力方面有很大的局限性。但是，對于許多嵌入式應用而言，這個學習平臺可為擴展奠定堅實的基礎。

為了增加硬件功能，開發(fā)者可在 Feather M0 Express 板上疊接可用的 Adafruit FeatherWing 子卡，甚至可以使用 FeatherWing Proto 原型板添加他們自己的電路。為了增加對 CircuitPython 中的額外硬件功能的支持，開發(fā)人員必須創(chuàng)建定制軟件來添加所需的底層驅(qū)動程序。然而，通過將開放源碼庫與 Python 本身特性組合在一起，即使是這項工作也得到了最大程度的簡化。

通過檢查開源庫，程序員可以研究用于實現(xiàn)硬件支持的關鍵設計模式。例如，Adafruit 的 SI7021 模塊展示了相應的“Pythonic”類結構，包括構造函數(shù)和輔助函數(shù)(列表 6)。通過遵循這種方法，開發(fā)人員能夠以最小的工作量來添加自己的硬件。

from micropython import const

import ustruct

import sys

from adafruit_bus_device.i2c_device import I2CDevice

HUMIDITY = const(0xf5)

TEMPERATURE = const(0xf3)

_RESET = const(0xfe)

_READ_USER1 = const(0xe7)

_USER1_VAL = const(0x3a)

def _crc(data):

crc = 0

for byte in data:

crc ^= byte

for i in range(8):

if crc & 0x80:

crc <<= 1

crc ^= 0x131

else:

crc <<= 1

return crc

class SI7021:

"""

A driver for the SI7021 temperature and humidity sensor.

"""

def __init__(self, i2c, address=0x40):

self.i2c_device = I2CDevice(i2c, address)

self.init()

self._measurement = 0

def init(self):

self.reset()

# Make sure the USER1 settings are correct.

while True:

# While restarting, the sensor doesn't respond to reads or writes.

try:

data = bytearray([_READ_USER1])

with self.i2c_device as i2c:

i2c.write(data, stop=False)

i2c.read_into(data)

value = data[0]

except OSError as e:

if e.args[0] not in ('I2C bus error', 19): # errno 19 ENODEV

raise

else:

break

if value != _USER1_VAL:

raise RuntimeError("bad USER1 register (%x!=%x)" % (

value, _USER1_VAL))

def _command(self, command):

with self.i2c_device as i2c:

i2c.write(ustruct.pack('B', command))

def _data(self):

data = bytearray(3)

data[0] = 0xff

while True:

# While busy, the sensor doesn't respond to reads.

try:

with self.i2c_device as i2c:

i2c.read_into(data)

except OSError as e:

if e.args[0] not in ('I2C bus error', 19): # errno 19 ENODEV

raise

else:

if data[0] != 0xff: # Check if read succeeded.

break

value, checksum = ustruct.unpack('>HB', data)

if checksum != _crc(data[:2]):

raise ValueError("CRC mismatch")

return value

def reset(self):

self._command(_RESET)

@property

def relative_humidity(self):

"""The measured relative humidity in percents."""

self.start_measurement(HUMIDITY)

value = self._data()

self._measurement = 0

return value * 125 / 65536 - 6

@property

def temperature(self):

"""The measured temperature in degrees Celcius."""

self.start_measurement(TEMPERATURE)

value = self._data()

self._measurement = 0

return value * 175.72 / 65536 - 46.85

def start_measurement(self, what):

"""

Starts a measurement.

Starts a measurement of either ``HUMIDITY`` or ``TEMPERATURE``

depending on the ``what`` argument.Returns immediately, and the

result of the measurement can be retrieved with the

``temperature`` and ``relative_humidity`` properties.This way it

will take much less time.

This can be useful if you want to start the measurement, but don't

want the call to block until the measurement is ready -- for instance,

when you are doing other things at the same time.

"""

if what not in (HUMIDITY, TEMPERATURE):

raise ValueError()

if not self._measurement:

self._command(what)

elif self._measurement != what:

raise RuntimeError("other measurement in progress")

self._measurement = what

列表 6：為了將自定義硬件添加到其 CircuitPython 應用中，開發(fā)人員可以使用像用于 SiLabs si7021 的 Adafruit CircuitPython 驅(qū)動程序這樣的開源軟件。該驅(qū)動程序展示了使用隱式 (__init__) 和顯式 (init) 構造函數(shù)來設計傳感器硬件類 (SI7021)，以及通過串行總線(本例中為 I2C 總線)來訪問硬件本身的關鍵設計模式。(代碼來源：Adafruit)

其他模塊，特別是資源庫的硬件抽象層 (HAL) 中的模塊，提供了用于實現(xiàn)物理硬件訪問的較低級別 C 語言服務和 hook。完成自定義模塊后，開發(fā)人員可以利用分步說明，將自定義的 C 和 Python 代碼添加到環(huán)境中，這些分步說明描述了 Python、MicroPython 和 CircuitPython 內(nèi)置的特定 hook 的使用。在桌面或服務器 Python 環(huán)境中，增強過程在這一點即已結束，但在嵌入式環(huán)境中，則還需要額外的步驟，使用增強代碼映像來更新開發(fā)板的固件。

Adafruit 為該開發(fā)板提供了內(nèi)置的引導程序，可自動加載 USB Flashing Format (UF2) 映像。開發(fā)人員通過按下該開發(fā)板的 RESET 按鈕兩次來觸發(fā)引導程序進程，這會導致在用戶的主機文件系統(tǒng)中出現(xiàn)一個新的“boot”可移動驅(qū)動器。開發(fā)人員只需將 UF2 映像從主機系統(tǒng)拖放到代表開發(fā)板的可移動驅(qū)動器即可(圖 5)。這與最初用于加載 CircuitPython 的過程相同。在這種情況下，開發(fā)人員只需拖放使用自定義代碼構建的 UF2 映像。引導程序會自動執(zhí)行，將新映像刷入該開發(fā)板。

Adafruit 通過為開發(fā)板提供引導程序簡化了映像刷寫圖片

 

 

圖 5：Adafruit 通過為開發(fā)板提供引導程序簡化了映像刷寫，當通過按下開發(fā)板的 RESET 按鈕啟動時，導致 BOOT 可移動驅(qū)動器顯示在文件系統(tǒng)中(本例中為 MAC OS)，開發(fā)人員只需將新的 UF2 映像拖放至該驅(qū)動器上。(圖片來源：Adafruit)

總結

對于希望獲得嵌入式設計經(jīng)驗的開發(fā)人員來說，針對“硬”實時需求提供的工具和技術顯得有些小題大做。同時，開發(fā)人員又希望可以隨時使用能夠提供廣泛模擬和數(shù)字 IO 功能的高級 32 位 MCU。

Adafruit 的開源 CircuitPython 包則提供了一個更簡單的開發(fā)環(huán)境，能夠滿足這些較簡單的需求。通過將 CircuitPython 與 Adafruit 的 Metro M0 Express 或 Feather M0 Express 開發(fā)板結合在一起，新手開發(fā)人員可以快速獲得嵌入式系統(tǒng)經(jīng)驗，而更有經(jīng)驗的開發(fā)人員則可以快速構建嵌入式應用原型。

CircuitPython 與 Adafruit 開發(fā)板一起為嵌入式應用開發(fā)提供了一個易于使用卻功能強大的平臺。