Работа с «Ягодой» для новичков: подключение пяти микроконтроллеров ESP32 к микрокомпьютеру Raspberry Pi 4 Model B по SPI

Данная статья создана с ознакомительной целью и служит рекомендацией по работе с Raspberry Pi 4 Model B («Ягода»), WEMOS WiFi & Bluetooth ESP32 («ESP32») при настройки Serial Peripheral Interface (SPI).

Хочу выразить огромную благодарность соавтору данной статьи @Artuiu за плодотворную работу и помощь

P.S. Это наша первая серьёзная статья на данную тему, поэтому ждём от Вас комментарии, предложения и критику!

Материал, который мы использовали для изучения

Компоненты для работы

Микроконтроллер WEMOS WiFi & Bluetooth ESP32 — 5 шт.
Микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B — 1 шт.
Монтажные провода типа «мама-мама» — 13 шт.
Монтажные провода типа «мама-папа» — 21 шт.
Кабель Ethernet — 1 шт.
Кабель USB type c — 1 шт.
Кабель USB micro USB — 1 шт.
Карта памяти microSD 64 Гб — 1 шт.
Аккумулятор 18650 Li-ion — 5 шт.

Теория

SPI (Serial Peripheral Interface) — это синхронный последовательный интерфейс обмена данными между микроконтроллерами, микропроцессорами и периферийными устройствами. Он позволяет передавать данные между устройствами по нескольким проводам, включая провод для синхронизации и по одному проводу на каждое направление передачи данных (один для отправки данных и один для приема).

Пины SPI: На Raspberry Pi используется несколько GPIO (General Purpose Input/Output) пинов для реализации интерфейса SPI. Основные пины, используемые для SPI, это:

SCLK (Serial Clock): Пин для синхронизации передачи данных между устройствами.

MISO (Master In Slave Out): Пин для передачи данных от периферийного устройства к микроконтроллеру (Raspberry Pi).

MOSI (Master Out Slave In): Пин для передачи данных от микрокомпьютера к микроконтроллеру.

CS (Chip Select): Пин для выбора конкретного микроконтроллера, с которым микрокомпютер будет взаимодействовать.

Raspberry Pi имеет три основных интерфейса SPI — SPI0, SPI1 и SPI2.

SPI0: Этот интерфейс доступен на GPIO пинах 9 (MISO), 10 (MOSI), 11 (SCLK) и 8 (CS0). Он также может использоваться для доступа к специфическим периферийным устройствам, таким как экраны или сенсорные панели.

SPI1: Этот интерфейс доступен на GPIO пинах 19 (MISO), 20 (MOSI), 21 (SCLK) и 18 (CS1). Он может быть использован для подключения к другим периферийным устройствам, требующим SPI интерфейса.

Подготовка к работе

1. Установка ПО «Raspberry Pi OS» на microSD через «Raspberry Pi Imager».
Скачать установщик с официального сайта: https://www.raspberrypi.com/software/. После чего открыть «Raspberry Pi Imager». Выбрать Operating System > Raspberry Pi OS (32-bit).

"Raspberry Pi Imager" — Выбор ПО — «Raspberry Pi Imager» — Выбор ПО

Вставьте microSD карту в ПК. Перейдите во вкладку Storage и выбрать microSD карту (у нас это Kingston 64 Gb). Сюда будет устанавливаться Ваше ПО. Форматировать заранее не нужно, установщик сделает это за Вас.

Raspberry Pi Imager — Выбор хранилища для ПО

После чего нажать WRITE и ждать установку. После установки необходимо вставить microSD в лот на самой «Ягоде».

2. Установка Arduino IDE для работы с «ESP32». Заходим на официальный сайт https://www.arduino.cc/en/software, скачиваем Arduino IDE и устанавливаем.
Теперь настроим Arduino IDE. Для начала перейдём в Файл > Настройки и нажимаем на кнопку

После копируем ссылку на json файл https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json
Вставляем в открытое окошко и нажимаем ОК

Arduino IDE — Доп. ссылка для Менеджера плат

Далее заходим в Инструменты > Управлять библиотеками.
У Вас откроется меню менеджер библиотек. Ищем библиотеку esp32 от Espressif версии 1.0.6 (версии выше не работают в некоторых случаях) и устанавливаем.

Arduino IDE — Выбор esp32 от Espressif версии 1.0.6

После установки, Вам нужно выбрать плату, поэтому заходим в Инструменты > Плата > ESP32 Arduino > WeMos WiFi & Bluetooth Battery.

Arduino IDE — Выбор платы WeMos WiFi&Bluetooth Battery

Также Вам нужно скачать библиотеку ESP32SPISlave.h
Установить можно здесь: https://github.com/hideakitai/ESP32SPISlave?ysclid=ll6fdafeu2422870462

Скачиваем библиотеку и распаковываем её там, где будет основной код.

3. Подготовка к удобной работе «Ягоды». Управление «Ягодой» будет осуществляться с помощью ноутбука, поэтому будем использовать систему удалённого доступа Virtual Network Computing (VNC).
Присоединяем ноутбук к “Ягоде” через порт для кабеля Ethernet. В программе «Putty» прописываем raspberrypi.local в HostName и указываем подключение по протоколу SSH (порт при подключении стандартный 22).

"Putty" — SSH подключение к "Ягоде" — «Putty» — SSH подключение к «Ягоде»

При первом входе требуется ввести логин/пароль: pi/raspberry. Сразу обновите ПО с помощью команды

sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade -y

Дальше идём в менеджер пакетов с помощью команды

sudo raspi-config

Перейдите в Interface Options и включите VNC, также сразу активируем SPI

В появившемся окне выбрать «YES». Для завершения настройки необходимо перейти в System Options > Boot/Auto Login > Desktop Autologin

Наконец, нажмите «Enter», чтобы применить изменения. Потом нажмите «Tab» и «Enter». Это перезагрузит ваш Raspberry Pi, и сеанс SSH завершится.

Теперь закройте «Putty» и другие окна. Установим VNC Viewer на ноутбук, ссылка с официального сайта: https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/.
Вводим raspberrypi.local

"VNC Viewer" — Выбор подключения — «VNC Viewer» — Выбор подключения

Вводим имя пользователя/пароль: pi/raspberry.

"VNC Viewer" — Ввод имени пользователя и пароля — «VNC Viewer» — Ввод имени пользователя и пароля

И если все сделано правильно, то у вас появится рабочий стол «Ягоды»

4. Активация дополнительных SPI интерфейсов. Стандартно «Ягода» имеет три интерфейса: SPI0-2. Для активации дополнительных интерфейсов нужно добавить строчки в файле config.txt (находится в папке boot)

Вводим cтрочку с текстом

spi5 — новый интерфейс

2cs — количество устройств, которые будут работать на этом интерфейсе

dtoverlay=spi5-1cs

Более подробно это можно прочитать тут: https://blog.stabel.family/raspberry-pi-4-multiple-spis-and-the-device-tree/

Практическая часть

Для установки соединения по технологии SPI понадобится: 1 «Ягода», 5 «ESP32», 1 ноутбук, 13 кабелей типа «мама-мама» и 31 кабель типа «папа-мама».

Чтобы установить соединение пяти «ESP32» с «Ягодой», нужно задействовать 5 пинов на каждой «ESP32»: MISO, MOSI, SCLK, SS, Ground(GND)

И 19 пинов на «Ягоде»

SPI0: MISO — 21 (GPIO 9), MOSI — 19 (GPIO 10), SCLK — 23 (GPIO 11), SS0 — 24 (GPIO 8),
SS1 — 26 (GPIO 7);

SPI1: MISO — 35 (GPIO 19), MOSI — 38 (GPIO 20), SCLK — 40 (GPIO 21), SS1 — 11 (GPIO 17),
SS2 — 36 (GPIO 16);

SPI5: MISO — 33 (GPIO 13), MOSI — 8 (GPIO 14), SCLK — 10 (GPIO 15), SS0 — 32 (GPIO 12)

+1 GND для каждой из «ESP32»

Самое главное, надо помнить, что все пины надо подключать в сопоставлении с названием, то есть MISO к MISO, MOSI к MOSI и т.д.
Для наглядности распиновки прикладываю ниже принципиальную схему

Принципиальная схема подключения с указанием пинов

Также вот макетная плата подключения пяти «ESP32»

Теперь вам необходимо подключить каждую «ESP32» через кабель USB micro USB по отдельности к ноутбуку и через Arduino IDE загрузить код, который используется для приёма данных с «Ягоды», выводит в монитор порта, и далее отправляет данные на «Ягоду».

Код для Arduino:

#include "ESP32SPISlave.h"  ESP32SPISlave slave;   // Создаём два буфера на приём и передачу данных static constexpr uint32_t BUFFER_SIZE {51}; uint8_t spi_slave_tx_buf[BUFFER_SIZE]; uint8_t spi_slave_rx_buf[BUFFER_SIZE];  void setup() {     Serial.begin(115200);     delay(2000);      // HSPI = CS: 15, CLK: 14, MOSI: 13, MISO: 12     // VSPI = CS: 5, CLK: 18, MOSI: 23, MISO: 19    // Функция устанавливает режим работы шины SPI, задавая     //уровень сигнала синхронизации и фазу синхронизации.     slave.setDataMode(SPI_MODE0);     slave.begin(VSPI);         // Заполняем буфер нулями     memset(spi_slave_tx_buf, 0, BUFFER_SIZE);     memset(spi_slave_rx_buf, 0, BUFFER_SIZE); }  // В дальнейшем будет считывать задержку int wd = 0;  void loop() {         // если в очереди нет транзакции, добавляем транзакцию     if (slave.remained() == 0) {         slave.queue(spi_slave_rx_buf, spi_slave_tx_buf, BUFFER_SIZE);     }     // если транзакция завершена из master, // available() возвращает размер результатов транзакции, // и буфер автоматически обновляется      while (slave.available()) {               Serial.println(micros() - wd);         wd = micros();         String receivedData;         // считываем полученный данные в переменную receivedData         for (size_t i = 0; i < slave.size(); ++i) {            receivedData += (char)spi_slave_rx_buf[i];         }         Serial.println("Received: " + receivedData);          String sentData = "0101010010101011010XCVASDFratatatata";          // Отправляем данные на raspberry         size_t len = sentData.length();         memcpy(spi_slave_tx_buf, sentData.c_str(), len);          slave.pop();     } }

Компилируем код и так повторяем с каждым из пяти «ESP32»

Дальше заходим в «Ягоду» и будем использовать «Thonny» для написания скрипта на Python. Скрипт отвечает за отправку данных с «Ягоды» и приём данных с пяти «ESP32».

Заранее нужно будет скачать библиотеку spidev (заходим в терминал «Ягоды» и прописываем pip install spidev)

import spidev # Импорт библиотеки spidev для работы с SPI. spi0 = spidev.SpiDev() # Создание объекта spi0 для управления SPI устройством на шине 0. spi0.open(0, 0) # Открытие подключения к SPI устройству с номером шины 0 и устройством 0. spi0.max_speed_hz = 100000 # Установка максимальной скорости передачи данных и количества бит на слово. spi0.bits_per_word = 8   spi1 = spidev.SpiDev() # Создание объекта spi1 для управления другим SPI устройством на шине 1. spi1.open(1, 0) # Открытие подключения к SPI устройству с номером шины 1 и устройством 0. spi1.max_speed_hz = 100000 spi1.bits_per_word = 8  spi5 = spidev.SpiDev() spi5.open(5, 0) spi5.max_speed_hz = 100000 spi5.bits_per_word = 8  rx_data_len = 10  while True: # Организация цикла отправки и чтения данных для spi0. for dev in range(1): data_str = "B" * 10 data = data_str.encode() spi0.open(0, dev) spi0.writebytes(data) rx_data = spi0.readbytes(rx_data_len) received_data = bytes(rx_data) print(f"B0 D{dev} R_Data: {received_data}\n") spi0.close()  for dev in range(1): # Организация цикла отправки и чтения данных для spi1. data_str = "A" * 10 data = data_str.encode() spi1.open(1, dev) spi1.writebytes(data) rx_data = spi1.readbytes(rx_data_len) received_data = bytes(rx_data) print(f"B1 D{dev} R_Data: {received_data}\n") spi1.close()  for dev in range(1): # Организация цикла отправки и чтения данных для spi5. data_str = "C" * 10 data = data_str.encode() spi5.open(5, dev) spi5.writebytes(data) rx_data = spi5.readbytes(rx_data_len) received_data = bytes(rx_data) print(f"B5 D{dev} R_Data: {received_data}\n") spi5.close()

Дальше необходимо запустить скрипт на «Ягоде» и нажать физическую кнопку «Enable» на каждой «ESP32».

Все соединение SPI установлено. Не забудьте вставить аккумуляторы в «ESP32»

Ждём ваши комментарии и критику!

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/754496/