Raspberry Pi Pico C/C++语言开发环境搭建 Raspberry Pi Pico C/C++ SDK

Raspberry Pi Pico是树莓派基金会在2021年1月新发布的微处理器新品。使用基金会自己研发的RP2040芯片,国内现在整个开发板模块售价为30-40元左右。相较于树莓派的其它‘微电脑’型号,这一款产品因为是单片机MCU型的,其最高运行频率可达到133MHz,对IO及模拟信号的操作和处理有更低的时间延迟,可以弥补Raspberry Pi物理互动方面的不足,更类似于‘Arduino’开发板。

官网上的性能介绍:

  • 双核Arm Cortex M0 +处理器,运行频率高达133 MHz
  • 264KB的SRAM和2MB的板载闪存
  • 模块允许直接焊接到载板
  • 具有设备和主机支持的USB 1.1
  • 低功耗睡眠和休眠模式
  • 通过USB使用大容量存储进行拖放编程
  • 26个多功能GPIO引脚
  • 2个SPI,2个I2C,2个UART,3个12位ADC,16个可控PWM通道
  • 片上准确的时钟和计时器
  • 温度感应器
  • 片上加速浮点库
  • 8个可编程I / O(PIO)状态机,用于自定义外围设备支持
  • 可通过 Micro USB 供电,也支持 1.8-5.5 V 直流电源供电。
  • 配备 1 个 LED 灯和一个开关按钮。按钮用于BootSel,也就是向 Pico 烧录程序时控制 Pico 进入 USB 大容量存储模式,也可用于通用的输入按键。使用Pico开发,开发用的设备可以使用树莓派微电脑Linux也可以PC机上的Windows。对于大多人来说使用PC机来开发相对会方便些,当然如果你是树莓派的重度爱好者,使用树莓派微电脑也是得心应手。编程语言可以使用Python,也可以使用C/C++,它们都需要安装相应的SDK和相关的支持软件。安装步骤烦多,不如其它知名MCU的开发环境来的简单。下面就来分享一下Windows操作系统下的C/C++开发环境的搭建。首先是需要安装五个支持工具软件。比较多,建议先全部下载相应的版本。注意的是官方提示这些只在WIN10环境下使用,在WIN7等不保证能正常使用。

    五个支持软件,为方便下载这里同时给出下载地址。
    ARM GCC compiler
    https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloadsCMake
    https://cmake.org/download/
    这个需要下载3.19.5版本,新的3.20似乎没法正常工作可以在Github下找到
    https://github.com/Kitware/CMake/releases
    Build Tools for Visual Studio 2019
    https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/downloads/
    可以选择社区版

    Python 3.9
    https://www.python.org/downloads/windows/

    Git
    https://git-scm.com/download/win

    ARM GCC compiler的安装
    这个编译器安装没什么好说的,直接下一步、下一步就完事了。在安装完成时,最后的选项选择时,全选。

    CMake

    在安装过程中,当安装程序提示时,将CMake添加到所有用户的系统路径中。

    Build Tools for Visual Studio 2019

    这里我是安装VS2019社区版,安装选项为‘使用C++的桌面开发’,‘Windows10 SDK’必须要打勾。

    Python 3.9

    在安装过程中,选择“为所有用户”安装了该软件,并选择将Python 3.9添加到系统PATH中。 在Python末尾提示时,应该选择禁用MAX_PATH长度限制。

    Git

    注意下面3个选项要选上。


    获取SDK和例程
    以上软件安装完成后,重启一下PC。
    重启后在硬盘上新建一个文件夹,我这里是在C盘中新建一个名为‘SDK’的目录。

    选定‘SDK’后按鼠标右键,选‘Git Bash Here’。

    进入Git界面后,分别输入如下指令

    git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-sdk.git
    cd pico-sdk
    git submodule update –init
    cd ..
    git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-examples.git

    执行时的界面如下。

    上面已经安装完工具链软件以及Pico的C/C++SDK,编译源代码时如果要使用命令行方式会比较麻烦,这里不说,下面介绍的是使用微软的Visual Studio Code去编译源代码。如果你没有安装VS Code,还需要到https://code.visualstudio.com/download下载安装。(关于如何在VS Code安装中文汉化包请自行了解)

    安装完成后还需要为其设置之前的工具链软件和SDK路径。

    首先在开始菜单找到Visual Studio 2019的Developer Command Prompt菜单并打开。

    在打开的指令窗口中输入code,则会打开设置了所有正确环境变量的Visual Studio Code,以便正确配置工具链。注意不要直接点桌面的VSCode打开它,这会可能导致配置的失败,除非你足够的熟悉了解它和相关的工具链软件。

    在打开的VS Code中安装,CMake Tools。

    安装CMake Tooks扩展后,点齿轮状图标,打开设置项进行SDK路径设置。

    找到Cmake:Configure Environment项,并增加一个PICO_SDK_PATH项,项目的值就为上面下载SDK时的路径。

    找到Cmake:Generator项,加值’NMake Makefiles’ 。

    至此完成了环境的搭建。

    下面就可以用下载下来的SDK例子进行编译测试。
    在VS Code打开下载的pico-examples目录,打开后CMake自动配置。

    活动工具包需要选择 ‘GCC for arm-none-eabi’。生成后,则进行编译。编译完成的文件会被放在例子目录下的build目录下。注意,如果编译不能进行,则要尝试用Visual Studio 2019的Developer Command Prompt菜单来打开VS Code。


    编译中的界面。

    编译完成后,则可以下载文件到Pico下进行测试。为了直观查看,可以使用blink例子,这个例程就是让板上连接到GPIO25的LED闪烁。首先在pico-examples\build\blink目录下找到编译好的blink.uf2文件。

    然后按着Pico的BootSel按钮,把Pico接入PC的USB端口,这时会在PC上出现一个名为RPI-RP2的存储盘,把blink.uf2拖入该盘中,写入后,Pico自动重启并运行程序,让LED闪烁。

可USB校时的时钟

有几块以前用剩下的时钟PCB,想把它做起来,放到桌面上看时间用。RTC芯片用的是DS1302,晶振使用32.768kHZ,因为晶振误差等原因,走时会有比较大的误差,所以修改一下程序,加上个USB转串,USB连接到工作电脑上,可以方便校对时间。

焊好的电路板 3D打印外壳

加入USB转串模块

编写个校时程序

常用串行EEPROM的编程应用(三)

SPI总线

SPI总线(Serial Peripheral Interface串行外围设备接口总线)是三线式的串行总线,是由摩托罗拉公司所研发,使用三线进行数据传输,分别是SCK时钟引脚,SI数据输入引脚和SO数据输出引脚,另外还有CS片选引脚可以对同一总线上的芯片进行选通使用,SPI总线已被广泛使用在EEPROM、单片机和各种设备中。常用串行EEPROM中的25XX系列芯片就是使用兼容SPI总线结构,采用先进COMS技术,体积小,是一种理想的低功耗非易失性存储器,广泛使用在各种家电、通讯、交通或工业设备中,通常是用于保存设备或个人的相关设置数据。ATMEL公司生产的25系列的EEPROM存储容量从1K位到256K位。其它一些芯片也会用到SPI总线,如常用的CPU监控芯片X5043、X5045就带有512字节的SPI界面EEPROM,常用于单片机系统的看门狗电路,同时也可以提供小数据量的存储,给电路设计带来很多的方便。此文将用X5045为例讲述SPI的编程应用和X5045的一些其它功能。X5045由Xicor公司出品,电压范围有2.7V到5.5V和4.5V到5.5V二个版本,擦写次数可达一百万次,最高时钟频率可达3.3MHz。图一是X5045的PID封装实物图。

图一

图二

图二是X5045的引脚定义图。CS/WDI是片选和看门狗复位输入,当CS为高时SO引脚变为高阻态,这时可以允许其它器件共用SPI总线,同时芯片也处于休眠状态,当CS为低时芯片被选中,并从休眠状态中唤醒,可以进行读写操作。SO是串行数据输出,在读芯片时数据从此脚输出。WP是写保护引脚,当WP为低时芯片写保护,不能对芯片写操作,但其它功能不受影响。Vss是电源地。SI是串行数据输入,接收来自控制器的数据和地址。SCK是串行时钟输入,RESET是复位输出,Vcc是电源。在25芯片中还有一个HOLD引脚,此引脚的功能是保持输入脚,ATMEL公司生产25芯片的HOLD引脚是低电平有效。不用此功能时,HOLD引脚要保持高电平。在芯片正在串行传输时,将HOLD拉为低电平,可以暂停进一步的传送,具体方法是SCK变低后,将HOLD也拉低,不然在下一个SCK变低前不能暂停传送,要恢复串行传送,必须在SCK为低电平时将HOLD拉高。芯片处于暂停时,SI,SO,SCK脚为高阻状态,任何时刻只要HOLD被拉低时,SO都会处于高阻状态。

限于文章的篇幅,下面内容只着重介绍X5045芯片的SPI总线对EEPROM单元的编程应用。在X5040芯片中有6个指令,它和25系列芯片的指令是兼容的,也就是说在25系列芯片中使用时基本上是不需要改变的,具体见表一。

 

指 令 指令格式 说 明
WREN 0000 0110 写入允许
WRDI 0000 0100 写入禁止
RSDR 0000 0101 读状态寄存器
WRSR 0000 0001 写状态寄存器,用于操作区块写保护标识和看门狗标识
READ 0000 A8011 读数据
WRITE 0000 A8010 写数据

注:A8用于数据地址的第9位。

表一 指令集

写入允许和禁止
X5045芯片内部有一个写入使能寄存器,在需要向芯片写入数据时,需要先用WREN指令使片内写入使能寄存器先置位,写入数据后可以用WRDI指令使寄存器复位到禁止状态。当上电、WRSR指令执行、WRITE指令执行、WP拉低也会使写入使能寄存器复位到禁止状态。图三是WREN/WRDI指令的操作时序图。首先要把CS拉低,输入数据,向SCK输入时钟信号,数据在时钟的上升沿有效,时钟上升后至少数据至少保持30ns。数据是串行的,所以在每个时钟周期的上升沿发送一个位。在操作这两个指令时,SO是处于高阻状态的。

图三 写入使能时序

 

读写状态寄存器

X5045片内有一个状态寄存器,用于指于芯片的状态和设置,可以读写,芯片出厂时状态寄存器值为30H。具体每位的功能请看表2。WIP写入保护位,是只读位,指示芯片是否正忙于写入操作。当WIP为“1”时,说明写入正在进行,为“0”时表示没有进行写入。在编程时,写入数据操作后,可以查询WIP位,当WIP为0后才进行下一次的写入操作,这样可以避免写入出错。WEL写入使能状态位,是只读位。WEL位的状态由WREN和WRDI指令确定,WREN成功执行后WEL为“1”指示允许写入数据,WRDI指令成功执行后WEL为“0”指示禁止写入数据。在编程时可以先查询WEL位的状态,如为0时则要执行WREN后才可以进行写入操作。BL0、BL1设置当前保护的区块地址,是可读写位,这两个位的设置和区块地址的关系如表3,区块的内容被保护后,就只能读出而不能写入了。25系列芯片中不同型号的芯片容量不一样,BL设置所保护的范围也不一样。WD1、WD0看门狗设置位是X5045/43特有的设置位,是可以读写位,在25系列芯片中这两个位是保留位,在X5045中有看门狗功能,这两个位就用于设置MCU喂狗的时间,表4是看门狗位的设置时间。状态寄存器的第6和第7位是保留位。读状态寄存器时,发送完RSDR指令后,SO由高阻态转为输出数据,从数据位的高位开始。写状态寄存器,发送完WSDR指令后,再发一个字节的状态数据就可以了,其中只读位可以是“1”也可以是“0”,它们不会被WSDR指令所更改。图5、图6是读写状态寄存器的时序图。

 

7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP
0 0 看门狗位1 看门狗位0 区块保护1 区块保护0 写入使能状态位 写入保护位

表2 状态寄存器定义

BL1 BL0 保护地址范围
0 0 无保护
0 1 180H-1FFH
1 0 100H-1FFH
1 1 000H-1FFH

表3 BL设置位

 

WD1 WD0 喂狗时间
0 0 1.4秒
0 1 600毫秒
1 0 200毫秒
1 1 功能禁用(出厂设置)

表4 看门狗设置位

图四 读状态寄存器时序

图五 写状态寄存器时序

读数据

图六是读数据时的时序,先拉低CS选中芯片,先要把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中,发送完指令字节就发送地址字节的前8位,这时SO就会由高阻态转为输出数据。每当一个字节的数据传送完毕后,芯片内部的地址指针自动加1,指向下一个数据地址,这时如仍有时钟脉冲时,数据会被继续输出,CS脚拉高后输出才会终止。当最高位地址的数据被读出后,地址指针指向00H。

图六 读数据时序

写数据

在向芯片写入数据之前,写使能寄存器必须处于置位状态,一般可以不必查询写使能寄存器的状态,而直接用WREN置位写使能寄存器。在发送完WREN指令后,必须把CS拉高,在CS拉高之前写使能寄存器并没有置位,这时向芯片传送数据是不会被写入的。写使能寄存器置位后,再将CS拉低,把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中,发送完指令字节就发送地址字节的前8位,然后发送需写入的数据。WRITE指令可以连续写入16个字节,但这16个字节的地址必须在同一页中。每一页的地址由[xxxxx0000]开始,到[xxxxx1111]结束。操作方法就是在发送完每一个地址和数据后,继续发后面的数据,芯片内部的地址指针会自动累加,当达到页中最后一个字节时,时钟仍在继续,则内部地址指针回到页中第一个地址重新开始累加,并覆盖以前写入的数据。要注意的是,在操作过程中CS不能拉高,只有在数据字节的最后一个位传送完成后才可以拉高CS,不然写入操作将不完全。在写入数据或写状态寄存器指令写送后,芯片会进入一次非易失性写操作,这会花费一定的时间,最大约为10ms,在这个时间内可以用读状态寄存器,并检查WIP位,当WIP为1时则说明写入还在进行中,只有当WIP位为0时才可以进行下一次的读写数据操作,否则将会使写入不完全。

图七 写数据时序

下面我们用AT89C2051和X5045为主做一个密码控制器实验。使用X5045的看门狗功能可以使电路在受到干扰或特殊情况死机后,可以自动复位重启电路,使电路保持正常工作。使用X5045的数据读写功能,可以保存密码,也可以修改密码。本文附带的实例程序演示X5045的状态寄存器的读写、存储位的读写,里面的功能函数可以直接移植到别的程序中。电路上电后,红色LED亮,当按下按键时绿色LED闪亮一下,当按下“3,1,5,8,1,8”,密码正确,红色LED灭,绿色LED亮,继电器打开,10秒后回到上电时的状态。当按下第一次按键后20秒内没有按下正确的键值,则会进行下一次键值输入。程序可以方便修改成可以方便更改密码的程序,也可以加入记录工作次数的程序等等,升级成更实用的程序。图9是笔者用万用板搭建成的实验电路。在上一篇提供的EEPROM读写器电路及程序也支持25系列芯片和X5043/45芯片,可以直接使用它来读写。

X5045演示程序下载–》c3

图八 电路图

图九 制作实验