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玄貓（BlackCat）

MicroPython 嵌入式開發板實戰

本文深入淺出地介紹如何使用 MicroPython 開發嵌入式系統，涵蓋 PyBoard、BBC micro:bit 和 Adafruit Circuit Playground Express 等熱門開發板，從韌體更新、REPL 操作到程式碼範例，帶領讀者逐步掌握嵌入式開發的精髓。

嵌入式系統 Python
MicroPython PyBoard BBC micro:bit Circuit Playground Express 韌體更新 REPL

MicroPython 作為 Python 3 的精簡高效能實作，特別適用於微控制器和嵌入式系統。本文將引導讀者設定 PyBoard、BBC micro:bit 和 Adafruit Circuit Playground Express 等開發板的開發環境，並提供實用的程式碼範例。從硬體連線、韌體更新到 REPL 互動，循序漸進地說明 MicroPython 的應用，讓讀者快速上手嵌入式開發。文章涵蓋了不同開發板的特性和差異，例如 PyBoard 的檔案系統操作、micro:bit 的 LED 矩陣控制以及 Circuit Playground Express 的豐富感測器應用，並提供程式碼範例和解析，幫助讀者理解 MicroPython 在嵌入式系統中的實際應用。

PyBoard 開發環境設定

硬體需求與韌體更新

首先，您需要準備一條適合的導線來連線 DFU（Device Firmware Update）針腳與 3.3V 針腳。這些針腳在 PyBoard 的背面有標示，在正面也可以透過圖片（如圖 2-4 所示）辨識。

圖 2-4：PyBoard 正面的 DFU 和 3.3V 針腳

要更新 PyBoard 的韌體，您需要下載最新的 MicroPython 韌體。下載完成後，請斷開 PyBoard 與所有裝置的連線，並使用一條公對公的跳線將 DFU 針腳與 3.3V 針腳連線。

更新韌體

更新 PyBoard 的韌體需要使用 DFU 工具。有兩個可用的選項：dfu-util 和 pydfu。您可以根據自己的作業系統從 dfu-util 專案的網站下載安裝說明，或從 MicroPython 的 GitHub 儲存函式庫下載 pydfu 指令碼。

  1. 安裝 DFU 工具

    • dfu-util 的安裝說明可參考其官方網站。
    • pydfu 可從 MicroPython 的 GitHub 儲存函式庫下載，並依賴 libusb 和 pyusb。

  2. 更新韌體

    • 使用 dfu-util 更新韌體：
      $ sudo dfu-util --alt 0 -D firmware.dfu
      請將 firmware.dfu 替換為您從 MicroPython 官網下載的最新韌體檔案。
    • 使用 pydfu 更新韌體：
      $ sudo python pydfu.py -u firmware.dfu

連線 PyBoard 與電腦

更新完韌體後，請斷開 PyBoard 與電腦的連線，並移除 DFU 和 3.3V 針腳之間的跳線。重新連線後，PyBoard 將顯示為一個可移除的 USB 磁碟，內含四個檔案：boot.py、main.py、README.txt 和 pybcdc.inf。

  • boot.py：在裝置啟動時執行，設定各種組態選項。
  • main.py：包含您的主要程式碼，在 boot.py 之後執行。
  • README.txt：包含有關 PyBoard 的基本資訊。
  • pybcdc.inf：Windows 驅動程式，用於設定 USB 序列連線。

編寫第一個 MicroPython 程式

  1. 開啟 main.py 檔案，並將原有的程式碼註解替換為以下程式碼：

    import pyb
pyb.LED(4).on()

    這段程式碼會開啟 PyBoard 上的藍色 LED（LED 4）。

  2. 儲存並關閉 main.py，然後離開（或解除安裝）USB 磁碟。

  3. 按下 PyBoard 上微型 USB 連線埠下方的 RST 按鈕以重置板子。藍色 LED 應該會亮起。

連線 REPL

要與 PyBoard 互動，您需要透過 REPL（Read-Eval-Print Loop）連線到板子。

  • 在 Windows 上： 使用 putty.exe 連線到板子。您需要使用裝置管理員來找出 PyBoard 所連線的 COM 連線埠。

  • 在 macOS 和 Linux 上： 您可以使用 picocom 或 screen 命令來連線 REPL。

    • 使用 picocom：
      $ picocom --baud=115200 /dev/tty.usbmodem*
      或
      $ picocom --baud=115200 /dev/ttyACM0
    • 使用 screen：
      $ screen /dev/tty.usbmodem* 115200
      要離開 screen，請輸入 CTRL-A CTRL-\。

REPL 操作範例

>>> print("Hello, World!")
Hello, World!
>>> 1 + 1
2
>>> 7 / 5
1.4
>>> "hello".upper()
'HELLO'
>>> import pyb
>>> pyb.LED(1).on()
>>> pyb.LED(1).off()
>>> while True:
...     pyb.LED(1).toggle()
...     pyb.delay(500)
...

請記得使用 CTRL-C 中斷無限迴圈。

BBC micro:bit：開啟數位創意的關鍵

BBC micro:bit 是一款專為初學者設計的簡易而強大的運算裝置。它體積小巧、價格親民且易於使用。英國廣播公司（BBC）推出這款裝置的目的是為了促進數位創意，培養人們使用電腦創造有趣事物的技能和信心。

歷史脈絡與啟發

事實上，BBC 並非第一次為初學者開發運算裝置。在 1980 年代，我曾經在 8 位元的 BBC 微電腦上學習程式設計（見圖 3-1）。每個英國學校都配備了一台這樣的電腦，而我的父親恰好是一位校長。

某個週末，他帶回了幾個大箱子，裡面裝著顯示器、電腦、連線線和各種手冊。他的本意是學習如何在學校裡使用這台電腦。然而，不到半個小時，我和弟弟就接管了這台裝置（當時我才八歲）。

與現代電腦相比，這台 BBC 微電腦並不特別強大，也不太易用。當你開啟它的電源時，它會發出「嘀嘀」的聲音，並顯示一個閃爍的游標。對於當時的我來說，它就像在挑戰我輸入一些東西。

我記得自己第一次與電腦互動時，輸入了「HELLO」，按下 ENTER 鍵，然後得到了「Mistake」的結果。

我完全不知道為什麼電腦會認為我犯了錯誤，但我記得當時感到非常興奮，因為電腦居然對我輸入的內容做出了反應。後來我才知道，原來我犯了一個語法錯誤：電腦無法理解我的指令。我很快就學到了，電腦並不懂英文。

然而，BBC 微電腦能夠理解一種簡單的程式語言，叫做 BBC BASIC。這是一種友好的語言，因為許多讓電腦執行有趣任務的指令都是英文單詞。此外，BASIC 中的所有指令都寫在編號的行上，所以你清楚地知道自己在程式中的位置，以及指令執行的順序。

以下是我當初寫的第一個 BASIC 程式。你能猜出它是做什麼的嗎？

10 CLS
20 PRINT "YOU ARE AN IDIOT"
30 GOTO 20

內容解密：

  • 10 CLS：清除螢幕上的內容，讓畫面變乾淨。
  • 20 PRINT "YOU ARE AN IDIOT"：在螢幕上顯示「YOU ARE AN IDIOT」這段文字。
  • 30 GOTO 20：跳回第 20 行繼續執行，形成無限迴圈，不斷顯示「YOU ARE AN IDIOT」。

這讓我覺得自己像是在施展一種特殊的魔法，讓電腦按照我的意願運作。我只需要想出正確的「咒語」或「法術」。

BBC micro:bit 的硬體設計

BBC micro:bit 的大小約如信用卡，內含多種標示清晰的硬體元件。

裝置正面有兩個按鈕，分別標示為 A 和 B。按鈕之間是一個 5x5 的 LED 矩陣，可作為簡單的顯示螢幕（見圖 3-2）。這些 LED 可以以九種不同的亮度發出紅光。

裝置底部的邊緣聯結器用於將裝置連線到其他裝置。這就是通用輸入/輸出（GPIO），它允許裝置接收來自其他元件的輸入，或向其他元件輸出訊號。

邊緣聯結器由多個稱為「針腳」（pins）的連線點組成。這些針腳之所以被稱為「pin」，是因為許多其他型別的裝置上的 GPIO 硬體介面通常是實際的針腳，而非邊緣聯結器。其中一些針腳較寬，可以標示名稱，並可夾上鱷魚夾。其他的針腳最好透過將裝置插入連線到麵包板（一個可以輕鬆放置和重新排列電子元件的裝置）的女性邊緣聯結器來存取。

整個佈局看起來像一張臉。兩個按鈕像是眼睛，LED 矩陣像是鼻子，而邊緣聯結器則像是牙齒。這種擬人化的設計讓裝置看起來很有趣，即使在關閉狀態下也頗具吸引力。

裝置背面揭示了各種標示清晰的元件，這些元件使裝置運作（見圖 3-3）。

邊緣聯結器（標示為 PINS）在背面繼續延伸。在它上方和左側分別是裝置的針（NXP/Freescale MAG3110 三軸磁力計感測器）和加速度計（NXP/Freescale MMA8652）。這些感測器使裝置能夠判斷其指向的方向、在空間中的方位，並檢測諸如搖晃或翻轉等手勢。

在這些感測器上方是裝置的微控制器「大腦」。它是一個 32 位元的 Nordic nRF51822 ARM Cortex-M0 處理器，執行頻率為 16 MHz，擁有 256 KB 的快閃記憶體、16 KB 的 RAM，以及支援藍牙低能耗（BLE）網路的 2.4 GHz 無線電模組。無線電的天線就在微處理器的上方（看起來像城堡上的垛口圖案）。

為何 BBC micro:bit 能夠激發新一代程式設計師？

BBC micro:bit 不僅是一款裝置，也代表著一種理念。正如當年長官 BBC 微電腦開發團隊的人所說：

我們的目標是讓運算變得民主化。我們不希望人們被電腦控制，而是希望人們能夠控制它。 — David Allen，BBC 電腦識讀計畫專案編輯

如果沒有深刻體會到自己能夠讓電腦做出有趣的事情，我就不會成為今天的程式設計師。BBC micro:bit 繼承了這種精神，並且在現代技術的基礎上進一步發展，為新一代的初學者提供了更便捷、更具創意的學習工具。

BBC micro:bit 開發者設定

BBC micro:bit 是一款專為教育設計的微控制器板，具備多種硬體功能，包括 LED 顯示矩陣、按鈕、加速度計、針等。其硬體設計完全開放，軟體方面同樣遵循開放原始碼的原則。

硬體特性與開放性

micro:bit 的硬體設計具有高度的開放性，其電路圖完全公開，並採用寬鬆的開放原始碼授權。這意味著任何人都可以自由地使用、修改甚至製造該裝置。

  • 微型 USB 連線埠：裝置頂部設有一個微型 USB 連線埠，用於連線電腦進行程式燒錄和電源供應。
  • 重置按鈕：USB 連線埠右側設有重置按鈕，用於重新啟動裝置。
  • 電池連線埠：裝置右上角設有電池連線埠，可連線電池供電。

值得注意的是，micro:bit 的藍牙功能在 MicroPython 中未被支援，因為相關軟體需要佔用大量的快閃記憶體和 RAM。然而，MicroPython 提供了一個簡易的無線模組，使裝置間能夠進行簡單的無線通訊。

開發環境設定

將 micro:bit 連線到電腦後，它會顯示為一個 USB 磁碟機。與 PyBoard 類別似，也可以連線到 MicroPython 的 REPL 環境。

燒錄程式到 micro:bit

與 PyBoard 不同的是，micro:bit 通常需要將 MicroPython 執行環境和使用者程式碼合併成一個 hex 檔案，然後將該檔案燒錄到裝置上。這個過程是透過將 hex 檔案複製到 USB 磁碟機來完成的。燒錄後，裝置會重新啟動，並還原成一個相對空的 USB 磁碟機。

# 以下是一個簡單的範例程式，用於展示如何讓 micro:bit 的 LED 矩陣顯示一個笑臉
from microbit import *

# 無窮迴圈
while True:
    # 顯示笑臉圖案
    display.show(Image.HAPPY)
    # 等待 2 秒
    sleep(2000)
    # 清除顯示
    display.clear()
    # 等待 1 秒
    sleep(1000)

程式碼解析：

  1. from microbit import *：匯入 micro:bit 模組的所有功能。
  2. while True:：建立一個無窮迴圈，不斷執行迴圈內的程式碼。
  3. display.show(Image.HAPPY)：在 LED 矩陣上顯示一個預定義的笑臉圖案。
  4. sleep(2000)：暫停程式執行 2 秒，讓圖案保持顯示。
  5. display.clear()：清除 LED 矩陣的顯示內容。
  6. sleep(1000)：暫停程式執行 1 秒，然後再次進入迴圈。

使用檔案系統

micro:bit 內建了一個小型的檔案系統（約 20kB），儲存在快閃記憶體中。每次燒錄新的 hex 檔案時，這個檔案系統會被清空。然而，如果只燒錄 MicroPython 執行環境（不包含使用者程式碼），則可以手動複製 main.py 到裝置中，MicroPython 會在啟動時自動執行該檔案。

瀏覽器編輯器與 Mu 編輯器

開發者可以使用瀏覽器編輯器或 Mu 編輯器來撰寫和燒錄程式到 micro:bit。瀏覽器編輯器的使用方式是下載 hex 檔案後拖曳到 micro:bit 的 USB 磁碟機中。

Mu 編輯器則提供了一個更友善的開發環境，支援 Windows、macOS、Linux 和 Raspberry Pi 等多種作業系統。使用者只需按下「燒錄」按鈕即可將程式碼燒錄到 micro:bit，並且可以直接存取 REPL 環境和檔案系統。

Mu 編輯器的設計理念

Mu 編輯器遵循極簡主義哲學：

  • Less is more. 只保留最基本的功能，避免介面過於複雜。
  • Keep it simple. 簡單易學，降低新手使用門檻。
  • Walk the path of least resistance. 提供唯一的最佳實踐路徑，簡化操作流程。
  • Have fun. 讓學習過程變得有趣，能夠快速建立並測試程式碼。

綜上所述，BBC micro:bit 提供了一個強大且靈活的開發平台，無論是對於初學者還是有經驗的開發者，都能夠滿足不同的需求。透過 MicroPython 和相關開發工具，可以輕鬆地進行各種創意專案開發。

Adafruit Circuit Playground Express：探索嵌入式開發的新世界

Adafruit的Circuit Playground Express是一款功能強大的嵌入式開發板，讓Python程式設計師能夠輕鬆地探索嵌入式開發的世界。這款開發板具備多種感測器和反饋模式，讓使用者能夠快速學習嵌入式開發的基礎知識。

Circuit Playground Express 的特色

Circuit Playground Express 讓使用者能夠像科幻小說中的角色一樣，使用先進的技術來探索世界。它具備多種感測器和輸出裝置，例如LED燈、喇叭和加速度計，讓使用者能夠創造出各種有趣的專案。

使用 MicroPython 進行開發

與BBC micro:bit類別似，Circuit Playground Express也支援MicroPython，讓使用者能夠使用Python語言進行開發。使用者可以使用Mu編輯器或其他Python編輯器來編寫和上傳程式碼到開發板上。

REPL 和偵錯

使用者可以使用REPL（Read-Eval-Print Loop）來與開發板互動，偵錯和測試程式碼。Mu編輯器提供了REPL功能，讓使用者能夠輕鬆地與開發板互動。

開始使用 Circuit Playground Express

要開始使用Circuit Playground Express，使用者需要先安裝必要的工具和程式函式庫。首先，需要安裝uf2工具，用於將程式碼上傳到開發板上。接著，使用者可以使用Mu編輯器或其他Python編輯器來編寫和上傳程式碼。

安裝 uf2 工具

$ pip install uf2

使用 Mu 編輯器上傳程式碼

使用者可以使用Mu編輯器來編寫和上傳程式碼到開發板上。首先，需要將開發板連線到電腦，然後在Mu編輯器中選擇正確的開發板。接著，使用者可以編寫程式碼並上傳到開發板上。

範例程式碼

import time
from adafruit_circuitplayground.express import cpx

while True:
    cpx.red_led = True
    time.sleep(0.5)
    cpx.red_led = False
    time.sleep(0.5)

程式碼解析：

此範例程式碼使用了 adafruit_circuitplayground.express 模組來控制 Circuit Playground Express 開發板上的紅色LED燈。程式碼中，首先匯入了 time 模組和 cpx 物件。接著，使用無窮迴圈來控制LED燈的閃爍。在迴圈中，LED燈被開啟和關閉，每次持續0.5秒。

Adafruit Circuit Playground Express 硬體與開發環境介紹

Adafruit Circuit Playground Express 是一款功能豐富的開發板，具備多種輸入（感測）和輸出（訊號）功能。與前述開發板相同，使用者可透過兩種方式與裝置互動：儲存在板載快閃記憶體檔案系統中的程式碼和 REPL（互動式直譯器）。

連線與互動方式

當透過 micro USB 線將裝置連線到電腦時，裝置會顯示為一個快閃記憶體儲存裝置，並且可以像 PyBoard 和 micro:bit 一樣存取 REPL。

硬體規格與特色

市面上有兩種版本的 Circuit Playground Express：舊版使用 ATmega32u4 微處理器，不支援 MicroPython；新版則使用 ATSAMD21G18 ARM Cortex M0 微處理器，是本文所使用的版本。

主要元件與功能

  • 緣邊的 14 個焊墊便於使用鰐魚夾連線其他裝置，其中部分焊墊具備電容式觸控感應功能。
  • 電源連線埠可接受 3.5V 至 6.5V 的直流電壓，並自動調節至 3.3V，適合使用 3 x AAA 電池盒或其他電池方案。
  • 10 個 NeoPixel LED 位於焊墊內側，可獨立設定 RGB 顏色，用於狀態指示或視覺回饋。
  • 三個按鈕（A、B 和 RESET）提供使用者輸入功能，其中 A 和 B 按鈕可用於任意開/關互動。
  • 位於電池連線埠上方的滑動開關可用於保持狀態的開/關輸入。
  • 紅外線發射器和接收器位於重置按鈕兩側，允許裝置之間進行紅外線通訊。
  • 各類別環境感測器包括：
    • 位於按鈕 A 上方的類別比光感測器，用於測量環境光亮度。
    • 按鈕 B 上方的熱敏電阻，用於測量環境溫度。
    • 重置按鈕下方的三軸加速計，可測量 X、Y 和 Z 軸的重力加速度，用於偵測傾斜、運動和手勢。
    • 按鈕 B 下方的麥克風，用於檢測音訊訊號。
  • 按鈕 A 下方的小型揚聲器可用於輸出簡單的聲音或旋律。

微控制器規格

ATSAMD21G18 微控制器運作頻率為 48 MHz，具備 256 KB 的板載快閃記憶體和 32 KB 的 RAM，並額外提供 2 MB 的快閃記憶體儲存空間。

開發環境：CircuitPython

Adafruit 使用名為 CircuitPython 的 MicroPython 分支作為開發環境。CircuitPython 是一個開放原始碼專案，歡迎社群貢獻，並且會跟蹤 MicroPython 的主要版本更新。雖然目前仍標示為「測試版」，但大多數 API 已趨於穩定。

安裝與更新 CircuitPython

Circuit Playground Express 可能未預先安裝 CircuitPython，因此建議更新至最新版本的韌體以取得最新的錯誤修復和功能。更新過程非常簡單，透過 UF2 引導程式，只需將裝置置於引導模式，然後將 .uf2 檔案拖曳至裝置即可。

  1. 將裝置連線到電腦，並雙擊重置按鈕以進入引導模式。裝置會顯示為名為 CPLAYBOOT 的 USB 大容量儲存裝置。
  2. 從 GitHub 下載最新的 CircuitPython UF2 版本至裝置。

透過使用 CircuitPython，開發者可以確保在 Adafruit 各類別開發板上保持 API 的一致性，從而輕鬆將技能和知識轉移至其他支援 CircuitPython 的 Adafruit 裝置。

#### CircuitPython 的主要優勢

  • 確保跨 Adafruit 開發板的一致性
  • 穩定的 API（儘管專案仍在持續開發中）
  • 簡化的開發體驗，特別是在 Adafruit 生態系統內