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

GitHub repo.

Wei Lin
2019-4-2

[使用情境]

先說說使用情境，合用的話再往下看:

使用 PC 透過 bus-converter 驅動 I2C / SPI / GPIO / UART 介面的周邊裝置
- 例如控制 SPI介面的 SX1278 LoRa transceiver, 直接收發 LoRa 訊息封包。
在 PC上模擬 ESP32 / Raspberry 的 I2C/SPI/GPIO/UART介面物件，以便在 PyCharm 的環境下開發周邊裝置的驅動程式，可以設定中斷點並隨時檢視變數值。
- 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。

[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:
- 這些驅動程式原本是對接例如 machine.SPI 或 spidev.SpiDev 之類的介面物件，與 PyFtdi 所提供的 SPI操作函數有不少功能與定義上的差異，因此需要製作一層 Adapters，以便讓這些驅動程式能和 PyFtdi 無縫接軌，驅動周邊裝置。
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。

FT232H	FT2232H	CH341A

[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

模擬 machine.I2C

# 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)

模擬 machine.SPI

# 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()

模擬 machine.Pin

# 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())

模擬 machine.UART

# 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

模擬 smbus2.SMbus

# 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)

模擬 spidev.SpiDev

# 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)

模擬 RPi.GPIO

# 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)

模擬 pySerial.Serial

# 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

Wei

2019年4月3日星期三

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模擬 Raspberry Pi 上的介面

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