MicroPython用于單片機實驗教學新模式的設計與研究

徐志江，饒 晨，徐 紅，彭 宏

（浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023）

1 現有單片機實驗教學存在的問題

目前各大高校在單片機及嵌入式的教學方面均開設“單片機原理及應用”“嵌入式系統”等相關課程。通過該方向的課程，學生了解到相關設備的硬件結構、各模塊功能、指令集操作、軟硬件的開發環境、嵌入式系統方面的一些基礎知識，而且大部分的課程是以課堂教學結合動手實驗操作的模式。實驗既鞏固了學生在課堂所學的相關理論知識，又培養了學生對于單片機、嵌入式系統的學習興趣，提高了學生的動手實踐能力，而這對于培養行業企業所需要的高素質應用型工程技術人才，是十分有幫助的。

現有的單片機教學一般采用“理論為主，實驗為輔”的教學模式[1]，現在課堂上都是講授單片機的硬件結構、匯編指令、外設的硬件結構及存儲器讀寫等相關知識，然后結合IO控制、AD、DA、中斷、定時器、DMA、I2C、SPI、串口、數碼管、LCD顯示等，做一些驗證性實驗。但是，現有的單片機實驗，必須在電腦上安裝好相應的開發環境，歷經編程、編譯、仿真調試、燒寫以及驗證等多個環節。在整個過程中，單個環節出錯往往會影響整體，哪怕出現一點問題，都必須重新來一遍[2]。也就是說，單片機實驗不能像解釋性語言一樣，在線修改、調試。經驗告訴我們，一個沒有單片機編程經驗的初學者，要想讓芯片跑起來，一旦出現問題，就要對照一兩千頁的英文文檔來排除，這絕非一天兩天學習就可以打下堅實的基礎，而需要長期的經驗積累。而且在實際的實驗教學場景中，一些學生由于編程基礎差，理解實驗模塊代碼較慢，而課堂時間又有限，學生難以感受到單片機實驗所帶來的樂趣，因而失去學習單片機課程的興趣。

2 MicroPython介紹

Python是一種結合了解釋性、編譯性、互動性和面向對象的腳本語言，擁有極其豐富的Python庫，由于其代碼語言易于理解，操作靈活，使其在許多領域得到廣泛應用，近幾年流行的數據挖掘、科學計算、人工智能以及區塊鏈技術等領域，都可以看到Python的身影[3]，甚至在一些高考項目領域，也出現Python的身影。近幾年，北京、浙江等省份的信息技術教材使用簡單易懂的Python語言替代晦澀難懂的VB語言，將Python語言設置為高考內容；山東等省份也將在最新出版的小學信息技術六年級教材加入Python內容。使用Python，只需要學會如何引用各個庫中的模塊，在代碼中實現相應的邏輯即可，免去了很多“重復造輪子”的工作，使編程變得純粹，節省開發時間。

MicroPython是基于Python3語言的一個精簡版實現，擁有自家的解析器、編譯器、虛擬機和類庫等，語法基本與Python一致。軟件底層使用ANSI C進行重構，封裝了C語言中的大部分函數，并且可以在資源受限的環境中運行。用C語言或者MicroPython語言實現相同的功能，MicroPython顯得尤為精簡，例如，MicroPython查看系統文件列表，只需要一行代碼就可以實現，但是C語言實現需要數十行的代碼。MicroPython包含了諸如交互式提示、任意精度整數、關閉、列表解析、生成器、異常處理等高級功能[4]。

在實際生活中，MicroPython也被用在越來越多的工程項目中。Matenat Khamphroo等人，使用支持MicroPython語言的STM32L432KC 168MHz Cortex M4處理器芯片，結合Thread網絡協議，制作了支持無線網絡的教育型移動機器人[5]。該機器人底層的MicroPython代碼結合Blockly（由Google提出的一種可視化編程語言），讓沒有基礎的編程初學者，通過圖形化的方式編寫代碼，實現相對應的功能。林賢煉等人則在物聯網領域使用MicroPython作為編程語言，實現了辦公設備的底層驅動以及上網功能[6]。Sebastian Plamauer等人更是基于復雜的小型衛星發射的軟件源代碼部分，比較了MicroPython和C語言的可讀性，發現并使用MicroPython作為編程語言，讓人們可以更專注于功能實現，明顯提高了代碼的可讀性[7]。文獻[8]是一本講述如何在micro:bit板子上實現開發的經典指導書籍。

3 基于MicroPython的單片機實驗教學

3.1 實驗教學改革思路與方案

MicroPython的流行必將推動著嵌入式系統[9]相關產業的高速發展。隨著嵌入式相關產業的需求不斷擴大，對相關專業人才的需求量也在不斷增加，嵌入式相關專業也會變得越來越熱門。單片機相關教學課程作為嵌入式系統的啟蒙教育，對學生在今后嵌入式系統方面的學習非常重要。因此我們針對現有單片機實驗教學中出現的學生編程基礎差、實驗上手慢、編譯調試耗時長等問題，提出了新的教學方案目標與思路。

考慮到隨著Python編程語言納入高考項目被越來越多的學生所使用，在單片機實驗教學時，因為編程語法的相近，有Python編程語言經驗的學生，在使用MicroPython語言編程時，會更加得心應手。因此我們的教學方案的目標是通過將MicroPython引入到單片機實驗課程中，一方面使學生不再畏懼編程，對于底層設備的操作更容易上手，不再被繁瑣的調試開發流程所困擾，采用MicroPython作為編程語言，學生可以實現在線調試，而無需經歷仿真調試、燒寫等過程。修改完代碼后，可以立即看到實驗結果，使學生更加專注于嵌入式系統設備的學習與操作，享受實驗成功所帶給他們的快感，從而能夠更容易地提升他們對于嵌入式相關課程的興趣，以真正達到實驗輔助理論的效果。另一方面，學生在具備單片機開發的基本知識之后，能夠更容易地深入嵌入式系統方面的學習當中，使其更好地具備現代嵌入式系統開發與研究的能力。

STM32單片機是目前市場上功能強、速度快、資源豐富、支持的型號多、適應性好、庫全面的一款非常適用于教學的單片機。同時，Python基于其跨平臺的特性，可以在Windows、Linux、Mac系統上直接運行。MicroPython結合兩者的長處，配合單片機課程的教學需要，研發制作模塊化、多功能、符合實際需求的單片機實驗裝置以及編寫配套實驗指導書。學生基于此單片機實驗裝置，可以直接進行相關的實驗操作，從而加強學生的學習興趣，進而提高對理論知識的認知、概念的理解，以強化教學效果；同時，對于培養學生的自學能力、創新能力都有重要的意義[10]。

3.2 簡約但不簡單的MicroPython開發板

開發板可選用官網（http://micropython.org/）指定的Pyboard，也可以采購國內最早支持MicroPython的專業開發板。

開發板非常簡潔，內嵌了一顆ST公司的Cortex-M4高性能芯片STM32F405RGT6，一顆I2C接口的3軸方向/運動檢測傳感器MMA7660，給整塊開發板供電的一顆LDO芯片，外接一個TF卡槽和USB座，兩顆按鍵，4顆紅、黃、綠、藍的LED指示燈以及CPU引腳接口。Pyboard內置了小型內部文件系統，存儲在微控制器的閃存，路徑是/ fl ash。如果將SD卡插入卡槽，路徑是/sd。Pyboard需要選擇一個文件系統來引導，優先使用/sd，如果沒有SD卡，它會使用內部文件系統/ fl ash作為引導文件系統。也可以根據需要在SD卡上創建空文件/lf ash/SKIPSD，Pyboard將會始終使用內部文件系統啟動。Pyboard把STM32F405RGT6這顆芯片的所有外設功能全部引出。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，如 AD、DA、SPI、I2C、Timer、CAN、UART等。這些外設的功能全部在MicroPython固件中實現了，只需在Python代碼中調用即可。另外，板子上的RST按鍵用于復位，USR按鍵用于普通的輸入按鍵。RST、USR按鍵結合黃、綠LED指示燈，具有“標準啟動”“安全啟動”和“重置Flash文件系統”這3種啟動模式。當Flash文件系統損壞而導致Pyboard不能正常運行時，可以使用“重置Flash文件系統”模式來修復。

Pyboard板子上的USB具有3個作用。一是USB的5V電壓經過LDO芯片，給整塊開發板供電；二是CPU內置的、至多1MB的Flash中，劃出96KB空間虛擬成可移動的U盤；三是USB轉串口，用戶通過這個虛擬串口實現REPL（Read Eval Print Loop，交互式解釋器）功能。U盤中有4個文件，其中boot.py是開發板啟動時的執行腳本，它設置了開發板的多個選項參數；main.py包含了Python程序的主要腳本，在boot.py運行后被執行；README.txt包含開啟開發板的必要基礎信息；pycdc.inf是USB設備連接的Windows 配置文件。

可以添加的設備包括GPRS、GPS、溫濕度傳感器、蜂鳴器、LCD、Camera等，充分利用Cortex-M4/M7處理器的所有外設功能，能夠完成常用的單片機實驗，如控制LED燈亮滅實驗、PWM呼吸燈實驗、流水燈實驗、ADC實驗、OLED液晶屏顯示實驗、DHT11測試溫度實驗等[11-12]。在此基礎上，結合WiFi、LAN等模塊，輕易地實現多對多的廣域的網絡通信[13]。

通過內嵌的USB轉虛擬串口，MicorPython板與電腦USB相連接，即可進行REPL交互。REPL允許用戶和MicorPython的交互式連接，使用REPL是迄今為止來測試代碼和運行命令的最簡單的方法。如果學生熟悉Python，非常容易上手。

3.3 層次化實驗內容設計

結合單片機相關課程的理論內容，充分考慮嵌入式系統開發的特點，配合不同層次實驗教學的需要，以實踐為主導的立體化方式進行單片機教學，符合學生在學習過程中由淺入深、由易到難、由硬件到軟件、由基礎到綜合、由驗證到創新的規律[10,14]。設計的實驗項目既能用MicroPython快速編寫、調試程序，完成常規的單片機實驗，也能在WiFi、LAN、GPRS、Camera等模塊的支持下，完成基于物聯網思想的實驗[15]。更重要的是，對于科研能力較強的學生，還可以用C語言編寫各種外設的固件，再結合C與Python的接口，把它集成到定制的開發板來。

淺顯、易懂的實驗，以呼吸燈為例，Pyboard上的藍色LED 燈比較特別，在讓其亮滅的同時通過函數intensity()的方法控制其亮度，亮度值在0～255之間。代碼3.1實現了藍色LED循環漸亮然后熄滅的過程，實現了呼吸燈功能。對于其它的LED燈，調用toggle()函數，配合delay()，實現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外設的寄存器中去掉了寫保護；第7行為Micropython修飾符，表明后續的第8～11行點亮LED燈的函數led_on()采用的是ARM匯編代碼，內嵌匯編與匯編語言非常相似。MircoPython規定寄存器r0視為一個整數，其數值在函數返回時供使用者調用，因為Python所有對象都是整數。

上述幾個例子，均可以直接在REPL下輸入、調試和驗證。雖然Python具有代碼簡潔、編程速度快等優勢，但與C語言相比，其執行的速度要慢很多（可能差100倍），在一些實時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，添加相應的功能，然后再在Python代碼中調用。因此，對具有一定創新和科研能力的學生，MicroPython不僅要求掌握Python語言，也需要很好地掌握CPU架構和C語言。以一個協議解析為例說明調用接口。

如代碼3.3所示，該協議函數添加在CPU的UART外設中。函數的入口參數為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據長度；第9、10、16、17、27、28和30行表明了解析函數的返回為字典ret，該字典有兩個key，分別是“poor_signal”和“asic_eeg”；其中第17行指出“poor_signal”值為整數10；第12～14行為從傳入的buf_in中讀取數據；第19～28行指出，“asic_eeg”返回的是長度為8的元組tuple，元組中的每個元素值為整數，其值由傳入的buf_in給出；第32行表示analyse()函數有2個入口參數；第36行表示在UART中添加了analyse()這個函數。第39～42行為在REPL中，從串口接收數據，然后調用解析函數的過程。

3.4 MicroPython實驗教學的特色

基于MicroPython的單片機實驗教學，使得單片機容易上手，學生通過MicroPython可以輕松實現對微控制器的控制，這能夠在一定程度上提高學生的興趣。最直觀來說，哪怕對于不懂C語言基礎的學生來說，簡單的控制也非常容易，只需要幾行MicroPython腳本語言，就能實現硬件底層的訪問和控制，如控制LED燈、LCD顯示器、讀取電壓、模擬鼠標等操作，這就讓更多的計算機初學者也能來動手做硬件DIY，完全顛覆了對傳統單片機學習的認知，整個實驗的過程變得簡單明了。

在實驗教材的編寫方面，可以將實驗內容標識為不同層次，加入可選步驟，便于區分選擇。學生可以根據自己相應水平能力與興趣，按不同難度層次自主選擇單片機相關的實驗項目，結合不同的外置傳感器和通信模塊來定制實驗內容，滿足各種學習需求，有助于培養本科生的研究、探索、實踐、創新能力。

4 結語

近年來，隨著計算機技術以及相關技術的高速發展，嵌入式技術在越來越多的領域發揮著重要的作用，國家、行業企業對嵌入式專業人才的需求也越來越迫切，而各個高校所開設的單片機以及嵌入式相關課程，無疑對人才的培養起到關鍵性的啟蒙作用。將MicroPython與單片機實驗教學相結合，使學生能夠以一種新的模式學習嵌入式編程，更容易將所學的理論與實際相結合。這對于培養學生的動手實踐能力，提高對于新技術的動手開發能力具有重要意義。