datetime:2023/10/16 11:03
author:nzb

该项目来源于大佬的动手学ROS2

1.什么是单片机MCU

一、什么是MCU？和CPU什么区别？

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你知道我们电脑用的处理器叫做CPU（Central Processing Unit 中央处理器），那你知道现在的智能家电里的处理器是什么吗？比如可以连WIFI和蓝牙的空调，比如在寒冷的冬天里常用的小米电暖器是什么处理器吗？

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答案就是微型控制单元-MCU（Micro Control Unit），我们常说单片微型计算机，简称就是单片机，上面两张图就是两种不同类型的单片机。

如果你有组装过电脑，你应该知道，电脑想要运行起来除了CPU还要内存条、硬盘等设备才能正常运行，而单片机则将CPU、内存、蓝牙等外设集成到了一起，这一点也是CPU和MCU之间的主要区别。

二、单片机为什么有那么多种类？

在上面的单片机介绍中，放了两种单片机图片，事实上单片机的种类是非常之多的，用在洗衣机上的单片机、用在3D打印机的单片机和用在电暖气上的单片机都是不同的类型，那为什么有那么多分类呢？

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答案是不同单片机具有不同的配置，比如不同的主频，慢的有几兆赫兹，快的有几百兆赫兹，不同的外设，比如有的支持USB、有的支持WIFI、有的支持蓝牙、还有的甚至多加了个处理器（比如卖的MicroROS学习板主控就是双核的）。

2.微处理器开发平台

上一节我们对单片机硬件进行了简单介绍，但单片机运行不仅仅需要硬件，类似于电脑需要配套的操作系统一样，单片机还需要与之配套的软件，本节我们学习下常见的开发平台。

我们的MicroROS板采用的单片机是ESP32芯片，该芯片支持蓝牙和WIFI并且是双核的国产芯片，用途很广，所以就介绍下该芯片的常用的几个开发平台。

一、官方平台-ESPIDF(ESP IoT Development FrameWork)

官网地址：https://www.espressif.com/zh-hans/products/sdks/esp-idf

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所谓官方平台就是单片机的厂商，针对单片机提供的开发框架，该框架为我们提供了一个C/C++ SDK，我们通过include相应的头文件就可以实现对硬件的控制。

下面这一段是官方介绍

ESP-IDF 是乐鑫官方的物联网开发框架，适用于 ESP32、ESP32-S、ESP32-C 和 ESP32-H 系列 SoC。它基于 C/C++ 语言提供了一个自给自足的 SDK，方便用户在这些平台上开发通用应用程序。ESP-IDF 目前已服务支持数以亿计的物联网设备，并已开发构建了多种物联网产品，例如照明、消费电子大小家电、支付终端、工控等各类物联网设备。

ESP-IDF的核心其实是基于开源的FreeRTOS优化而来的，而FreeRTOS是一个迷你（几k大小）的实时操作系统内核，所以别看它小，照样跑了个操作系统。

展示一段ESP_IDF版本的HelloWorld，感受一下

/*
 * SPDX-FileCopyrightText: 2010-2022 Espressif Systems (Shanghai) CO LTD
 *
 * SPDX-License-Identifier: CC0-1.0
 */

#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

void app_main(void)
{
    printf("Hello world!\n");
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    fflush(stdout);
    esp_restart();
}

二、Arduino平台

官网地址：https://www.arduino.cc/en/about

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Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，本次MicroROS学习就是基于该平台进行开发。

展示一段Arduino版本的HelloWorld代码，感受一下

#include <Arduino.h>
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Hello World!");
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}

三、MicroPython平台

官网地址：https://micropython.org/

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大家都知道，人生苦短，我用Python，针对单片机平台，有没有可能使用Python开发呢？——MicroPython来了。

MicroPython是 Python 3 语言的精简实现 ，包括Python标准库的一小部分，经过优化可在微控制器和受限环境中运行。

同样的我们的MicroROS板同时也是支持使用MicroPython进行开发，只需要刷入相应的固件即可。

展示一段MicroPython的HelloWorld代码，感受下它的简单

print('Hello, World!')

四、对比与总结

上面介绍了三种常见的平台，做个表格对比下三种平台的优缺点。

平台名称 优点 缺点
ESP_IDF 官方出品、测试完成度高、安全稳定、有官方支持、适合产品化、支持microROS 三方教程少、工程复杂、新手不友好
Arduino 社区庞大，教程丰富、新手友好，简单易用、支持microROS 封装较多
MicroPython Python语言、简单易用 解释执行，效率低下，封装较多，不支持microROS

看完上面的对比，对于新手来说选择Ardunio平台容易入门且教程丰富，并且ESP32单片机是官方出品了Arduino支持（开源地址：https://github.com/espressif/arduino-esp32）。

了解完单片机开发平台，下一节我们正式搭建开发环境，然后开始编写我们的第一个HelloWorld工程！

3.搭建PlateFormIO开发环境

我们开始介绍并搭建PlatformIO（以下简称PIO）的开发环境。因为网络原因，PIO搭建起来是一个挺困难的事情，但是在一键安装里添加了一键安装PIO，为你解决这一难题。

开始之前，想和你约定好本次学习之旅的开发环境和平台，这里采用的开发环境信息如下：

  • 系统版本：Ubuntu 22.04（虚拟机实体机都可）

  • ROS版本：ROS2-Humble

  • 开发板：MicroROS学习板V1.0.0

一、PIO介绍

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官网地址：https://platformio.org/

PIO是一个面向嵌入式开发的专业协作平台，它提供了一个适配VsCode的插件，它具有一个用户友好且可扩展的集成开发环境，具有一组专业开发工具，提供现代而强大的功能，以加快并简化嵌入式产品的创建和交付。

二、安装PIO

PIO的开发我们采用VsCode，所以在这之前你需要安装VsCode，VsCode安装可以使用一键安装，快速且稳定。

2.1 安装VsCode

运行一键安装指令，之后选择7即可

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros

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安装完成VsCode后，推荐你继续使用一键安装来安装PIO。

2.2 安装PIO（可跳过）

注意这一步仅适用Ubuntu22.04系统，非该系统请直接跳过

继续使用一键安装，选项12

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros

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2.3 安装VsCode插件

打开VsCode，我们还需安装一个PlatformIO插件就能正常Work了。

任意终端输入code，或者在菜单中找到vscode都可以打开vscode，接着在扩展中搜索PlatformIO，选择后点击安装即可。

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安装完成后在侧方栏应该可以看到一个蚂蚁头的图标，这个就是PIO，点击图标，点击上访的Open就可以打开PIO HOME。

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三、新建工程测试

接着我们就可以利用PIO建立第一个Arduino工程进行测试，首先点击New Project。

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四步新建工程

  1. 输入工程名 example01_helloworld
  2. 选择开发板，这里选择Adafruit ESP32 Feather
  3. 选择开发框架，这里我们用Arduino，PIO还支持IDF（IoT Development FrameWork）
  4. 开发位置可以选择默认的位置，也可以自定义位置

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最后点击Finish即可，这样我们就得到了一个支持ESP32的Arduino工程。

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4.PIO工程结构&构建方式

上一节我们搭建好了PIO的开发环境，并新建了第一个工程。本节我们详细了解下该工程，了解我们需要在哪里写代码，在哪里改配置。

一、工程目录概述

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首先展开工程，可以看到工程一共有8个部分如上图所示。

  1. PIO配置文件
  2. VsCode配置文件
  3. 头文件放置目录
  4. 库文件放置目录
  5. 代码资源放置目录，主函数就在这里
  6. 测试文件放置目录
  7. git忽略文件
  8. platformio配置文件

二、在哪里写代码？

打开src/main.cpp就是我们工程的程序入口文件，打开该文件，已经默认给我们生成了9行代码，后续的主要开发就在这里进行。

#include <Arduino.h>

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

三、工程配置文件-platformio.ini

打开工程主目录下的platformio.ini文件，预生成的配置文件如下

; PlatformIO Project Configuration File
;
;   Build options: build flags, source filter
;   Upload options: custom upload port, speed and extra flags
;   Library options: dependencies, extra library storages
;   Advanced options: extra scripting
;
; Please visit documentation for the other options and examples
; https://docs.platformio.org/page/projectconf.html

[env:featheresp32]
platform = espressif32
board = featheresp32
framework = arduino

这里用到的主要配置有四个

  1. [env:featheresp32]编译环境
  2. platform = espressif32，单片机平台
  3. board = featheresp32，开发板
  4. framework = arduino，开发框架-arduino

后续还有很多关于工程的配置都放在这里，同时我们可以添加一条配置board_build.f_cpu = 240000000L，将单片机的主频提高到240MHZ的主频。

[env:featheresp32]
platform = espressif32
board = featheresp32
framework = arduino
board_build.f_cpu = 240000000L

四、编译工程

在VsCode中编译PIO，编译工程和将编译结果下载到开发板上都非常的方便。

编译工程可以手动点击左下角的对号进行，其他操作也可以通过按钮进行。

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点击编译按钮，看到如下界面则代表编译成功

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其中打印信息有很多有用的提示，比如工程占用的RAM和Flash大小（可以理解为系统程序大小）

RAM:   [          ]   4.9% (used 16144 bytes from 327680 bytes)
Flash: [==        ]  16.2% (used 212961 bytes from 1310720 bytes)

编译完成工程，在.pio/build/featheresp32目录下可以看到firmware.bin，这个就是我们工程编译之后生成的二进制文件，将该文件下载到开发板上就可以运行了。

五、PIO快捷键

这里再介绍几个PIO的快捷键，在接下来的学习中你肯定能用到

快捷键 内容
Ctrl+Alt+B 编译工程
Ctrl+Alt+U 将程序上传烧录到开发板
Ctrl+Alt+S 打开串口Monitor

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