2019年4月3日 星期三

Bridges - 讓 PC 像 Raspberry Pi 或 ESP32 一樣 連接 I2C / SPI / GPIO / UART 週邊裝置

Wei Lin
2019-4-2

[使用情境]

先說說 使用情境，合用的話再往下看:

[緣由]

  • 需要使用PC 直接連接 I2C/SPI/GPIO/UART介面的周邊裝置:
    • 最初是因為手上的一個 Python 專案，必須連接上某個 SPI 介面的裝置抓取資料來計算。
    • PC環境下的 運算能量，與強大的 Python套件資源，可以做到一些在 MicroPython + ESP32 甚至 Raspberry Pi 上無法做到的事情。
    • 但是因為 PC 上並沒有 外接的SPI介面 可供連接，必須透過轉換器。
  • 轉換器 的選擇:
    • 市面上有很多種 USB to I2C/SPI/GPIO/UART 的轉換器，常見的有 FTDI 的 FT232H (1 channel) / FT2232H (2 channels) 和 WCH 的 CH341...等數種。 FTDI 的文件與開發資源相當齊全，開發上相對容易一些。
    • 已經有很多 libraries/套件 可以用來驅動 FTDI 的晶片，但考慮跨平台的可攜性，最後選擇使用 PyFtdi，它透過 PyUSB 下達指令給 FTDI 晶片，相依的中間曾套件比較少一點。另外我們還...
  • 需要 裝置的驅動程式:
    • 可以透過 FT232H/FT2232H，與 I2C/SPI/GPIO/UART 的週邊裝置溝通，但是另外還需要 裝置專屬的驅動程式。例如要驅動 OLED display，就需要 SSD1306 (顯示面板控制 IC)的驅動程式。
    • 這些針對性的驅動程式 普遍地存在於 ESP8266 / ESP32 / Raspberry Pi 的生態圈中，許多是使用 (Mico)Python 撰寫的，有些不須修改，或者經過少許修改，就可以直接在 PC 上執行，因此可能可以重複利用，不須重新開發，但是...
  • 需要 Adapters 來轉換介面:
  • 將 PC 視同是 ESP8266 / ESP32 / Raspberry Pi:
    • 如果裝置的驅動程式可以在PC上執行，而它所面對的 SPI介面物件，行為上和 ESP32上的SPI介面物件 一模一樣，那麼對 裝置的驅動程式 而言，PC就視同是一片 ESP32，因此在特定情況下，PC就等同是一個 ESP32 的模擬器，這樣我們就可以...
  • 運用PC上強大的開發資源與除錯環境:
    • 例如在開發裝置驅動程式的時候，就可以用例如 PyCharm 之類強大的 IDE，可以設定中斷點，並隨時監看變數值，應該會相當方便。
    • 不需要插入許多 print 指令，也不需要重複地 上傳程式碼到 控制器 上，程式整潔並節省開發時間。
FT232HFT2232HCH341A

[目標]

  • 寫一套 package，要能在PC上 模擬 MicroPython+ESP8266/ESP32 和 Raspberry Pi 上的 buses 功能界面：
    • 模擬 MicroPython + ESP8266 / ESP32 環境下的:
      • machine.I2C
      • machine.SPI
      • machine.Pin
      • machine.UART
    • 模擬 Raspberry Pi 環境下的:
      • smbus2.SMbus
      • spidev.SpiDev
      • RPi.GPIO
      • PySerial.Serial
  • 要能搭配各種轉接器
    • 可同時連接多個轉換器，可擴增的 buses 數量只受到 USB bus 裝置數量上限 與 供電能力上 的限制。
  • 要能在 Windows / Linux 下通用
    • 同一套程式通用，不須做任何修改。
  • 可以在 PC / Raspberry Pi 或其他可以使用 PyFtdi 套件的機器上通用
    • 同一套程式通用，不須做任何修改。

[使用方式]

模擬 MicroPython + ESP8266 / ESP32 上的介面

# 在 MicroPython 的環境下
from machine import I2C

i2c = I2C(freq = 400000) 

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.i2c import I2cController
I2C = I2cController().I2C

i2c = I2C(freq = 400000)

# 在 MicroPython 的環境下
from machine import SPI

spi = SPI(id, baudrate = 10000000, polarity = 0, phase = 0)
spi.init()

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.spi import SpiController 
SPI = SpiController().SPI

spi = SPI(id, baudrate = 10000000, polarity = 0, phase = 0) 
spi.init()

# 在 MicroPython 的環境下
from machine import Pin 

p0 = Pin(0, Pin.OUT) 
p0.value(0)
p0.value(1)

p2 = Pin(2, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
print(p2.value())

# 在 PC 的環境下
from bridges.interfaces.micropython.machine import Pin
from bridges.ftdi.controllers.gpio import GpioController 
machine = GpioController()  

p0 = machine.Pin(0, mode = Pin.OUT)
p0.value(0)
p0.value(1)

p2 = machine.Pin(2, mode = Pin.IN)
print(p2.value())

# 在 MicroPython 的環境下
from machine import UART

uart = UART(1, 9600) 
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1)

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.uart import UartController
UART = UartController().UART

uart = UART(1, 9600)
uart.init(9600, bits=8, parity=None, stop=1)

模擬 Raspberry Pi 上的介面

# 在 Raspberry Pi 的環境下
from smbus2 import SMBus 

bus = SMBus(1)
b = bus.read_byte_data(80, 0)
print(b) 

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.i2c import I2cController
SMBus = I2cController().SMBus

bus = SMBus(1)  # the bus number actually doesn't matter.
b = bus.read_byte_data(80, 0)
print(b) 

# 在 Raspberry Pi 的環境下
import spidev

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(bus, device)
to_send = [0x01, 0x02, 0x03]
spi.xfer(to_send)

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.spi import SpiController
spidev = SpiController() 

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(bus, device)
to_send = [0x01, 0x02, 0x03]
spi.xfer(to_send)


# 在 Raspberry Pi 的環境下
import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 
GPIO.setup(6, GPIO.OUT)

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.adapters.rpi.RPi import GPIO 

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  # mode actuall doesn't  matter.
GPIO.setup(6, GPIO.OUT)


# 在 Raspberry Pi 的環境下
import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0') 

print(ser.name)        
ser.write(b'hello')     
ser.close()            

# 在 PC 的環境下
from bridges.ftdi.controllers.uart import UartController
ser = UartController().Serial() 

print(ser.name)        
ser.write(b'hello')     
ser.close()

[測試實例]

  • Breakpoints and variables inspection 


  • Transceive LoRa packages directly from your laptop 


Notes

  • 目前主要支援 FTDI 晶片。CH341 下只有 I2C 和 GPIO 功能，無 SPI，但 UART 可直接透過 原廠的 driver 驅動
  • FTDI 晶片的限制
    • 無 IRQ。因為 FT232H/FT2232H 並沒有 "interrupt input" 類型的 endpoint，要模擬 IRQ 的功能只能用 polling 的方式，太耗費 CPU 資源。
    • 無 PWM。PyFtdi、FT232H/FT2232H 並沒有支援。
    • 同一個 channel中，GPIO 的功能無法和 I2C/UART 共存，但是可以和 SPI共存。
    • GPIO 無 pull-up / pull-down 功能

References

於

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