【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32-S2 硬件SPI总线_esp32s2 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-S2是一款低功耗且集成多种功能的WiFi微控制器芯片,其主要参数如下:
使用Xtensa单核32位LX7 CPU,主频高达240MHz
320KB SRAM、2M PSRAN （板载）
集成802.11b/g/n HT40 Wi-Fi
支持Bluetooth 5.0 BR/EDR 和Bluetooth Low Energy
丰富外设接口:SPI、SPI Slave、SDIO Slave、I2C、I2S、RMT等
USB OTG 接口,可配置为host或device
支持时钟和功耗管理,节能模式功耗仅2uA
内置安全启动和flash 加密功能
工作温度范围:-40°C到105°C
封装规格:QFN48 7x7 mm
综上,ESP32-S2集成度高,有更好的功耗性能,非常适合物联网和可穿戴应用。相比ESP32,该款芯片在无线网络和功耗管理方面进行了优化。

MicroPython的ESP32-S2支持硬件SPI（串行外设接口）总线功能，下面从专业的视角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：

硬件支持：ESP32-S2的硬件SPI总线是通过专用硬件模块实现的，具有高性能和高速度的特点。相比于软件SPI总线，硬件SPI总线能够提供更快的数据传输速率和更低的CPU占用率。

多通道支持：硬件SPI总线通常支持多个通道，每个通道可以连接一个SPI设备。这样可以同时与多个SPI设备进行通信，提高系统的扩展性和灵活性。

高速传输：硬件SPI总线具有较高的传输速度，适用于需要快速数据交换的应用场景。它可以在较短的时间内完成大量数据的传输，例如高分辨率显示屏、存储器等外设。

应用场景：

高速数据传输：硬件SPI总线适用于需要高速数据传输的场景。例如，连接高分辨率显示屏或存储器，可以快速传输大量图像数据或文件数据。

外设扩展：硬件SPI总线可以用于扩展外设接口。通过连接不同的SPI设备，如传感器、无线模块或外部存储器，可以实现更多功能和更广泛的应用。

实时通信：硬件SPI总线的高速性能使其适用于实时通信需求。例如，与其他设备进行实时数据交换或与外部系统进行快速通信。

需要注意的事项：

引脚分配：在使用ESP32-S2的硬件SPI总线时，需要正确分配引脚。ESP32-S2具有特定的SPI引脚，需要根据硬件引脚功能和连接的设备进行正确的引脚分配。

时序参数配置：硬件SPI总线的传输速率和时序参数可以进行配置。在使用时，需要根据外设的时序要求和系统性能，正确配置时钟频率、数据位顺序和传输模式等参数。

片选信号管理：硬件SPI总线通常使用片选信号（CS/SS）与不同的SPI设备进行通信。需要注意适时选择和管理片选信号，确保与目标设备进行正确的数据传输。

总之，MicroPython的ESP32-S2的硬件SPI总线具有高速传输和多通道支持的特点，适用于高速数据传输、外设扩展和实时通信等应用场景。在使用时，需要注意引脚分配、时序参数配置和片选信号管理等方面的问题，以确保硬件SPI总线的稳定性和可靠性。通过ESP32-S2的硬件SPI总线，可以实现高效、可靠的SPI通信，并满足不同应用的需求。

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=1, phase=0, sck=Pin(18), mosi=Pin(23), miso=Pin(19))

# 定义传感器寄存器地址和命令
reg_addr = 0x00
cmd = 0x01

# 读取传感器数据
def read_sensor_data():
    spi.write(bytearray([reg_addr | cmd]))
    data = spi.read(2)
    return (data[0] << 8) | data[1]

while True:
    sensor_data = read_sensor_data()
    print("Sensor data:", sensor_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：
导入所需的库，包括machine、time等。
定义SPI总线和引脚，设置波特率、极性、相位等参数。
定义传感器寄存器地址和命令。
编写读取传感器数据的函数，通过SPI总线发送命令并读取数据。
在主循环中调用读取传感器数据的函数，并打印结果。
每隔1秒读取一次传感器数据。

案例二：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=1, phase=0, sck=Pin(18), mosi=Pin(23), miso=Pin(19))

# 定义LED灯引脚
led_pin = Pin(25, Pin.OUT)

# 控制LED灯的函数
def control_led(state):
    spi.write(bytearray([0x00, state]))

# 主循环中控制LED灯状态
while True:
    control_led(1)  # 打开LED灯
    time.sleep(1)
    control_led(0)  # 关闭LED灯
    time.sleep(1)
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要点解读：
导入所需的库，包括machine、time等。
定义SPI总线和引脚，设置波特率、极性、相位等参数。
定义LED灯引脚。
编写控制LED灯的函数，通过SPI总线发送命令来控制LED灯的状态。
在主循环中调用控制LED灯的函数，实现LED灯的开关。
每隔1秒切换一次LED灯的状态。

案例三：读写EEPROM

from machine import Pin, SPI, EEPROM
import time

# 定义SPI总线和引脚
spi = SPI(2, baudrate=1000000, polarity=1, phase=0, sck=Pin(18), mosi=Pin(23), miso=Pin(19))

# 定义EEPROM地址和大小
eeprom_addr = 0x00
eeprom_size = 1024

# 初始化EEPROM对象
eeprom = EEPROM(spi)

# 写入EEPROM数据的函数
def write_eeprom(addr, data):
    spi.write(bytearray([addr >> 8, addr & 0xFF]))
    spi.write(data)

# 从EEPROM读取数据的函数
def read_eeprom(addr, size):
    spi.write(bytearray([addr >> 8, addr & 0xFF]))
    return spi.read(size)

# 主循环中读写EEPROM数据
while True:
    data = bytearray([0x01, 0x02, 0x03, 0x04])  # 要写入的数据
    write_eeprom(eeprom_addr, data)  # 写入数据到EEPROM
    time.sleep(1)
    read_data = read_eeprom(eeprom_addr, len(data))  # 从EEPROM读取数据
    print("Read data from EEPROM:", read_data)
    time.sleep(1)
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要点解读：
导入所需的库，包括machine、time等。
定义SPI总线和引脚，设置波特率、极性、相位等参数。
定义EEPROM地址和大小。
初始化EEPROM对象。
编写写入EEPROM数据的函数，通过SPI总线发送地址和数据。
编写从EEPROM读取数据的函数，通过SPI总线发送地址和读取指定大小的数据。
在主循环中调用读写EEPROM数据的函数，实现对EEPROM的操作。

案例四：使用SPI总线与OLED显示器通信

from machine import SPI  
  
# 初始化SPI总线，设置通信参数  
spi = SPI(2, 1000000, miso=12, mosi=13, sclk=14)  
  
# 发送数据到OLED显示器  
data = [0x38, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04]  
spi.write(data)
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在这个例子中，我们使用SPI总线与OLED显示器进行通信。我们首先初始化SPI总线，设置通信参数，然后发送一串数据到OLED显示器。这个数据可能是控制OLED显示器的命令，例如设置显示区域等。

案例五：使用SPI总线与SD卡模块通信

from machine import SPI  
  
# 初始化SPI总线，设置通信参数  
spi = SPI(1, 4000000, miso=12, mosi=13, sclk=14)  
  
# 发送数据到SD卡模块  
data = [0x02, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01]  
spi.write(data)
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在这个例子中，我们使用SPI总线与SD卡模块进行通信。我们首先初始化SPI总线，设置通信参数，然后发送一串数据到SD卡模块。这个数据可能是控制SD卡模块的命令，例如读取文件等。

案例六：使用SPI总线与传感器通信

from machine import SPI  
  
# 初始化SPI总线，设置通信参数  
spi = SPI(0, 1000000, miso=12, mosi=13, sclk=14)  
  
# 发送数据到传感器，并接收返回数据  
data = [0x01, 0x02]  
spi.write(data)  
response = spi.read(2)  
print(response)
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在这个例子中，我们使用SPI总线与传感器进行通信。我们首先初始化SPI总线，设置通信参数，然后发送一串数据到传感器。传感器会返回一串数据，我们使用SPI的read方法读取这些数据。这个例子假设传感器返回的是一个字节的数据，并将其打印出来。这个数据可能是传感器采集的数据，例如温度、湿度等。

案例七：SPI总线读取芯片ID

from machine import Pin, SPI

# 定义SPI总线引脚
spi_clk = Pin(18)
spi_miso = Pin(19)
spi_mosi = Pin(23)
spi_cs = Pin(5)

# 初始化SPI总线
spi = SPI(2, baudrate=1000000, sck=spi_clk, miso=spi_miso, mosi=spi_mosi)

# 读取芯片ID
spi_cs.value(0)
spi.write(bytes([0x9F]))
chip_id = spi.read(3)
spi_cs.value(1)
print("芯片ID:", chip_id)
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要点解读：
该示例程序使用machine.Pin和machine.SPI模块设置了SPI总线的引脚和初始化SPI对象。
在示例中，引脚18、19、23分别用于SPI总线的时钟、MISO和MOSI信号，引脚5用于片选信号。
使用machine.SPI创建一个SPI对象，并传入SPI总线编号（2）和配置参数。
使用value()方法将片选信号设置为低电平，选中外部设备。
使用write()方法发送命令字节。
使用read()方法读取芯片ID的字节数据。
使用value()方法将片选信号设置为高电平，释放外部设备。
在示例中，发送0x9F命令获取芯片ID，并将接收到的3个字节数据打印输出。

案例八：SPI总线写入数据

from machine import Pin, SPI

# 定义SPI总线引脚
spi_clk = Pin(18)
spi_miso = Pin(19)
spi_mosi = Pin(23)
spi_cs = Pin(5)

# 初始化SPI总线
spi = SPI(2, baudrate=1000000, sck=spi_clk, miso=spi_miso, mosi=spi_mosi)

# 写入数据到外部设备
spi_cs.value(0)
data = bytearray([0x12, 0x34, 0x56, 0x78])
spi.write(data)
spi_cs.value(1)
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要点解读：
该示例程序使用machine.Pin和machine.SPI模块设置了SPI总线的引脚和初始化SPI对象。
在示例中，引脚18、19、23分别用于SPI总线的时钟、MISO和MOSI信号，引脚5用于片选信号。
使用machine.SPI创建一个SPI对象，并传入SPI总线编号（2）和配置参数。
使用value()方法将片选信号设置为低电平，选中外部设备。
使用write()方法将数据写入外部设备。
使用value()方法将片选信号设置为高电平，释放外部设备。

案例九：SPI总线读取传感器数据

from machine import Pin, SPI

# 定义SPI总线引脚
spi_clk = Pin(18)
spi_miso = Pin(19)
spi_mosi = Pin(23)
spi_cs = Pin(5)

# 初始化SPI总线
spi = SPI(2, baudrate=1000000, sck=spi_clk, miso=spi_miso, mosi=spi_mosi)

# 读取传感器数据
spi_cs.value(0)
command = bytearray([0x01, 0x00, 0x00])
response = bytearray(3)
spi.write_readinto(command, response)
spi_cs.value(1)
print("传感器数据:", response)
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要点解读：
该示例程序使用machine.Pin和machine.SPI模块设置了SPI总线的引脚和初始化SPI对象。
在示例中，引脚18、19、23分别用于SPI总线的时钟、MISO和MOSI信号，引脚5用于片选信号。
使用machine.SPI创建一个SPI对象，并传入SPI总线编号（2）和配置参数。
使用value()方法将片选信号设置为低电平，选中外部设备。
使用write_readinto()方法发送命令字节并接收传感器数据的字节。
使用value()方法将片选信号设置为高电平，释放外部设备。
在示例中，发送命令字节[0x01, 0x00, 0x00]读取传感器数据，并将接收到的3个字节数据打印输出。
这些示例程序展示了ESP32-S2上MicroPython的硬件SPI总线通信功能。通过设置引脚和配置SPI对象，可以实现与外部设备的数据交互。您可以根据具体的应用需求进行适当的修改和扩展。请注意，在使用硬件SPI总线之前，需要根据具体的硬件连接情况选择正确的引脚，并根据外部设备的通信协议来编写相应的命令和数据交互逻辑。

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。