手工打造基于MM32F5微控制器的MicroPython開發(fā)板

引言

為MicroPython啟用LittleFS文件系統(tǒng)的想法在我的腦袋里已經(jīng)醞釀了大半年。隨著MindSDK中QSPI驅(qū)動的完善，以及基于flash存儲芯片的sfud組件和LittleFS組件的成功集成（感謝同事Hao的出色工作），使我得以在MM32F5微控制上運行的MicroPython項目中，使用基于flash存儲芯片的LittleFS文件系統(tǒng)，替換掉基于SD卡的FatFS文件系統(tǒng)。經(jīng)過剛剛過去兩天一夜的編碼和調(diào)試，終于大功告成！

在早期的MicroPython項目中使用的SD卡，本身也是一個獨立的小零件，很容易丟失或者損壞，并且因為物理連接件的問題，有接觸不良的風(fēng)險，另外在開發(fā)板之外再購買SD卡也需要一定經(jīng)濟花銷。使用開發(fā)板上集成的flash存儲芯片取代SD卡存儲設(shè)備，可以大大降低整個MicroPython開發(fā)板的成本，并且易于維護。至于用戶體驗，無論腳本文件存放在SD卡還是flash芯片上，開發(fā)板都能正常運行Python腳本，并且能夠適配Thonny IDE，用戶不會感到一絲絲的不快。借用星爺?shù)囊痪湓挘骸耙粋€字，絕！”

在本文中，將講述如何自己動手制作基于MM32F5微控制的最小系統(tǒng)板，并獲取與之配套的預(yù)先編譯好的MicroPython固件，以及使用圖形界面開發(fā)環(huán)境Thonny IDE在MM32F5微控制器上使用Python進行開發(fā)的基本用法。幫助MicroPython的開發(fā)者自己動手制作一塊基于微控制器的開發(fā)板。

MM32F5微控制器簡介

MM32F5270 是上海靈動微電子第一款搭載了安謀科技 Arm China STAR-MC1 內(nèi)核的 MCU 產(chǎn)品，也是MM32F5系列的第一款產(chǎn)品，其工作頻率可達(dá) 120MHz，內(nèi)置256KB Flash 和 192KB RAM，配置浮點運算單元（Floating Point Unit, FPU）、數(shù)字信號處理單元（Digital Signal Processing，DSP）、信號間互聯(lián)矩陣 MindSwitch、可配置邏輯單元 CLU、三角函數(shù)加速單元 CORDIC等算法加速單元，并集成了豐富的外設(shè)模塊和充足的 I/O 端口。MM32F5270 相較于靈動原有產(chǎn)品全面提升了性能、存儲容量、總線架構(gòu)和外設(shè)配置，旨在覆蓋更廣泛的工業(yè)、汽車和 IoT 應(yīng)用。

figure_mm32f5270_product_selection

圖1 MM32F5270系列微控制器選型## 制作MicroPython開發(fā)板

基于MM32F5270微控制器，搭建一個可以運行MicroPython的最小系統(tǒng)，除了以MM32F5270微控制為核心的最小系統(tǒng)外，只要外接一個SPI接口的flash存儲芯片即可（例如復(fù)旦微的FM25Q128）。當(dāng)然，如果能附加一個USB轉(zhuǎn)串口的電路，將會顯著提升開發(fā)者的使用體驗。我手頭上有一塊內(nèi)部使用的小板子，剛好滿足這樣的要求。如圖2所示。如果有開發(fā)者愿意自己設(shè)計MM32F5270的最小系統(tǒng)板，也是非常容易的。

圖2 MM32F5270電路板

預(yù)編譯的固件使用了特定的引腳，用于支持REPL通信的UART，和連接flash存儲芯片的QSPI。對于不愿意重新改寫代碼編譯MicroPython固件的開發(fā)者們，在自行制作電路板時，必須要使用同樣的引腳。實際上，這里的限制并不是很苛刻，對于使用了144引腳的芯片來說，僅綁定2個UART引腳和6個QSPI引腳并不是一件麻煩的事情，而搭建編譯MicroPython的環(huán)境并改寫源碼重新編譯固件，則將會是一個比較繁瑣并且需要一定調(diào)試能力去解決各種瑣碎麻煩的過程。關(guān)于綁定引腳的清單，可見表1。

PS：甚至外擴的flash存儲芯片都是不是必須的！如果你不打算讓芯片上電之后自動運行一個自行編寫Python程序文件，僅使用基于UART的REPL同MicroPython內(nèi)核進行交互的話，那么使用flash存儲芯片作為存儲介質(zhì)的文件系統(tǒng)也可以精簡掉。

表1 MicroPython綁定MM32F5270最小系統(tǒng)板的引腳| MCU引腳 | 綁定功能 | 備注 |

| --------- | ----------- | ------ |

| PB6 | UART1_TX | 必需 |

| PB7 | UART1_RX | 必需 |

| PA6 | QSPI1_CS | 可選 |

| PG7 | QSPI1_SCK | 可選 |

| PG6 | QSPI1_D0 | 可選 |

| PA3 | QSPI1_D1 | 可選 |

| PB3 | QSPI1_D2 | 可選 |

| PG8 | QSPI1_D3 | 可選 |

MM32F5270電路板上有通過UART外接USB轉(zhuǎn)串口芯片部分的原理圖。如圖3所示。

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圖3 MM32F5270電路板的UART電路MM32F5270電路板上有通過QSPI外接flash存儲芯片部分的原理圖。如圖4所示。

figure-cubic-f5270-qspi-sch

圖4 MM32F5270電路板的QSPI電路我手上的另一塊MM32F5270微控制器的開發(fā)板，PLUS-F5270開發(fā)板，板子上集成了一顆W25Q64的flash存儲芯片和USB轉(zhuǎn)串口電路，也能滿足運行MicroPython的條件。PLUS-F5270開發(fā)板是成都逐飛科技有限公司設(shè)計生產(chǎn)的一款基于MM32F5270微控制器的開發(fā)板，這也是靈動官方軟件MindSDK支持的開發(fā)板。這塊開發(fā)板已經(jīng)對外出售，開發(fā)者可以在市面上買到。PLUS-F5270開發(fā)板的外觀如圖5所示。

圖5 PLUS-F5270開發(fā)板

獲取并下載MicroPython固件到開發(fā)板

為了獲取MicroPython的預(yù)編譯固件或者源代碼，可能需要一個CSDN或者gitee的賬號，登錄到網(wǎng)站上下載對應(yīng)的文件。

獲取預(yù)編譯的可執(zhí)行文件

本例中使用的MM32F5270最小系統(tǒng)板：使用12MHz外部晶振，串口波特率115200。

https://download.csdn.net/download/suyong_yq/86246621

PLUS-F5270開發(fā)板：使用12MHz外部晶振，串口波特率115200。QSPI1_CS引腳綁定到PB10引腳，其余引腳同本例相同。

https://download.csdn.net/download/suyong_yq/86246723

開源的完整項目的代碼倉庫

包含對MM32F5270微控制器支持的MicroPython項目代碼倉庫：

git@gitee.com:suyong_yq/micropython-su.git

下載可執(zhí)行文件到MM32微控制器

可以使用DAPLink或者JLink作為調(diào)試器，使用Keil或者Segger Ozone作為PC端軟件。

《使用DAP-Link單獨下載可執(zhí)行文件到MM32F5微控制器》一文中介紹了使用Keil和Ozone作為PC端軟件配合DAPLink調(diào)試器下載獨立的可執(zhí)行文件到MM32微控制器上，同樣的方法也適用于使用JLink調(diào)試器的情況。

但若是使用JLink調(diào)試器，必須使用JLink v9以后的版本，之前市面上流行的老款JLink v8（俗稱“黑磚頭”）已經(jīng)不支持Arm Cortex-M33，以及MM32F5微控制器所使用的ArmChina STAR-MC1內(nèi)核。

在單片機上運行Python小程序

MM32F5270最小系統(tǒng)板上設(shè)計了一個可編程的LED燈，對應(yīng)主控芯片的PC8引腳。接下來以編寫Python程序控制這個LED燈為例，展示在電路板上運行MicroPython的玩法。

MM32F5270電路板上有通過QSPI外接flash存儲芯片部分的原理圖。如圖6所示。

figure-cubic-f5270-led-sch

圖6 MM32F5270電路板的LED電路### 使用基于UART串口終端的REPL

將MM32F5270微控制器上的串口通過USB轉(zhuǎn)串口電路同電腦相連，啟動串口終端軟件Tera Term，在終端界面中通過串口輸入Python腳本，如圖7所示。

圖7 通過REPL編寫MicroPython程序### 使用圖形開發(fā)環(huán)境Thonny IDE

Thonny是由愛沙尼亞的Tartu大學(xué)開發(fā)，非常適合初學(xué)者和教學(xué)的一款輕量級IDE，提供可視化的編程界面，并可逐句調(diào)試運行Python程序?？蓮墓倬W(wǎng)上下載適配多操作系統(tǒng)平臺的安裝包（https://thonny.org/）。如圖8所示。

figure-thonny-overview

圖8 Thonny概覽啟用圖形開發(fā)環(huán)境Thonny IDE中，指定串口同MM32F5270電路板相連，然后在代碼編輯區(qū)中輸入Python程序，或從電腦上導(dǎo)入預(yù)先寫好的Python程序文件。然后通過Thonny IDE運行腳本，在Thonny內(nèi)置的串口終端界面中可以產(chǎn)生輸出。Thonny內(nèi)置的串口終端界面也可以像REPL一樣，直接輸入Python語句立即執(zhí)行。如圖9所示。

demo-micropython-thonny

圖9 在Thonny中運行Python程序### 將Python程序保存在文件系統(tǒng)中上電自啟

如果希望編寫的Python程序能在開發(fā)板上電復(fù)位后自動運行，可以將Python腳本文件保存在MicroPython掛載的文件系統(tǒng)中。之后，通過電路板的硬件復(fù)位或者MicroPython的軟件復(fù)位，都可以激活已經(jīng)存入文件系統(tǒng)中的腳本運行。如圖10所示。

demo-micropython-thonny-2

圖10 保存程序文件到文件系統(tǒng)中## 總結(jié)

作者將早期開發(fā)MicroPython項目中的文件系統(tǒng)從SD卡遷移到開發(fā)板的flash存儲器上，在完全不影響用戶使用體驗的情況下，簡化了電路系統(tǒng)，降低了整個MicroPython電路系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)然，如果進一步考慮，還可以將文件系統(tǒng)從片外flash遷入片內(nèi)flash，利用未使用的flash存儲空間做文件系統(tǒng)，可以繼續(xù)降低成本。但是，使用片內(nèi)文件系統(tǒng)也要面臨一些麻煩：

• 程序的可移植性變差了，每個不同的微控制器芯片可能使用不同的片內(nèi)flash，對應(yīng)的操作方式不同。
• 需要足夠大的片內(nèi)flash，并不是每款微控制器芯片都有很大的片內(nèi)flash。
• 單位空間的片內(nèi)flash比片外flash貴。
• 操作片內(nèi)flash比操作片外flash麻煩，可能需要將存放在片內(nèi)flash上操作flash的函數(shù)搬運到RAM中才能正常工作。