การเขียนโปรแกรม MicroPython สำหรับบอร์ด Pico เพื่อทำให้ LED กระพริบด้วยวิธีที่แตกต่างกัน#

Keywords: Python 3, MicroPython, Raspberry Pico, RP2040, Thonny IDE, WokWi Simulator

---

▷ MicroPython - LED Blink#

ในการเขียนโค้ดเพื่อกำหนดสถานะลอจิกของขา GPIO ซึ่งใช้เป็นขาดิจิทัล-เอาต์พุต (เช่น ต่อกับวงจร LED บนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือต่อวงจรเพิ่มภายนอก) ก็มีรูปแบบการใช้คำสั่งหรือวิธีเขียนโค้ดที่แตกต่างกัน และมีมากกว่าหนึ่งวิธี บทความนี้สาธิตตัวอย่างโค้ดไมโครไพธอน เพื่อนำไปทดลองใช้กับบอร์ด Pico

from machine import Pin
import time

DELAY_MS  = 500
DELAY_SEC = DELAY_MS / 1000
DELAY_US  = DELAY_MS * 1000

# Use onboard LED: Use the GPIO25 pin or 'LED'
pin = 25
# Create a Pin object for the onboard LED 
led = Pin( pin, Pin.OUT ) 

# Method 1
print( 'Toggle LED using the led.value( 0|1 ) function.' )
for i in range(10):
    led.value(1)
    print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
    time.sleep( DELAY_SEC )
    led.value(0)
    print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
    time.sleep( DELAY_SEC )

# Method 2
print( 'Toggle LED using the led.on() / led.off() functions.' )
for i in range(10):
    led.on()
    print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
    time.sleep_ms( DELAY_MS )
    led.off()
    print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
    time.sleep_ms( DELAY_MS )

# Method 3
print( 'Toggle LED using the led.toggle() function.' )
for i in range(10):
    led.toggle()
    print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
    time.sleep_us( DELAY_US )

# Method 4
print( 'Toggle LED using read-modify-write.' )
for i in range(10):
    new_value = not led.value()
    led.value( new_value )
    print( 'LED: {}'.format( new_value ) )
    time.sleep_us( DELAY_US )

# Method 5
print( 'Toggle LED without delay.' )
# Get current timestamp (in msec)
saved_ts = time.ticks_ms()
count = 0
while True:
    # Get current timestamp
    now = time.ticks_ms()
    # Compute time difference
    delta = time.ticks_diff( now, saved_ts )
    if delta >= DELAY_MS:
        saved_ts = now  # Update the saved timestamp
        led.toggle()    # Toggle the LED
        print( 'LED: {}'.format( led.value() ) )
        count += 1
        if count >= 10:
            break

print('Done....')

 

---

▷ การใช้ Software Timer#

ตัวอย่างนี้สาธิตการเปิดใช้งานไทม์เมอร์ที่ทำงานด้วยซอฟต์แวร์ (Software Timer) สำหรับไมโครไพธอน โดยกำหนดให้ทำงานแบบมีคาบและทำซ้ำ (Periodic Mode) และมีคาบหรือช่วงเวลาเท่ากับ 500 มิลลิวินาที

เมื่อครบหนึ่งคาบเวลา จะมีการทำคำสั่งโดยเรียกใช้ฟังก์ชัน Callback ในตัวอย่างนี้ได้กำหนดให้ฟังก์ชันดังกล่าวทำหน้าที่เปลี่ยนสถานะลอจิกของขา LED

from machine import Pin, Timer
import time

# Use onboard LED: Use the GPIO25 pin or 'LED'
pin = 25
# Create a Pin object for the onboard LED 
led = Pin( pin, Pin.OUT ) 

# Set the timer period (in msec)
PERIOD_MS = 500

# Create a software timer objecte
timer = Timer() 

# Configure the timer to operate in periodic mode
# Toggle the LED at the end of each period (500msec)
timer.init( period=PERIOD_MS,
    mode=Timer.PERIODIC, 
    callback=lambda t: led.toggle() )

# Delay for 5 seconds
time.sleep_ms( 5000 )
# Stop the timer
timer.init( callback=None )
timer.deinit()
print( 'Done...')

 

---

▷ การสร้างสัญญาณ PWM สำหรับขาเอาต์พุต-ดิจิทัล#

ตัวอย่างนี้สาธิตการเปิดใช้งาน PWM (Pulse Width Modulation) สำหรับขา GPIO โดยเลือกใช้ขา GP25 ของบอร์ด Pico และตั้งค่าความถี่ต่ำสำหรับการทำงานของ PWM และลดความถี่ของซีพียูลง เพื่อให้ใช้ความถี่ต่ำสำหรับ PWM ได้ ทำให้มองเห็นการเปลี่ยนแปลงของสถานะลอจิกที่ขา LED ได้

from machine import Pin, PWM
import time

# Use onboard LED
pin = 25 # Use 25 or 'LED'
# Create a Pin object for the onboard LED 
led = Pin( pin, Pin.OUT ) 

# Reduce the CPU frequency: 50MHz
machine.freq( int(50e6) )
print( 'CPU freq. {} MHz'.format( machine.freq()//1e6) )

# Create PWM object from a Pin object
pwm = PWM( led )
# Set the PWM frequency: 5Hz
pwm.freq(5)
# Set the PWM duty cycle (16-bit value) to 50% 
pwm.duty_u16( 2**15 )

# Wait ofor 5 seconds
time.sleep_ms( 5000 )
# Turn off PWM on the LED pin
pwm.deinit()
print('Done')

การใช้สัญญาณ PWM เพื่อทำให้ LED สว่างขึ้นและดับลง ก็เป็นอีกวิธีหนึ่ง กล่าวคือ การเปลี่ยนค่า Duty Cycle ของสัญญาณ PWM ให้เพิ่มขึ้นและลดลงต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงทำให้ LED กระพริบได้

ในโค้ดตัวอย่างต่อไปนี้ มีการสร้างสัญญาณ PWM ที่มีความถี่ 1000Hz และมีการเปลี่ยนแปลงค่า Duty Cycle เพิ่มขึ้นจาก 0..100% และลดลงจาก 100..0% ตามลำดับ โดยเว้นช่วงเวลาในการเปลี่ยนค่า ทุก ๆ 5 มิลลิวินาที

from machine import Pin, PWM
import time

# Use onboard LED and PWM output pin 
pwm = PWM( Pin(25) )
# Set PWM frequency to 1kHz
pwm.freq(1000)
# Set the counter variable to 0
cnt = 0
try:
    N = 200
    while True:
        # Compute the new value for PWM duty cycle
        if cnt <= N//2:
            duty = cnt
        else:
            duty = (N-1) - cnt
        value = duty * (2**16-1)//(N//2) 
        # Update the PWM duty cycle
        pwm.duty_u16( value )
        # Increment the counter value by 1
        cnt = (cnt+1) % N
        # Delay for 5 msec
        time.sleep_ms(5)
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    # Set the PWM duty cycle to 0 (ns)
    pwm.duty_ns(0)
    # Deinitialize the GPIO pin used for PWM output
    pwm.deinit()

 

---

▷ การเขียนโปรแกรมแบบ Multi-Threading#

ไมโครไพธอนรองรับการใช้งานไลบรารี _thread เพื่อใช้สำหรับการเขียนโปรแกรมแบบ "มัลติเธรด" หรือการทำงานแบบหลายงานไปพร้อม ๆ กัน ได้ (Concurrency)

ในโค้ดตัวอย่างนี้มีการสร้างเธรด (Thread) โดยใช้คำสั่ง _thread.start_new_thread(...) และสร้างฟังก์ชันที่มีชื่อว่า led_task() สำหรับการทำงานของเธรดดังกล่าว ซึ่งจะทำให้ LED สลับสถานะลอจิกตามช่วงเวลาที่ได้กำหนดไว้

from machine import Pin
import time
import _thread

def led_task( led_pin, delay_ms ):
    global thread_running
    lock.acquire() # Acquire lock
    print( 'LED Task: Thread ID=%d' % _thread.get_ident() )
    lock.release() # Release lock
    while thread_running:
        led_pin.toggle() # Toggle the LED pin
        time.sleep_ms( delay_ms )
    thread_running = False
    lock.acquire() # Acquire lock
    print('LED Task: done')
    lock.release() # Release lock

lock = None
thread_running = True
# Create a lock (mutex) object
lock = _thread.allocate_lock()
# Create an LED pin object
led_pin = Pin( 25, Pin.OUT )
# Create a new thread and run it on the second CPU core
# blink the LED on GPIO25 pin with 500ms delay time
_thread.start_new_thread( led_task, (led_pin,500) )

try:
    lock.acquire() # Acquire lock
    print( 'Main: Thread ID=%d' %_thread.get_ident() )
    lock.release() # Release lock
    while thread_running:
        time.sleep_ms(10)
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    thread_running = False
    lock.acquire() # Acquire lock
    print('Main thread: Done')
    lock.release() # Release lock
    led_pin.value(0)
try:
    time.sleep(1.0)
except KeyboardInterrupt:
    pass

 

---

▷ การเขียนโปรแกรมโดยใช้ Asyncio สำหรับไมโครไพธอน#

Asyncio เป็นไลบรารีที่ใช้สำหรับการสร้างและใช้งานฟังก์ชันในรูปแบบที่เรียกว่า Coroutine และเป็นรูปแบบหนึ่งของการเขียนโปรแกรมแบบมัลติทาสก์ (เรียกว่า Cooperative Multitasking)

ไมโครไพธอนก็มีไลบรารีชื่อ uasyncio ไว้ให้ใช้งาน เช่น

• uasyncio.create_task(...) สร้างทาสก์ใหม่เพื่อใช้กับฟังก์ชันที่เป็น Coroutine และรอให้ถูกเรียกใช้โดย Async. IO Scheduler
• uasyncio.run(...) สร้างทาสก์ใหม่เพื่อใช้กับฟังก์ชันที่เป็น Coroutine
• uasyncio.sleep_ms(...) เป็นฟังก์ชัน Coroutineที่ใช้สำหรับหน่วงเวลา (หน่วยเป็นมิลลิวินาที)

from machine import Pin
import uasyncio

async def blink(led, period_ms):
    while True:
        led.on()
        await uasyncio.sleep_ms( period_ms//2 )
        led.off()
        await uasyncio.sleep_ms( period_ms//2 )

# The entry point for asyncio program
async def main(led):
    uasyncio.create_task( blink(led, 1000) )
    while True:
        await uasyncio.sleep_ms( 100 )

led = Pin(25, Pin.OUT)

try:
    # Start event loop and run entry point coroutine
    uasyncio.run( main(led) )
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    led.off()
    print('Done...')

ถ้าลองปรับเปลี่ยนโค้ดตัวอย่าง โดยเพิ่มปุ่มกด (Active-low Push Button) ที่ขา GP18 และตรวจสอบการกดปุ่ม ถ้ามีการกดปุ่ม ให้หยุดการทำงานของทาสก์และการทำงานของฟังก์ชัน main ก็มีแนวทางดังนี้

from machine import Pin
import uasyncio

async def blink(led, period_ms):
    while True:
        led.on()
        await uasyncio.sleep_ms(period_ms//2)
        led.off()
        await uasyncio.sleep_ms(period_ms//2)

# The entry point for asyncio program
async def main(led,btn):
    uasyncio.create_task(blink(led, 1000))
    await wait_button(btn)

async def wait_button(btn):
    btn_prev = btn.value()
    while (btn.value() == 1) or (btn.value() == btn_prev):
        btn_prev = btn.value()
        await uasyncio.sleep_ms(50)
    print('Button pressed')

led = Pin(25, Pin.OUT)
btn = Pin(18, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

try:
    # Start event loop and run entry point coroutine
    uasyncio.run( main(led, btn) )
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    led.off()
    print('Done...')

 

---

▷ การใช้งาน PIO ร่วมกับขา GPIO#

ภายในชิป RP2040 มีวงจรที่เรียกว่า PIO (Programming I/O) อยู่ 2 ชุด (เรียกว่า PIO0 และ PIO1) แต่ละชุดประกอบไปด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า State Machines (SMs) จำนวน 4 ชุด ที่ใช้หน่วยความจำร่วมกันสำหรับเก็บคำสั่งได้สูงสุด 32 คำสั่ง (เรียกชื่อเป็น SM0..SM3 และ SM4..SM7 ตามลำดับ)

SM สามารถเข้าถึงขา GPIO ได้ และตัวอย่างนี้สาธิตการใช้งาน SM0 ของ PIO0 และใช้งานร่วมกับขา GPIO จำนวน 1 ขา

การทำงานของ SM ต้องใช้สัญญาณ Clock โดยมีตัวหารความถี่ทีเรียกว่า Fractional Clock Divider ที่โปรแกรมค่าได้ และรับสัญญาณมาจาก System Clock ดังนั้นจึงปรับความเร็วในการทำงานได้ เนื่องจากความเร็วในการทำงานของซีพียูสำหรับ MicroPython-RP2040 คือ 125 MHz ความถี่ตำสุดที่เลือกใช้ได้คือ

$$f_{SM, min} = \frac{125\,MHz}{65535} \approx 1907.37\,Hz$$

การสร้างอ็อปเจกต์เพื่อใช้งาน SM ของ PIO Unit ในภาษาไมโครไพธอน จะใช้คำสั่ง rp.StateMachine(...) ของไลบรารี rp2

ในตัวอย่างนี้ ได้เลือกใช้ SM0 ตั้งค่าความถี่ไว้เท่ากับ 2000 Hz และมีการสร้างฟังก์ชันชื่อ blink_led() ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของ SM0 ซึ่งประกอบด้วยคำสั่งในระดับ Assembly เพื่อทำให้สถานะลอจิกที่ขา GPIO ที่เกี่ยวข้อง สลับสถานะระหว่าง 1 กับ 0 มีการเว้นระยะเวลาเท่ากับ 1000 ไซเคิล ดังนั้นเมื่อทำคำสั่งใน blink_led() ครบแล้ว (ใช้เวลาทั้งหมด 2000 ไซเคิล) ก็จะทำคำสั่งของฟังก์ชันนี้ซ้ำ

ในตัวอย่างนี้ได้เลือกใช้ขา 22 แต่ถ้าต้องการใช้ Onboard LED ของบอร์ด Pico ให้เปลี่ยนไปใช้ขาหมายเลข 25

from machine import Pin
import rp2

@rp2.asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def blink_led():
    wrap_target()
    # Cycles: 1 + 7 + 32 * (30 + 1) = 1000  # Cycles
    set(pins, 1)                            # [1C]
    set(x, 31)                  [6]         # [7C]
    label("delay_high")
    nop()                       [29]        # [30C]
    jmp(x_dec, "delay_high")                # [1C]

    # Cycles: 1 + 7 + 32 * (30 + 1) = 1000
    set(pins, 0)                            # [1C]
    set(x, 31)                  [6]         # [7C]
    label("delay_low")
    nop()                       [29]        # [30C]
    jmp(x_dec, "delay_low")                 # [1C]
    wrap()

# Create LED pin object
led_pin = Pin(22)

# Create State Machine 
#  - Use the SM0
#  - Set the frequency for SM0 to 2kHz 
#  - Use 'blink_led' as the callback function
#  - Set the led pin as the base pin
sm = rp2.StateMachine(0, blink_led, freq=2000, set_base=led_pin)
# Activate the SM0
sm.active(1)

รูป: ตัวอย่างการใช้ Wokwi Simulator จำลองการทำงานของโค้ดไมโครไพธอน

รูป: การแสดงรูปคลื่นสัญญาณดิจิทัลที่ได้จากขา GP22 และวัดความกว้างของพัลส์ได้ 500 msec

 

---

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอตัวอย่างการเขียนโค้ดเพื่อกำหนดค่าและสลับสถานะลอจิกของขาเอาต์พุต-ดิจิทัล ซึ่งจะทำให้วงจร LED ที่ใช้งานกับบอร์ด Pico กระพริบได้ และได้แสดงให้เห็นว่า มีรูปแบบการเขียนโค้ดได้มากกว่าหนึ่งวิธี

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-04-02 | Last Updated: 2023-04-04