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

本文章可以配合我发的一个视频食用： https://www.bilibili.com/video/BV1RV4y1e79H/

ESP32是近年很火的国产低成本MCU系列。模组自带WiFi、蓝牙、天线。本篇以ESP32-C3为主来讲。

ESP32系列的MCU一般只需要UART就可以烧录。ESP32-C3有USB D+/D-引脚，若用USB，可以不用UART也可以烧录调试。

这里不讲ESP-IDF的C语言/FreeRTOS开发，我通过MicroPython来体验这款系列的MCU。（CircuitPython是MPY的衍生品，目前不完善，只稍带提一下。）

小知识：Micropython在32位MCU上默认的整型数是30位的，同时也有文档说也能使用大整数

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

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RISC-V。ESP32-Cx属于ESP32系列中的便宜精简低功耗系列。要求高的建议买ESP32系列其他型号（请查MicroPython文档中native对各个架构的支持情况）。

烧录MicroPython/CircuitPython到ESP32C3

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

    esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyUSB0 erase_flash

  2. 烧录：

    # 如果是旧些的micropython版本
esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyUSB0 -b 460800 write_flash -z 0x0 firmware.bin

# 如果是新些的micropython版本（本例为4M Flash）
esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/ttyUSB0 -b 460800 write_flash -z 0x0 bootloader.bin 0x8000 partition-table.bin 0x10000 micropython.bin

    如果型号是ESP32，则应把bootloader烧到0x1000

用串口线（USB转UART）操作MCU，和在电脑和MCU的flash之间传文件

题外话：其实这里"python shell"这个叫法更准确的应该叫"REPL"

获取MCU的python shell

用mpremote获取MCU的python shell

mpremote是个针对串口线连接MicroPython设备情况下的操作工具。

在电脑上用pip安装mpremote。

使用mpremote连接MCU并获取python shell, 只需要简洁的mpremote命令，不加参数时它默认使用串口0, 默认波特率是115200：

mpremote

用picocom (Linux) 获取MCU的python shell

可以使用picocom这个串口工具（Linux端的），它就是个通用串口工具

picocom -b 115200  /dev/ttyUSB0

有些板子因接线原因，用picocom还需要加--lower-dtr --lower-rts

在MCU的flash和电脑之间互传文件：

mpremote cp 电脑文件.py  :/

还有其他工具，如ampy、rshell等，不介绍，感觉mpremote最好

我未使用类似Thonny这样的IDE，下文全都在终端及编辑器中可以完成，，

GPIO点个灯

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

PWM输出电压方波信号

from machine import Pin
from machine import PWM

p1=Pin(1)
p1.init(mode=Pin.OUT)
pwm1 = PWM(p1, freq=5000)
pwm1.deinit() # 停止

ADC采个样

from machine import Pin
from machine import ADC
pin0 = Pin(0, Pin.IN)
ad0 = ADC(pin0, atten=ADC.ATTN_11DB)
ad0.read_u16()

ESP32-C3的ADC最大量程是0V至2.5V，需要把衰减设置为11DB才能达到这个量程，否则量程很小。

必须注意，使用wifi对ADC有极大影响，会产生许多突然的尖峰

让MCU连上wifi

ESP32系列支持Wifi。

连上wifi后就有办法使用无线python shell，还可以无线传文件以进行无线.pyOTA。

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

# wifi.py
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")

# main.py
import wifi

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

一般让ESP连路由器的wifi。若是想在Linux电脑上设个专门的wifi让ESP来连，可以使用linux-router这个Bash脚本：

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

通过webREPL无线操作MCU (python shell)，以及无线传文件

若成功连上了wifi，就可以试试这个。webREPL是MicroPython带的东西，可以在电脑和MCU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MCU端的webREPL服务自动启动

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

电脑端的webREPL客户端工具

把webREPL仓库里的文件下载到电脑上运行。里面的HTML可以用浏览器打开（Firefox不支持），即可以获得一个web GUI界面。虽然有web GUI，但频繁的操作及上传.py文件当然是用CLI更快。

获取无线python shell

./webrepl_cli.py -p 密码 192.168.5.20

用webREPL在电脑和MCU之间传文件（无线）

用来当OTA升级程序真的快。

上传使用命令：

./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，平时就可以在无线python shell里使用

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

来直接执行该文件

（用import test也会执行，但与exec不一样。都懂）

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。某开发板上的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。

如果想使用超过115200的波特率与电脑通信，电脑上的系统必须支持才行。我是仅在Linux上测试过可以。

简单的性能测试

MicroPython内存占用情况

经测试，gc.mem_free()显示的可用内存，MicroPython最大时有约150kB（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+。

MicroPython速度性能情况

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。有些MPY版本运行了一整天都没问题，有些版本刚开始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，它未必是个100%可靠的实时系统，投入使用前最好认真测试。

乐鑫ESP32 MCU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。

尽管不完美，还是值得尝试的。想入手的请到商城看一看

本文章可以配合我发的一个视频食用： https://www.bilibili.com/video/BV1RV4y1e79H/

黑科技：直接内存读写（类似指针）、操作寄存器、DMA

MicroPython支持用mem32,mem16,mem8（是数组）来直接读写任何地址，也就可以配置MCU寄存器，理论上有办法使用那些MicroPython未整理的硬件功能。

MicroPython只对极少部分的型号添加了DMA支持，我们这个ESP32还没有支持DMA。理论上通过操作寄存器可让DMA工作（很麻烦，未试）。

CircuitPython目前未实现直接读写任何地址。

进阶：py与C结合-创造自己的python模块

MicroPython支持自己做usermod（用户模块）。

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

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-IDF的能力和C的速度，应该学习一下如何搞自己的python模块编译进MicroPython里。

创建usermod文件夹并准备好文件：

micropython/ports/esp32/usermod/我的模块.c
micropython/ports/esp32/usermod/我的模块.cmake

编译的时候用命令：

cd micropython/ports/esp32
make USER_C_MODULES=$PWD/usermod/我的模块.cmake # （代替`idf.py build`这一条）

题外话：手动修改过sdkconfig文件后，要rm -r build-xxxxxx/再构建（重新构建很慢），修改才生效

usermod/我的模块.cmake文件内容：

# Create an INTERFACE library for our C module.
add_library(usermod_我的模块 INTERFACE)

# Add our source files to the lib
target_sources(usermod_我的模块 INTERFACE
    ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/我的模块.c
)

# Add the current directory as an include directory.
target_include_directories(usermod_我的模块 INTERFACE
    ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}
)

# Link our INTERFACE library to the usermod target.
target_link_libraries(usermod INTERFACE usermod_我的模块)

我们给“我的模块”设置两个可调用的函数：init1()和see_init1()。
c文件内容：

// Include MicroPython API.
#include "py/runtime.h"

// Used to get the time in the Timer class example.
#include "py/mphal.h"

uint32_t read_len;
uint32_t buf_size; 
uint32_t sample_freq;
uint32_t channel_num;

// 4个参数的py函数 init1() 
// 使用时先import我的模块，再 '我的模块.init(arg1, arg2, arg3, arg4)' 来调用
static mp_obj_t 我的模块_init1( 
    mp_uint_t n_args, const mp_obj_t *args
    // 因为参数个数超过3,所以下面这几个不直接使用
    // mp_obj_t read_len_obj, 
    // mp_obj_t buf_size_obj, 
    // mp_obj_t sample_freq_obj, 
    // mp_obj_t channel_num_obj
)
{
    // (void)n_args; // unused, we know it's 4
    read_len = mp_obj_get_int(args[0]);
    buf_size = mp_obj_get_int(args[1]);
    sample_freq = mp_obj_get_int(args[2]);
    channel_num = mp_obj_get_int(args[3]);
    
    mp_printf(&mp_plat_print, "read_len=%ld buf_size=%ld sample_freq=%ld channel_num=%ld\n", read_len, buf_size, sample_freq, channel_num);
    
    return mp_const_none;
};
// 定义这个有4个参数的函数
static MP_DEFINE_CONST_FUN_OBJ_VAR_BETWEEN(我的模块_init1_obj, 4, 4, 我的模块_init1);


static mp_obj_t 我的模块_see_init1()
{
    mp_printf(&mp_plat_print, "read_len=%ld buf_size=%ld sample_freq=%ld channel_num=%ld\n", read_len, buf_size, sample_freq, channel_num);
    return mp_const_none;
}
static MP_DEFINE_CONST_FUN_OBJ_0(我的模块_see_init1_obj, 我的模块_see_init1);
// 用 MP_DEFINE_CONST_FUN_OBJ_X （X=0~3）来设置参数个数，最大3。4或以上要用另一个

// 所有函数要加进这里面
static const mp_rom_map_elem_t 我的模块_module_globals_table[] = {
    { MP_ROM_QSTR(MP_QSTR___name__), MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_我的模块) },
    { MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_init1), MP_ROM_PTR(&我的模块_init1_obj) },
    { MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_see_init1), MP_ROM_PTR(&我的模块_see_init1_obj) },
};
static MP_DEFINE_CONST_DICT(我的模块_module_globals, 我的模块_module_globals_table);

const mp_obj_module_t 我的模块_user_cmodule = {
    .base = { &mp_type_module },
    .globals = (mp_obj_dict_t*)&我的模块_module_globals,
};

MP_REGISTER_MODULE(MP_QSTR_我的模块, 我的模块_user_cmodule);

关于自定义py模块的官方文档：

  1. Implementing a Module — MicroPython latest documentation
  2. MicroPython external C modules — MicroPython latest documentation
  3. Argument parsing （自定义py模块函数参数解析）

其他

运行代码过程中查芯片的MAC地址

import ubinascii
import network
print ( ubinascii.hexlify ( network.WLAN(network.STA_IF).config('mac') , ':' ).decode().upper() )

import ubinascii
import bluetooth
ble=bluetooth.BLE()
ble.active(True)
print ( ubinascii.hexlify (ble.config('mac')[1] , ':' ).decode().upper() )

mpremote的一点详细用法

mpremote的resume保证执行这个命令的前后不进行MCU的软复位

  • 列出MCU上的文件列表：

    mpremote connect /dev/ttyUSB0 resume ls

  • 打印MCU上的文件到电脑终端：

    mpremote connect /dev/ttyUSB0 resume cat file_on_mcu.txt

  • 从电脑传文件到MCU：

    mpremote connect /dev/ttyUSB0 resume cp 电脑上的文件 :MCU上的文件名

    冒号表示是MCU上的路径（没有这个冒号的话，就在电脑本地上复制了。然而cat和ls却没有冒号这个要求）

  • 传输单条python语句给MCU的Micropython去执行，并获取执行结果：

    mpremote connect /dev/ttyUSB0 resume eval "py语句"

  • 传文件到MCU的RAM内并让其Micropython马上执行（文件不会被写入Flash）

    mpremote connect /dev/ttyUSB0 resume run /path_on_pc/xxx.py

mpremote还有其他功能，其文档在这里

关于芯片、模组版本

截止2025年初，ESP32-C3的芯片版本有

- ...
- Rev v0.3 (ECO3) (CONFIG_ESP32C3_REV_MIN_3)
- Rev v0.4 (ECO4) (CONFIG_ESP32C3_REV_MIN_4)
- Rev v1.1 (CONFIG_ESP32C3_REV_MIN_101)

而编译MicroPython（v1.24.1）要求芯片版本>=0.3，IDF 5.x。

ESP32-C3 datasheet v2.0 (2024.11) 写的芯片命名、芯片版本、GPIO数量的关系：

- ESP32-C3      v0.4    22
- ESP32-C3FN4(停产)   v0.4    22
- ESP32-C3FH4   v0.4    22
- ESP32-C3FH4AZ (NRND)  v0.4    16
- ESP32-C3FH4X(推荐)  v1.1    16

（16GPIO的那些不再引出6个SPI FLASH的脚，不兼容原来的合宙ESP32-C3开发板的LED）

芯片丝印第二行是日期，最后一行的第二个字母代表芯片版本：

v0.0 XAXXXXXXXX
v0.1 XBXXXXXXXX
v0.2 XCXXXXXXXX
v0.3 XDXXXXXXXX
v0.4 XEXXXXXXXX
v1.1 XHXXXXXXXX

ESP32-C3 勘误表 v1.1 (2024.1) 写，ESP32-C3 模组量产了的之中只会含有以下版本芯片（及其对应识别码）：

v0.3 XXXXXX
v0.4 M4XXXX

ESP32-C3的ADC若与DMA一起用有bug，bug影响直到rev v1.1还有。

某牌子ESP32-C3模组问题解决

我买了芯片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。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

posted @ 2023-03-01 10:02  garywill  阅读(4449)  评论(0)    收藏  举报
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