RP2040-ETH

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说明

RP2040-ETH
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功能简介
特性 无特性,不解释
主控 RP2040
' 无特性,不解释
' 无特性,不解释
' 无特性,不解释
接口 Type-C ETH

产品概述

RP2040-ETH是一款迷你RP2040开发板,让你拥有集成 TCP/IP 协议栈,做到网络通信,
在极小板型下引出14 个多功能 GPIO 引脚,PCB边缘采用半孔工艺,可以轻松快捷集成到项目中。

产品特性

  • 采用了 Raspberry Pi 官方设计的 RP2040 微控制器芯片
  • 搭载了双核 ARM Cortex M0 + 处理器,运行频率高达 133MHz 灵活时钟
  • 内置了 264KB 的 SRAM 和 4MB 的板载 Flash
  • 板载 CH9120,集成 TCP/IP 协议栈
  • 可通过上位机软件、串口命令设置芯片工作模式、端口、IP 等网络参数
  • 邮票孔设计,可直接焊接集成到用户自主设计的底板上
  • 可通过 USB 识别为大容量存储器进行拖放式下载程序
  • RP2040 的 14 个 GPIO 引脚引出
  • 多种硬件外设
    • 1 个 SPI(SPI0)
    • 2 个 I2C
    • 2 个 UART
    • 3 个 12 位 ADC
    • 13 个可控 PWM 通道
  • 片内内置温度传感器
  • 8 个可编程 I/O (PIO) 状态机,用于自定义外设支持

引脚分布

RP2040-ETH-details-inter.jpg

使用教程

环境搭建

C/C++ 开发环境安装
* 使用例程与教程之前,需要搭建开发环境,并且学会工程的基础使用方法
MicroPython 开发环境安装
*去Thonny 官网下载适合自己系统的软件
  • 安装完成之后,第一次要配置语言和主板环境,由于我们是为了使用Pico,所以注意主板环境选择Raspberry Pi 选项
Pico-R3-Tonny1.png
  • 配置Micrpython环境及选择Pico端口。
    • 先将Raspberry Pi Pico 接入电脑,左键点击Thonny右下角的配置环境选项--》选择configture interpreter
    • 在弹出的窗口栏中选择MicroPython(Raspberry Pi Pico),同时选择对应的端口。
Raspberry-Pi-Pico-Basic-Kit-M-2.png
Raspberry-Pi-Pico-Basic-Kit-M-3.png
  • 点击ok后返回到Thonny主界面,下载固件库到Pico里面,然后点击停止按钮,在Shell窗口中即可显示当前使用到的环境。
  • Pico在windows下载固件库方法: 连接电脑后,同时按住BOOT跟RESET键后,先松开RESET,再松开BOOT再,电脑会出现一个可移动磁盘,将固件库复制进去即可。

  • 树莓派系统跟windows系统操作类似,树莓派需要安装带桌面的最新版本系统即可

Arduino IDE 开发环境安装
*打开Arduino IDE,进入File->Preferences
  • 在弹出的对话框中,在“Additional Boards Manager URLs”字段中输入以下URL(需要梯子):
https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json
  • 点击OK关闭对话框。
  • 进入IDE中的工具->开发板管理器
  • 在搜索框中输入“pico”,然后选择“添加”:
教程名4
列表4
教程名5
列表5
教程名6
列表6
教程名7
列表7
教程名8
列表8

硬件连接

  • CH9120跟RP2040内部连接如下。
RP2040连接引脚对应关系
CH9120 RP2040 功能
RXD GP21 串行数据输入
TXD GP20 串行数据输出
TCPCS GP17 TCP客户端模式下,连接状态指示,低电平表示连接成功
CFG0 GP18 网络配置使能脚,低电平时,进入串口配置模式
RSTI GP19 复位,低电平有效

例程使用

树莓派环境下

  • 打开树莓派终端,执行:
cd ~
sudo wget https://www.waveshare.net/w/upload/8/88/RP2040_ETH_CODE.zip
unzip RP2040_ETH_CODE.zip
cd ~/RP2040_ETH_CODE

C

  • 以下教程为在树莓派上操作,但由于cmake的多平台、可移植的特点,在PC上也是能成功编译,但操作略有不同,需要您自行判断。
  • 进行编译,请确保在C/RP2040-ETH-Demo/build/目录下:
  • 进入build目录,并添加SDK:
  • 其中 ../../pico-sdk 是你的SDK的目录。
cd C/RP2040-ETH-Demo/build/
export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
#注意:务必写对你自己的SDK所在路径
cmake ..
#执行make生成可执行文件,第一次编译时间比较久
make -j9
#编译完成,会生成uf2文件。
  • 将RP2040-ETH连接树莓派后,同时按住BOOT跟RESET键后,先松开RESET,再松开BOOT再,电脑会出现一个可移动磁盘,将固件库复制进去即可。
cp main.uf2 /media/pi/RPI-RP2/

Python

  • RP2040-ETH连接树莓派后,同时按住BOOT跟RESET键后,先松开RESET,再松开BOOT再,电脑会出现一个可移动磁盘
  • 将~/RP2040_ETH_CODE/Python/rp2-pico-20230209-unstable-v1.19.1.uf2 文件拷入RP2040中。
  • 在树莓派上打开Thonny IDE (点击树莓logo -> Programming -> Thonny Python IDE ),你可以在Help->About Thonny查看版本信息
  • 以确保你的版本是有Pico支持包的,同样你可以点击Tools -> Options... -> Interpreter选择MicroPython(Raspberry Pi Pico 和ttyACM0端口

如图所示:
Pico-lcd-0.96-img-config2.png
如果你当前的Thonny版本没有pico支持包,输入以下指令来更新Thonny IDE

sudo apt upgrade thonny

3.点击File->Open...->~/RP2040_ETH_CODE/Python/RP2040-ETH-Demo.py,运行脚本即可

Windows环境下

C

  • 先安装Visual Studio Code
  • 安装完成后,打开Visual Studio Code 拓展界面(快捷键Ctrl+Shift+X)
  • 输入CMake Tools并安装
  • 按F1输入open settings UI,打开设置UI界面
  • 搜索cmake.configureEnvironment
  • 点击添加项
Item Value
PICO_SDK_PATH [存放PICO-SDK路径]\pico-sdk
  • “[存放PICO-SDK路径]\pico-sdk”为您存放sdk的路径,填写不对将无法编译
  • 再搜索cmake.generator,填入:
NMake Makefiles
#Ctrl+S保存设置,清空build文件夹,重启Visual Studio Code并重新编译
  • 点击下载程序,解压后进入RP2040_ETH_CODE的文件夹中。
  • 进入RP2040_ETH_CODE\C\RP2040-ETH-Demo后,使用vs code打开工程

RP2040-ETH-2.jpg

  • 选择编译器

1.28inch-Touch-LCD-16.jpg

  • 开始编译

1.28inch-Touch-LCD-17.jpg

  • 编译完成

1.28inch-Touch-LCD-18.jpg

  • 将build中的main.uf2文件拷贝带Pico中,就会自动运行程序了。

RP2040-ETH-3.jpg

Python

  • RP2040-ETH连接电脑后,同时按住BOOT跟RESET键后,先松开RESET,再松开BOOT再,电脑会出现一个可移动磁盘
  • 2.将Python目录中rp2-pico-20230209-unstable-v1.19.1.uf2 文件复制到识别的可移动盘(RPI-RP2)中
  • 3.打开Thonny IDE(注意:要使用最新版本的Thonny,否则是没有Pico的支持包的,当前Windows下的最新版本为v3.3.3)
  • 4.点击工具->设置->解释器,如图所示选择Pico及对应的端口

Pico-lcd-0.96-img-config.png

  • 5.文件->打开->RP2040-ETH-Demo.py,点击运行即可,如下图所示:

LCD 1inch47 3.jpg

  • 本例程只提供了一个简单的测试程序。

上位机配置

  • 如果想通过上位机配置,不通过串口命令去控制,可以参考以下方法,此方法只适用于windows系统:
  • 下载网络配置工具
  1. 给RP2040-ETH连接上电源跟以太网
  2. 打开网络配置工具
  3. 搜索设备->双击搜索到的设备->设置自己需要的信息->配置设备参数->等待重启完成

RP2040-ETH-4.jpg

  • 执行完上图的1和2,然后配置红框中的参数,然后执行3,等待4出现即可

示例程序

C/C++例程

1.网络配置

  • 配置工作模式、IP、网关、子网掩码、端口号和串口波特率的代码都在CH9120.c或者CH9120.cpp文件中,按照自己实际需求进行修改即可:
UCHAR CH9120_Mode = TCP_CLIENT; //Optional:TCP_SERVER、TCP_CLIENT、UDP_SERVER、UDP_CLIENT
UCHAR CH9120_LOCAL_IP[4] = {192, 168, 10, 205};   // LOCAL IP
UCHAR CH9120_GATEWAY[4] = {192, 168, 11, 1};      // GATEWAY
UCHAR CH9120_SUBNET_MASK[4] = {255, 255, 252, 0}; // SUBNET MASK
UCHAR CH9120_TARGET_IP[4] = {192, 168, 10, 137};  // TARGET_IP
UWORD CH9120_PORT1 = 1000;                        // LOCAL PORT1
UWORD CH9120_TARGET_PORT = 2000;                  // TARGET PORT
UDOUBLE CH9120_BAUD_RATE = 115200;                // BAUD RATE
  • 各工作模式在头文件已定义,可以直接修改CH9120_Mode使用
#define TCP_SERVER 0
#define TCP_CLIENT 1
#define UDP_SERVER 2
#define UDP_CLIENT 3

2.硬件接口

  • 进入配置模式
void CH9120_Start();
  • 退出配置模式
void CH9120_End();
  • 配置工作模式
void CH9120_SetMode(UCHAR Mode);
  • 配置本地IP
void CH9120_SetLocalIP(UCHAR CH9120_LOCAL_IP[]);
  • 配置子网掩码
void CH9120_SetSubnetMask(UCHAR CH9120_SUBNET_MASK[]);
  • 配置网关
void CH9120_SetGateway(UCHAR CH9120_GATEWAY[]);
  • 配置目标IP
void CH9120_SetTargetIP(UCHAR CH9120_TARGET_IP[]);
  • 配置本地端口号
void CH9120_SetLocalPort(UWORD CH9120_PORT);
  • 配置目标端口号
void CH9120_SetTargetPort(UWORD CH9120_TARGET_PORT);
  • 配置波特率
void CH9120_SetBaudRate(UDOUBLE CH9120_BAUD_RATE);

3.代码解析
主要代码如下:

int Pico_ETH_CH9120_test(void)
{
    CH9120_init(); //Initialize Configuration CH9120
    RX_TX();       //receive and dispatch
}
  • CH9120_init();
    调用各个硬件接口对CH9120进行初始化配置
  • RX_TX();
    CH9120初始化完成后,调用RX_TX()进入数据收发模式,CH9120会将接收到的信息再发送回去(仅限Acsll码字符串)

4.运行效果

  • 打开网络调试工具,配置TCP服务端,等待RP2040-ETH发起连接,观察右下角提示检查是否连接成功
    RP2040-ETH-Demo-show1.jpg
  • 数据收发测试
    RP2040-ETH-Demo-show2.jpg

MicroPython例程

01-TCP/UDP

1.网络配置
配置工作模式、IP、网关、子网掩码、端口号和串口波特率的代码都在 Python/RP2040-ETH-Demo/RP2040-ETH-Demo.py文件中,按照自己实际需求进行修改即可:

MODE = 1  #0:TCP Server 1:TCP Client 2:UDP Server 3:UDP Client
GATEWAY = (192, 168, 1, 1)    # GATEWAY
TARGET_IP = (192, 168, 1, 10) # TARGET_IP
LOCAL_IP = (192, 168, 1, 200) # LOCAL_IP
SUBNET_MASK = (255,255,255,0) # SUBNET_MASK
LOCAL_PORT1 = 1000            # LOCAL_PORT1
TARGET_PORT = 2000            # TARGET_PORT
BAUD_RATE = 115200            # BAUD_RATE

2.硬件接口
CH9120 的配置函数都在 Python/RP2040-ETH-Demo/ch9120.py 文件中,程序通过导入 CH9120 类,再通过 ch9120 对象调用

  • 创建对象
ch9120 = CH9120(uart1)
  • 进入配置模式
ch9120.enter_config()
  • 退出配置模式
ch9120.exit_config()
  • 配置工作模式
ch9120.set_mode(MODE)
  • 配置本地IP
ch9120.set_localIP(LOCAL_IP)
  • 配置子网掩码
ch9120.set_subnetMask(SUBNET_MASK)
  • 配置网关
ch9120.set_gateway(GATEWAY)
  • 配置本地端口号
ch9120.set_localPort(LOCAL_PORT1)
  • 配置目标IP
ch9120.set_targetIP(TARGET_IP)
  • 配置目标端口号
ch9120.set_targetPort(TARGET_PORT)
  • 配置波特率
ch9120.set_baudRate(BAUD_RATE)

3.代码解析
主要代码如下:

if __name__ == "__main__":
    ch9120_configure()
    while True:
        time.sleep(0.1)
        while uart1.any() > 0:
            rxData1 = uart1.read(uart1.any())
            uart1.write(rxData1)
            print(rxData1.decode('utf8'))
  • ch9120_configure()
    调用各个硬件接口对CH9120进行初始化配置
  • CH9120初始化完成后,进入数据收发模式,CH9120会将接收到的信息再发送回去(仅限Acsll码字符串)

4.运行效果

  • 烧录micropython固件,上传ch9120.py,运行程序
    RP2040-ETH-Python-Demo-config.jpg
  • 打开网络调试工具,配置TCP服务端,等待RP2040-ETH发起连接,观察右下角提示检查是否连接成功
    RP2040-ETH-Demo-show1.jpg
  • 数据收发测试
    RP2040-ETH-Demo-show2.jpg

02-MQTT

1.网络配置
基于 TCP/IP 协议实现 MQTT 通讯,MQTT 与 CH9120 的配置代码都在 Python/RP2040-ETH-Demo/RP2040-ETH-MQTT.py 文件中:

# MQTT
CLIENT_ID = "Waveshare_RP2040_ETH"
SUBSCRIBE_TOPIC = "test_topic1"
PUBLISH_TOPIC = "test_topic2"
# CH9120
MODE = 1  #0:TCP Server 1:TCP Client 2:UDP Server 3:UDP Client
GATEWAY = (192, 168, 1, 1)     # GATEWAY
TARGET_IP = (47, 92, 129, 18)  # TARGET_IP
LOCAL_IP = (192, 168, 1, 200)  # LOCAL_IP
SUBNET_MASK = (255,255,255,0)  # SUBNET_MASK
LOCAL_PORT1 = 1000             # LOCAL_PORT1
TARGET_PORT = 1883             # TARGET_PORT
BAUD_RATE = 115200             # BAUD_RATE

MQTT相关变量说明,可根据自身需求进行修改:

CLIENT_ID:客户端ID
SUBSCRIBE_TOPIC:订阅主题名称
PUBLISH_TOPIC:发布主题名称
TARGET_IP:MQTT服务端IP
TARGET_PORT:MQTT服务端通信端口

2.接口函数

  • 创建MQTT客户端对象
mqtt_client = MQTTClient(uart1)
  • 发起连接请求
mqtt_client.connect()
  • 订阅主题
mqtt_client.subscribe(SUBSCRIBE_TOPIC)
  • 发布消息
mqtt_client.publish(PUBLISH_TOPIC, message)
  • 发送心跳包
mqtt_client.send_heartbeat()
  • 检查心跳响应
mqtt_client.check_heartbeat_response()
  • 解析数据
mqtt_client.extract_data(rxData)

3.代码解析
主要代码如下:

if __name__ == "__main__":
    ch9120_configure()
    mqtt_client = MQTTClient(uart1)
    mqtt_client.ClientID = CLIENT_ID # Set ClientID
    mqtt_client.connect() # Connect to MQTT server
    mqtt_client.subscribe(SUBSCRIBE_TOPIC) # Subscribe to topic:test_topic1

    while True:
        rxData = uart1.read()
        if rxData is not None:
            topic, message = mqtt_client.extract_data(rxData) # Parse the received data
            if topic == SUBSCRIBE_TOPIC:
                print("Topic:", topic)
                print("Message:", message)
                mqtt_client.publish(PUBLISH_TOPIC, message) # Send received data to topic:test_topic2
        time.sleep_ms(20)

这段代码首先对CH9120进行配置,然后向MQTT服务端的通讯端口发送字节数据进行连接和订阅主题:

ch9120_configure()
mqtt_client = MQTTClient(uart1)
mqtt_client.ClientID = CLIENT_ID # Set ClientID
mqtt_client.connect() # Connect to MQTT server
mqtt_client.subscribe(SUBSCRIBE_TOPIC) # Subscribe to topic:test_topic1
  • ch9120_configure()
    调用各个硬件接口对CH9120进行初始化配置
  • mqtt_client = MQTTClient(uart1)
    创建一个MQTT客户端对象mqtt_client
  • mqtt_client.ClientID = CLIENT_ID
    配置客户端ID
  • mqtt_client.connect()
    向MQTT服务端发起连接请求
  • mqtt_client.subscribe(SUBSCRIBE_TOPIC)
    订阅主题

这段代码表示进入数据收发模式,将接收到的消息从另一个主题发送回去:

while True:
    rxData = uart1.read()
    if rxData is not None:
        topic, message = mqtt_client.extract_data(rxData) # Parse the received data
        if topic == SUBSCRIBE_TOPIC:
            print("Topic:", topic)
            print("Message:", message)
            mqtt_client.publish(PUBLISH_TOPIC, message) # Send received data to topic:test_topic2
    time.sleep_ms(20)
  • rxData = uart1.read()
    读取数据
  • topic, message = mqtt_client.extract_data(rxData)
    解析数据,从数据中提取主题和消息
  • if topic == SUBSCRIBE_TOPIC
    如果是订阅的主题则打印主题名称和消息
  • mqtt_client.publish(PUBLISH_TOPIC, message)
    将接收到的消息从另一个主题发送回去

在连接建立后,客户端需要确保自己任意两次 MQTT 协议包的发送间隔不超过 Keep Alive 的值,如果客户端当前处于空闲状态,没有可发送的包,则可以发送 PINGREQ 协议包(心跳包)。如果MQTT服务端没有在 Keep Alive 的 1.5 倍时间内,收到来自客户端的任何包,则会认为和客户端之间的连接出现了问题,此时服务端便会断开和客户端的连接。所以客户端在长时间不发送数据包且要保持连接,需要每隔一段时间发送一次心跳包,通常建议在 Keep Alive 时间的一半内发送一次。下面这段代码表示每30秒向服务端发送一次心跳包,若检查心跳失败时,将进行重新连接,直到检查心跳成功时退出:

current_time = time.time()
    if current_time - last_heartbeat_time >= 30:
    last_heartbeat_time = current_time
    mqtt_client.send_heartbeat()
    if not mqtt_client.check_heartbeat_response():
        while True:
            mqtt_client.send_heartbeat()
            if mqtt_client.check_heartbeat_response():
                break
  • mqtt_client.send_heartbeat()
    向MQTT服务端发送心跳包,通常建议在Keep Alive时间的一半内发送一次,程序中Keep Alive设置为60秒,所以每30秒发送一次
  • mqtt_client.check_heartbeat_response()
    检查MQTT服务端返回的心跳响应,若返回数据正常则退出循环,不正常则继续尝试重新连接

4.运行效果

  • 烧录micropython固件,上传ch9120.py和mqtt_client.py,运行程序
    RP2040-ETH-Python-MQTT-config.jpg
  • 打开MQTT客户端测试工具,配置MQTT客户端,配置完成点击右上角Connect进行连接
    RP2040-ETH-MQTT-show1.jpg
  • 订阅主题
    RP2040-ETH-MQTT-show2.jpg
  • 数据收发测试,使用工具向test_topic1主题发送消息,RP2040-ETH接收到后通过test_topic2主题传回消息
    RP2040-ETH-MQTT-show3.jpg

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