花10几元买ESP32-C3，体验一下MicroPython (和CircuitPython)

时间：2021-10-10 00:38:10

ESP32是近年很火的国产低成本MCU系列。

买了芯片ESP32-C3的模组安信可 ESP-C3-32S的开发板安信可 NodeMCU ESP-C3-32S-Kit 。开发板很小，没有任何多余的东西，还不如叫它「最小系统+最小连接板」。

烧录只需要以上加一条microUSB线就可以，不用买任何的232 TTL、烧录器之类的，开发板上有USB转串口的芯片。

另外，看文档说，改变接线后，可以启用USB JTAG（无需任何额外芯片），然后可以单步调试、看寄存器之类的（有对应的开源跨平台软件openocd）。这一开发板也引出了USB数据的两个pin

便宜是便宜，但买得不够好。不好的原因及造成的限制：

  1. ESP32-C3这个芯片型号是RISC-V架构。若使用MicroPython，那么MicroPython的native code或viper（这两个东西能让python写的东西运行更快）都尚未支持。ESP32-Cx属于ESP32系列中的便宜精简系列。要求高的建议买ESP32系列的其他架构的型号。

  2. 这个模组配的Flash只有2M。MicroPython官方提供的bin文件(1.4M左右)虽然足够烧进去，但功能有问题。建议至少选4M Flash的。

    不过还好

    1. 这里有个老外编译了2M Flash版本的ESP32C3的MicroPython的bin。版本号 1.16.0 210824 v1.16-236-gb51e7e9d0，python 3.4.0。其中也包括他修改自己的安信可开发板，焊上缺失的两个开关管的说明。
    2. （建议）我自己编译了MicroPython 1.19 for ESP32-C3 2M Flash

    若选CircuitPython: 这是MicroPython的衍生版。它提供针对这一开发板的2M Flash固件adafruit-circuitpython-ai_thinker_esp32-c3s-2m-en_US-7.3.3.bin。Python 3.4.0

  3. 这个开发板买回来缺少两开关管，和几个0402的电阻电容。可能就是这个原因，导致ampy（一个PC上的与MicroPython通信的工具，非必须）无法使用。不过我也试出了补救方法。你可以像上面那个老外那样自己焊上去，也可以用我这里将要介绍的经验，在不用ampy的情况下使用

以下描述都是在Linux下进行。Windows用户请将串口/dev/ttyUSB0自行替换为Windows的COM

烧录MicroPython/CircuitPython到ESP32C3 （2M Flash）

  1. 使用esptool.py清除整个Flash（必须）。其中的esptool.py来自ESP官方IDF

  2. 烧录：

    esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyUSB0 write_flash -z 0x0 firmware_gereric_c3_2mb_210824.bin

    （下载上面链接的老外提供的MicroPython .bin文件。（你若愿意自己编译更好）.bin

    或选择CircuitPython

    esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyUSB0 write_flash -z 0x0 adafruit-circuitpython-ai_thinker_esp32-c3s-2m-en_US-7.3.3.bin

通过USB串口线连接获得python shell

使用Linux上picocom这个串口工具

picocom -b 115200 --lower-dtr --lower-rts   /dev/ttyUSB0

启动后自动连wifi

连路由器的wifi也可以。若是想在Linux电脑上设个专门的wifi也行：

sudo lnxrouter --ap wlan0 ssid -p 密码 -g 192.168.5.1

我们想要在Flash上创建wifi.py、main.py（在boot.py之后固件会自动调用main.py），实现启动后自动连接wifi。由于目前ampy不可用，所以，在python shell中利用文件读写函数来创建文件

fileContent = """
import network
nic = network.WLAN(network.STA_IF)
nic.active(True)
nic.ifconfig( [ "192.168.5.20", "255.255.255.0", "192.168.5.1", "192.168.5.1" ])
nic.connect("ssid", "密码")
"""
wfile = open('wifi.py','w')
wfile.write(fileContent)
wfile.flush()
wfile.close()


fileContent = """
import wifi
"""
wfile = open('main.py','w')
wfile.write(fileContent)
wfile.flush()
wfile.close()

以上是MicroPython的。CircuitPython的wifi函数都不一样，略

webREPL

webREPL是MicroPython带的东西，可以在电脑和ESP的Flash之间传文件上传、下载文件，也可以提供无线python shell。有了这个就能够快速更新.py代码，相当于可以OTA。（它是通过websocket协议通信的。）

用python shell时还是串口线好用，无线webREPL的输入和回显有延时

CircuitPython那边，似乎还没有这样完整的一套无线shell和无线传文件的东西。有相关讨论、有一些文档，略看了一下，还不完整不易用。

让webREPL自动启动

在MicroPython的python shell中：

>>> import webrepl_setup
WebREPL daemon auto-start status: enabled

Would you like to (E)nable or (D)isable it running on boot?

输入E。然后会让你设置密码。完成之后它会改写boot.py，并创建webrepl_cfg.py用于记录密码

用webREPL在电脑和ESP之间传文件

用来当OTA升级程序真的快。

把webREPL仓库里的文件下载下来。里面的HTML可以用浏览器打开（Firefox不支持），即可以获得一个GUI界面。

虽然有web GUI，但频繁的上传.py文件当然是用CLI更快:

./webrepl_cli.py  -p 密码   /电脑上的路径/test.py   192.168.5.20:test.py

上传了test.py后，平时就可以在python shell里使用

exec(open('test.py').read())

（用import test也会执行，但与exec不一样）

来直接执行该文件

GPIO点个灯

import machine
pin5 = machine.Pin(5, machine.Pin.OUT)
pin5.value(0)
pin5.value(1)

ADC采个样

from machine import Pin
from machine import ADC
pin0 = Pin(0, Pin.IN)
ad0 = ADC(pin0)
ad0.read_u16()

偶尔用UDP代替串口接收输出

串口的默认115200的baud很慢。在有大量文字输出时，不如电脑用wifi UDP接收。经测试，电脑显示最快达到过1MB/s接收速度。

在电脑上：

nc -k -u -l 0.0.0.0 9995

在MicroPython那边：

import socket
u = socket.socket(socket.AF_INET,  socket.SOCK_DGRAM) 
def log(s) :
    u.sendto(str(s)+'\n' , ('192.168.5.1', 9995) )
log("xxxxxx")

但要注意：

  1. 测试while连续地使用UDP的sendto()函数，有时会出现ENOMEM错误（有时换个wifi ap可以避免）。要try处理一下gc.collect()、time.sleep_ms()、重发。
  2. 而且，UDP是不保证收到的

串口高波特率

ESP32C3手册说支持5M baud。开发板上的CH340C串口转USB芯片说支持2M baud。实测调成2M（即200kB/s）在连续发送时有字节丢失。调成1M baud（即100kB/s）则无问题。

简单的性能测试

内存：经测试，gc.mem_free()显示的可用内存，MicroPython最大时有约110kB（在gc.collect()过之后）。据说自己编译MicroPython，改些参数，就可以让用户可分配的内存更多。而CircuitPython有87kB。这一芯片的实际内存是300kB+。

速度：Python解析执行起来肯定比C慢（据说慢100倍）。

MicroPython的time模块里有一些可以用于记录时间的函数：

import time
time.ticks_cpu()  # 据说最精确
time.ticks_us()  # 微秒 
time.ticks_ms()  # 毫秒

经试验，每通过python语句执行一个与硬件有关的操作，至少需要30us。

而CircuitPython则是用

import time
time.monotonic_ns()

可以看时间。

这速度，在有实时性高的需求时，不启用DMA或native code或viper肯定是不行的。但risc-v架构还不能使用MicroPython的native或viper。（所以目前ESP32的「C3」这个型号在这种情况下不建议选用）

另外，测试了MicroPython的长时间运行一个有实时性要求的任务。刚开始10分钟内没什么问题的，但几分钟后，开始有多次时不时的定时器中断不能及时响应的现象。所以，它还算不上一个可靠的实时系统。

略介绍直接内存读写（类似指针）、操作寄存器、DMA

MicroPython只对部分的型号添加了DMA模块，我们这个还没有支持DMA。

但MicroPython支持用mem32,mem16,mem8来直接读写任何地址，也就可以配置MCU寄存器，来让DMA工作。也可以操作任何的硬件模块。

CircuitPython目前未实现直接读写任何地址。

创造自己的python模块

由于乐鑫官方ESP-IDF提供了大量example，多于MicroPython已支持的。

MicroPython的固件本身就是C写的，用ESP-IDF编译出来的。为了不浪费ESP官方的example，应该学习一下如何搞自己的python固件编译进MicroPython里。

官方文档：

  1. Implementing a Module — MicroPython latest documentation
  2. MicroPython external C modules — MicroPython latest documentation

或者参考上面我自己编译的例子

乐鑫ESP的初步体验总结

官方芯片手册文档写得不够完整，不如ESP-IDF完整。手册中会出现某部分篇章未完成（已是极少量了）之类的提示。

试过自己配置寄存器，结果出现过这样的状况：1. 发现过手册中的错误。 2. 按照手册里的软件流程做，失败。利用ESP-IDF里的examples才成功。

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