python硬件交互_用Python控制硬件1-Python控制硬件的几种方式

首先开篇名义，为什么我要用Python来控制硬件，主要还是工作需要：作为嵌入式软件工程师（工业产品为主），需要一种灵活高效的控制方法，辅助产品设计测试。多年的比较尝试下来，Python是为数不多的胜出方案之一。

举几个应用场景：

1、某产品处于样机试制阶段，在低温状态偶尔不能开关机，但是概率极低（<1%），明显手工测试效率太低。我的办法是用Python脚本控制电源重启，读取设备反馈信号判断是否工作正常，如此反复测试（完全自动化无人干预）。通过大量实验后再找规律和解决方案。

2、某监测终端在被监测对象异常时会报警，如何在实验室模拟想要的异常呢？因为监测过程大致就是各种传感器捕获成数字量输入，后通过某种算法得出结果，我的方案是用Python脚本通过光耦、继电器等器件输入给终端，模拟这类故障时序，达到伪装效果。

3、新产品调研，需要评估一款模块，尽管控制IIC/SPI接口不算难事，但要用C写固件、反复下载调试还是得花不少精力，更何况这段代码注定是要丢弃的。我的方法是用Python脚本编写IIC/SPI测试用例，用PC来评估硬件模块。

上述场景都需要在X86/64的PC上运行Python解释器，直接控制到硬件端口。但实际上Python是移植性很强的，其它的运行方式还有：

1、如果设备自身就是ARM/MIPS跑着POSIX环境的，有着足够的资源，可以直接以嵌入式方式运行Python解释器。需要做的是移植板上的硬件库，让应用层有接口调用。但是X86上的众多第三方库你就得逐个移植了。

2、MicroPython是将Python3移植到资源受限单片机上的有趣尝试，但是除了运行效率低之外（也许随着芯片性能提高会改善），上述问题同样存在：第三方的库几乎没法用。

为了能用上第三方库，最大化PC的效能，就需要在通用PC上跑Python解释器，并与下位机建立连接。下位机负责实现你的业务指令，处于“桥接”的地位。

有了桥接控制器，就能接受Python下发的指令并执行，比如“控制某个端口输出翻转”，“检测某个端口输入电压”，“控制SPI发送一个字节，并读回器件返回的内容”。业务需求五花八门，定制性太强。

除了分解任务并执行，桥控制器还有个重要作用：完成实时性要求高的指令，比如输出一个宽度1微秒的短脉冲，这个要求超过了与PC的传输延迟，必须由控制器严格控制。

PC与“桥”之间的接口有多种实现方法，硬件层有串口、USB、网口等，协议可以是私有的或开放式的，各有优缺点，不多评价。

后续要重点介绍的，也是笔者长期使用的，一种交互式命令行实现的控制方法，具有以下特点：物理层依托于最常用、最简单的异步串口，资源占用少。

交互式命令行实现的人机接口，单片机接收指令和参数，解释执行，再给出提示符等待下一个输入，反复循环。

所有指令都是ASCII明文，便于调试排错。

……

熟悉Linux的人都知道，这不就是Shell终端的运行方式吗？

没错，上述的只是一种调试手段，尤其适用于手动调试。但是提醒一下，这是运行在单片机侧的Shell，除了解释执行PC发来的命令外，它还有能力“控制硬件”：GPIO、SPI、IIC、ADC、DAC……，访问全部芯片内存空间，控制所有的外设。

这样，我们就能在PC端开启串口终端控制台，与单片机交互，从而用上它的硬件控制能力。

但是这与Python有什么关系呢？

为了提高控制效率，实现自动化无人操作，需要用程序模拟命令输入、解析的过程。理论上可以用任意高级语言来实现：C/C++/C#、JAVA……，封装形式也是多样的：动态库、静态库……。但我仍然首选Python来完成，这是由应用场景决定的，只强调两点：用于后期测试：通常需要为不同测试场景写相应测试用例，且改动非常频繁。

用于前期设计：单片机的业务命令扩展与相应Python封装同步进行，完全业务驱动，不确定性很大。

以上两点对Python来说毫无压力。

大致背景介绍完了，下一篇开始展示Python的威力吧。