MicroPython用于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的設(shè)計(jì)與研究

徐志江，饒 晨，徐 紅，彭 宏

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前各大高校在單片機(jī)及嵌入式的教學(xué)方面均開設(shè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)”等相關(guān)課程。通過該方向的課程，學(xué)生了解到相關(guān)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)、各模塊功能、指令集操作、軟硬件的開發(fā)環(huán)境、嵌入式系統(tǒng)方面的一些基礎(chǔ)知識(shí)，而且大部分的課程是以課堂教學(xué)結(jié)合動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作的模式。實(shí)驗(yàn)既鞏固了學(xué)生在課堂所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)于單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，而這對(duì)于培養(yǎng)行業(yè)企業(yè)所需要的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才，是十分有幫助的。

現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)一般采用“理論為主，實(shí)驗(yàn)為輔”的教學(xué)模式[1]，現(xiàn)在課堂上都是講授單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、匯編指令、外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)器讀寫等相關(guān)知識(shí)，然后結(jié)合IO控制、AD、DA、中斷、定時(shí)器、DMA、I2C、SPI、串口、數(shù)碼管、LCD顯示等，做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。但是，現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，必須在電腦上安裝好相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，歷經(jīng)編程、編譯、仿真調(diào)試、燒寫以及驗(yàn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)。在整個(gè)過程中，單個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)往往會(huì)影響整體，哪怕出現(xiàn)一點(diǎn)問題，都必須重新來一遍[2]。也就是說，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)不能像解釋性語言一樣，在線修改、調(diào)試。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一個(gè)沒有單片機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者，要想讓芯片跑起來，一旦出現(xiàn)問題，就要對(duì)照一兩千頁的英文文檔來排除，這絕非一天兩天學(xué)習(xí)就可以打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。而且在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景中，一些學(xué)生由于編程基礎(chǔ)差，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)K代碼較慢，而課堂時(shí)間又有限，學(xué)生難以感受到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)所帶來的樂趣，因而失去學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的興趣。

2 MicroPython介紹

Python是一種結(jié)合了解釋性、編譯性、互動(dòng)性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，擁有極其豐富的Python庫(kù)，由于其代碼語言易于理解，操作靈活，使其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近幾年流行的數(shù)據(jù)挖掘、科學(xué)計(jì)算、人工智能以及區(qū)塊鏈技術(shù)等領(lǐng)域，都可以看到Python的身影[3]，甚至在一些高考項(xiàng)目領(lǐng)域，也出現(xiàn)Python的身影。近幾年，北京、浙江等省份的信息技術(shù)教材使用簡(jiǎn)單易懂的Python語言替代晦澀難懂的VB語言，將Python語言設(shè)置為高考內(nèi)容；山東等省份也將在最新出版的小學(xué)信息技術(shù)六年級(jí)教材加入Python內(nèi)容。使用Python，只需要學(xué)會(huì)如何引用各個(gè)庫(kù)中的模塊，在代碼中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯即可，免去了很多“重復(fù)造輪子”的工作，使編程變得純粹，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

MicroPython是基于Python3語言的一個(gè)精簡(jiǎn)版實(shí)現(xiàn)，擁有自家的解析器、編譯器、虛擬機(jī)和類庫(kù)等，語法基本與Python一致。軟件底層使用ANSI C進(jìn)行重構(gòu)，封裝了C語言中的大部分函數(shù)，并且可以在資源受限的環(huán)境中運(yùn)行。用C語言或者M(jìn)icroPython語言實(shí)現(xiàn)相同的功能，MicroPython顯得尤為精簡(jiǎn)，例如，MicroPython查看系統(tǒng)文件列表，只需要一行代碼就可以實(shí)現(xiàn)，但是C語言實(shí)現(xiàn)需要數(shù)十行的代碼。MicroPython包含了諸如交互式提示、任意精度整數(shù)、關(guān)閉、列表解析、生成器、異常處理等高級(jí)功能[4]。

在實(shí)際生活中，MicroPython也被用在越來越多的工程項(xiàng)目中。Matenat Khamphroo等人，使用支持MicroPython語言的STM32L432KC 168MHz Cortex M4處理器芯片，結(jié)合Thread網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，制作了支持無線網(wǎng)絡(luò)的教育型移動(dòng)機(jī)器人[5]。該機(jī)器人底層的MicroPython代碼結(jié)合Blockly（由Google提出的一種可視化編程語言），讓沒有基礎(chǔ)的編程初學(xué)者，通過圖形化的方式編寫代碼，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能。林賢煉等人則在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域使用MicroPython作為編程語言，實(shí)現(xiàn)了辦公設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)以及上網(wǎng)功能[6]。Sebastian Plamauer等人更是基于復(fù)雜的小型衛(wèi)星發(fā)射的軟件源代碼部分，比較了MicroPython和C語言的可讀性，發(fā)現(xiàn)并使用MicroPython作為編程語言，讓人們可以更專注于功能實(shí)現(xiàn)，明顯提高了代碼的可讀性[7]。文獻(xiàn)[8]是一本講述如何在micro:bit板子上實(shí)現(xiàn)開發(fā)的經(jīng)典指導(dǎo)書籍。

3 基于MicroPython的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路與方案

MicroPython的流行必將推動(dòng)著嵌入式系統(tǒng)[9]相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。隨著嵌入式相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求不斷擴(kuò)大，對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的需求量也在不斷增加，嵌入式相關(guān)專業(yè)也會(huì)變得越來越熱門。單片機(jī)相關(guān)教學(xué)課程作為嵌入式系統(tǒng)的啟蒙教育，對(duì)學(xué)生在今后嵌入式系統(tǒng)方面的學(xué)習(xí)非常重要。因此我們針對(duì)現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生編程基礎(chǔ)差、實(shí)驗(yàn)上手慢、編譯調(diào)試耗時(shí)長(zhǎng)等問題，提出了新的教學(xué)方案目標(biāo)與思路。

考慮到隨著Python編程語言納入高考項(xiàng)目被越來越多的學(xué)生所使用，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，因?yàn)榫幊陶Z法的相近，有Python編程語言經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，在使用MicroPython語言編程時(shí)，會(huì)更加得心應(yīng)手。因此我們的教學(xué)方案的目標(biāo)是通過將MicroPython引入到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中，一方面使學(xué)生不再畏懼編程，對(duì)于底層設(shè)備的操作更容易上手，不再被繁瑣的調(diào)試開發(fā)流程所困擾，采用MicroPython作為編程語言，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，而無需經(jīng)歷仿真調(diào)試、燒寫等過程。修改完代碼后，可以立即看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生更加專注于嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的學(xué)習(xí)與操作，享受實(shí)驗(yàn)成功所帶給他們的快感，從而能夠更容易地提升他們對(duì)于嵌入式相關(guān)課程的興趣，以真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)輔助理論的效果。另一方面，學(xué)生在具備單片機(jī)開發(fā)的基本知識(shí)之后，能夠更容易地深入嵌入式系統(tǒng)方面的學(xué)習(xí)當(dāng)中，使其更好地具備現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與研究的能力。

STM32單片機(jī)是目前市場(chǎng)上功能強(qiáng)、速度快、資源豐富、支持的型號(hào)多、適應(yīng)性好、庫(kù)全面的一款非常適用于教學(xué)的單片機(jī)。同時(shí)，Python基于其跨平臺(tái)的特性，可以在Windows、Linux、Mac系統(tǒng)上直接運(yùn)行。MicroPython結(jié)合兩者的長(zhǎng)處，配合單片機(jī)課程的教學(xué)需要，研發(fā)制作模塊化、多功能、符合實(shí)際需求的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置以及編寫配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。學(xué)生基于此單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，可以直接進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，從而加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知、概念的理解，以強(qiáng)化教學(xué)效果；同時(shí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力都有重要的意義[10]。

3.2 簡(jiǎn)約但不簡(jiǎn)單的MicroPython開發(fā)板

開發(fā)板可選用官網(wǎng)（http://micropython.org/）指定的Pyboard，也可以采購(gòu)國(guó)內(nèi)最早支持MicroPython的專業(yè)開發(fā)板。

開發(fā)板非常簡(jiǎn)潔，內(nèi)嵌了一顆ST公司的Cortex-M4高性能芯片STM32F405RGT6，一顆I2C接口的3軸方向/運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器MMA7660，給整塊開發(fā)板供電的一顆LDO芯片，外接一個(gè)TF卡槽和USB座，兩顆按鍵，4顆紅、黃、綠、藍(lán)的LED指示燈以及CPU引腳接口。Pyboard內(nèi)置了小型內(nèi)部文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)在微控制器的閃存，路徑是/ fl ash。如果將SD卡插入卡槽，路徑是/sd。Pyboard需要選擇一個(gè)文件系統(tǒng)來引導(dǎo)，優(yōu)先使用/sd，如果沒有SD卡，它會(huì)使用內(nèi)部文件系統(tǒng)/ fl ash作為引導(dǎo)文件系統(tǒng)。也可以根據(jù)需要在SD卡上創(chuàng)建空文件/lf ash/SKIPSD，Pyboard將會(huì)始終使用內(nèi)部文件系統(tǒng)啟動(dòng)。Pyboard把STM32F405RGT6這顆芯片的所有外設(shè)功能全部引出。這些管腳既可以用作普通的GPIO口，又可以用于特殊功能的外設(shè)，如 AD、DA、SPI、I2C、Timer、CAN、UART等。這些外設(shè)的功能全部在MicroPython固件中實(shí)現(xiàn)了，只需在Python代碼中調(diào)用即可。另外，板子上的RST按鍵用于復(fù)位，USR按鍵用于普通的輸入按鍵。RST、USR按鍵結(jié)合黃、綠LED指示燈，具有“標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)”“安全啟動(dòng)”和“重置Flash文件系統(tǒng)”這3種啟動(dòng)模式。當(dāng)Flash文件系統(tǒng)損壞而導(dǎo)致Pyboard不能正常運(yùn)行時(shí)，可以使用“重置Flash文件系統(tǒng)”模式來修復(fù)。

Pyboard板子上的USB具有3個(gè)作用。一是USB的5V電壓經(jīng)過LDO芯片，給整塊開發(fā)板供電；二是CPU內(nèi)置的、至多1MB的Flash中，劃出96KB空間虛擬成可移動(dòng)的U盤；三是USB轉(zhuǎn)串口，用戶通過這個(gè)虛擬串口實(shí)現(xiàn)REPL（Read Eval Print Loop，交互式解釋器）功能。U盤中有4個(gè)文件，其中boot.py是開發(fā)板啟動(dòng)時(shí)的執(zhí)行腳本，它設(shè)置了開發(fā)板的多個(gè)選項(xiàng)參數(shù)；main.py包含了Python程序的主要腳本，在boot.py運(yùn)行后被執(zhí)行；README.txt包含開啟開發(fā)板的必要基礎(chǔ)信息；pycdc.inf是USB設(shè)備連接的Windows 配置文件。

可以添加的設(shè)備包括GPRS、GPS、溫濕度傳感器、蜂鳴器、LCD、Camera等，充分利用Cortex-M4/M7處理器的所有外設(shè)功能，能夠完成常用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，如控制LED燈亮滅實(shí)驗(yàn)、PWM呼吸燈實(shí)驗(yàn)、流水燈實(shí)驗(yàn)、ADC實(shí)驗(yàn)、OLED液晶屏顯示實(shí)驗(yàn)、DHT11測(cè)試溫度實(shí)驗(yàn)等[11-12]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合WiFi、LAN等模塊，輕易地實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的廣域的網(wǎng)絡(luò)通信[13]。

通過內(nèi)嵌的USB轉(zhuǎn)虛擬串口，MicorPython板與電腦USB相連接，即可進(jìn)行REPL交互。REPL允許用戶和MicorPython的交互式連接，使用REPL是迄今為止來測(cè)試代碼和運(yùn)行命令的最簡(jiǎn)單的方法。如果學(xué)生熟悉Python，非常容易上手。

3.3 層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

結(jié)合單片機(jī)相關(guān)課程的理論內(nèi)容，充分考慮嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特點(diǎn)，配合不同層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，以實(shí)踐為主導(dǎo)的立體化方式進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，符合學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由淺入深、由易到難、由硬件到軟件、由基礎(chǔ)到綜合、由驗(yàn)證到創(chuàng)新的規(guī)律[10,14]。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既能用MicroPython快速編寫、調(diào)試程序，完成常規(guī)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，也能在WiFi、LAN、GPRS、Camera等模塊的支持下，完成基于物聯(lián)網(wǎng)思想的實(shí)驗(yàn)[15]。更重要的是，對(duì)于科研能力較強(qiáng)的學(xué)生，還可以用C語言編寫各種外設(shè)的固件，再結(jié)合C與Python的接口，把它集成到定制的開發(fā)板來。

淺顯、易懂的實(shí)驗(yàn)，以呼吸燈為例，Pyboard上的藍(lán)色LED 燈比較特別，在讓其亮滅的同時(shí)通過函數(shù)intensity()的方法控制其亮度，亮度值在0～255之間。代碼3.1實(shí)現(xiàn)了藍(lán)色LED循環(huán)漸亮然后熄滅的過程，實(shí)現(xiàn)了呼吸燈功能。對(duì)于其它的LED燈，調(diào)用toggle()函數(shù)，配合delay()，實(shí)現(xiàn)LED燈的閃爍。

Damien打造的MicroPython突破了Python操控底層的限制。如代碼3.2所示，第4、5行直接在訪問RTC外設(shè)的寄存器中去掉了寫保護(hù)；第7行為Micropython修飾符，表明后續(xù)的第8～11行點(diǎn)亮LED燈的函數(shù)led_on()采用的是ARM匯編代碼，內(nèi)嵌匯編與匯編語言非常相似。MircoPython規(guī)定寄存器r0視為一個(gè)整數(shù)，其數(shù)值在函數(shù)返回時(shí)供使用者調(diào)用，因?yàn)镻ython所有對(duì)象都是整數(shù)。

上述幾個(gè)例子，均可以直接在REPL下輸入、調(diào)試和驗(yàn)證。雖然Python具有代碼簡(jiǎn)潔、編程速度快等優(yōu)勢(shì)，但與C語言相比，其執(zhí)行的速度要慢很多（可能差100倍），在一些實(shí)時(shí)性要求很高的情況下，必須采用C語言來編寫。為此，必須修改MicroPython固件，添加相應(yīng)的功能，然后再在Python代碼中調(diào)用。因此，對(duì)具有一定創(chuàng)新和科研能力的學(xué)生，MicroPython不僅要求掌握Python語言，也需要很好地掌握CPU架構(gòu)和C語言。以一個(gè)協(xié)議解析為例說明調(diào)用接口。

如代碼3.3所示，該協(xié)議函數(shù)添加在CPU的UART外設(shè)中。函數(shù)的入口參數(shù)為buf_in，一般以bytearray或者bytes的類型傳入。第4～7行，分析了傳入的類型以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；第9、10、16、17、27、28和30行表明了解析函數(shù)的返回為字典ret，該字典有兩個(gè)key，分別是“poor_signal”和“asic_eeg”；其中第17行指出“poor_signal”值為整數(shù)10；第12～14行為從傳入的buf_in中讀取數(shù)據(jù)；第19～28行指出，“asic_eeg”返回的是長(zhǎng)度為8的元組tuple，元組中的每個(gè)元素值為整數(shù)，其值由傳入的buf_in給出；第32行表示analyse()函數(shù)有2個(gè)入口參數(shù)；第36行表示在UART中添加了analyse()這個(gè)函數(shù)。第39～42行為在REPL中，從串口接收數(shù)據(jù)，然后調(diào)用解析函數(shù)的過程。

3.4 MicroPython實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特色

基于MicroPython的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得單片機(jī)容易上手，學(xué)生通過MicroPython可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器的控制，這能夠在一定程度上提高學(xué)生的興趣。最直觀來說，哪怕對(duì)于不懂C語言基礎(chǔ)的學(xué)生來說，簡(jiǎn)單的控制也非常容易，只需要幾行MicroPython腳本語言，就能實(shí)現(xiàn)硬件底層的訪問和控制，如控制LED燈、LCD顯示器、讀取電壓、模擬鼠標(biāo)等操作，這就讓更多的計(jì)算機(jī)初學(xué)者也能來動(dòng)手做硬件DIY，完全顛覆了對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)學(xué)習(xí)的認(rèn)知，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程變得簡(jiǎn)單明了。

在實(shí)驗(yàn)教材的編寫方面，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容標(biāo)識(shí)為不同層次，加入可選步驟，便于區(qū)分選擇。學(xué)生可以根據(jù)自己相應(yīng)水平能力與興趣，按不同難度層次自主選擇單片機(jī)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合不同的外置傳感器和通信模塊來定制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足各種學(xué)習(xí)需求，有助于培養(yǎng)本科生的研究、探索、實(shí)踐、創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，國(guó)家、行業(yè)企業(yè)對(duì)嵌入式專業(yè)人才的需求也越來越迫切，而各個(gè)高校所開設(shè)的單片機(jī)以及嵌入式相關(guān)課程，無疑對(duì)人才的培養(yǎng)起到關(guān)鍵性的啟蒙作用。將MicroPython與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生能夠以一種新的模式學(xué)習(xí)嵌入式編程，更容易將所學(xué)的理論與實(shí)際相結(jié)合。這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高對(duì)于新技術(shù)的動(dòng)手開發(fā)能力具有重要意義。