第1章：Raspberry Pi Pico 概述
本章将全面介绍 Raspberry Pi Pico 开发板的硬件架构、核心特性以及在物联网项目中的应用场景。
1.1 Raspberry Pi Pico 简介
1.1.1 项目背景
2021年1月，树莓派基金会推出了进军微控制器领域的 Raspberry Pi Pico。作为一款低成本、高性能的微控制器开发板，Pico 以其强大的功能和亲民的价格迅速获得了全球创客的关注。
Pico 的外形尺寸为 21mm × 51mm，与 Arduino Nano 相近，但性能却有质的飞跃。
1.1.2 核心芯片 RP2040
Raspberry Pi Pico 的核心是 RP2040 微控制器芯片，由树莓派基金会自主设计。
| 特性 | 参数 |
|---|---|
| 处理器 | 双核 ARM Cortex-M0+ |
| 主频 | 133 MHz（可超频） |
| SRAM | 264 KB |
| Flash | 2 MB 板载闪存 |
| GPIO | 30 个多功能引脚（26 个暴露） |
| ADC | 12 位分辨率，4 通道 |
| PWM | 16 通道 |
| PIO | 8 个可编程 I/O 状态机 |
1.1.3 PIO 可编程 I/O
RP2040 最具创新性的特性是 PIO（Programmable I/O）。PIO 是一种可编程的状态机，能够实现各种自定义通信协议：
- 模拟 WS2812B LED 驱动时序
- 实现 VGA 视频输出
- 自定义 SPI/I2C 变体
- 高精度时序控制
# PIO 状态机示例 - WS2812 时序
@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
T1 = 2
T2 = 5
T3 = 3
wrap_target()
label("bitloop")
out(x, 1) .side(0) [T3 - 1]
jmp(not_x, "do_zero") .side(1) [T1 - 1]
jmp("bitloop") .side(1) [T2 - 1]
label("do_zero")
nop() .side(0) [T2 - 1]
wrap()
1.2 引脚分布与功能
1.2.1 引脚图
┌───────────────────┐
GP0 ─┤ 1 40 ├─ VBUS
GP1 ─┤ 2 39 ├─ VSYS
GND ─┤ 3 38 ├─ GND
GP2 ─┤ 4 37 ├─ 3V3_EN
GP3 ─┤ 5 36 ├─ 3V3(OUT)
GP4 ─┤ 6 35 ├─ ADC_VREF
GP5 ─┤ 7 34 ├─ GP28/ADC2
GND ─┤ 8 33 ├─ GND
GP6 ─┤ 9 32 ├─ GP27/ADC1
GP7 ─┤10 31 ├─ GP26/ADC0
GP8 ─┤11 30 ├─ RUN
GP9 ─┤12 29 ├─ GP22
GND ─┤13 28 ├─ GND
GP10 ─┤14 27 ├─ GP21
GP11 ─┤15 26 ├─ GP20
GP12 ─┤16 25 ├─ GP19
GP13 ─┤17 24 ├─ GP18
GND ─┤18 23 ├─ GND
GP14 ─┤19 22 ├─ GP17
GP15 ─┤20 21 ├─ GP16
└───────────────────┘
1.2.2 电源引脚
| 引脚 | 说明 |
|---|---|
| VBUS | USB 5V 电源输入 |
| VSYS | 系统电源输入 (2-5V) |
| 3V3(OUT) | 3.3V 稳压输出（最大 300mA） |
| GND | 接地（8 个 GND 引脚） |
| 3V3_EN | 稳压器使能控制 |
1.2.3 模拟输入
Pico 提供 3 个外部 ADC 通道：
| ADC 通道 | GPIO 引脚 |
|---|---|
| ADC0 | GP26 |
| ADC1 | GP27 |
| ADC2 | GP28 |
| ADC3 | 内部温度传感器 |
注意：MicroPython 将 ADC 值映射到 16 位范围（0-65535），而非原生的 12 位（0-4095）。
from machine import ADC
# 读取 ADC0
adc = ADC(26)
value = adc.read_u16() # 返回 0-65535
voltage = value * 3.3 / 65535 # 转换为电压值
1.3 通信接口
1.3.1 I2C 总线
Pico 提供 2 个硬件 I2C 控制器：
| I2C | SDA 默认 | SCL 默认 |
|---|---|---|
| I2C0 | GP4 | GP5 |
| I2C1 | GP14 | GP15 |
from machine import I2C, Pin
# 初始化 I2C
i2c = I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)
# 扫描设备
devices = i2c.scan()
for d in devices:
print(f"发现设备: 0x{d:02x}")
1.3.2 SPI 总线
Pico 提供 2 个硬件 SPI 控制器：
from machine import SPI, Pin
# 初始化 SPI
spi = SPI(0, baudrate=1000000, polarity=0, phase=0,
sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(4))
1.3.3 UART 串口
from machine import UART, Pin
# 初始化 UART
uart = UART(0, baudrate=9600, tx=Pin(0), rx=Pin(1))
uart.write("Hello World\n")
1.4 逻辑电平与供电
1.4.1 3.3V 逻辑
Pico 是 3.3V 逻辑器件，GPIO 引脚的高电平为 3.3V。直接连接 5V 设备可能损坏 Pico。
1.4.2 供电方式
- Micro USB：通过 USB 供电，提供 5V
- VSYS 引脚：外部 2-5V 电源输入
- VBUS 引脚：外部 5V 电源输入
电源优先级: USB VBUS > VSYS
1.5 板载资源
1.5.1 板载 LED
Pico 板载一个连接到 GP25 的绿色 LED：
from machine import Pin
import time
led = Pin(25, Pin.OUT)
while True:
led.toggle()
time.sleep(0.5)
1.5.2 BOOTSEL 按钮
BOOTSEL 按钮用于进入固件烧录模式：
- 按住 BOOTSEL 按钮
- 连接 USB
- Pico 将作为 USB 存储设备出现
- 拖放 UF2 固件文件
1.6 与 Arduino 的对比
| 特性 | Raspberry Pi Pico | Arduino Uno |
|---|---|---|
| 处理器 | 双核 ARM Cortex-M0+ | ATmega328P |
| 主频 | 133 MHz | 16 MHz |
| RAM | 264 KB | 2 KB |
| Flash | 2 MB | 32 KB |
| 工作电压 | 3.3V | 5V |
| GPIO | 26 | 14 |
| ADC 分辨率 | 12 位 | 10 位 |
| 价格 | ￥25-35 | ￥50-80 |
1.7 适用场景
1.7.1 推荐场景
- 物联网传感器节点：低功耗、多接口
- 教育实验：价格低廉、资料丰富
- 原型开发：快速验证想法
- 自定义外设：PIO 实现特殊协议
1.7.2 不推荐场景
- 需要 WiFi/蓝牙：原版 Pico 无无线功能（可选 Pico W）
- 高性能计算：M0+ 核心计算能力有限
- 5V 信号处理：需要电平转换
1.8 本章小结
本章介绍了 Raspberry Pi Pico 的硬件架构、引脚功能、通信接口和供电方式。关键要点：
- Pico 采用双核 RP2040 芯片，主频高达 133 MHz
- 提供 26 个可用 GPIO 引脚和 3 个 ADC 通道
- 支持 I2C、SPI、UART 等多种通信协议
- PIO 状态机可实现自定义通信时序
- 3.3V 逻辑电平，注意电平兼容性
下一章将介绍 MicroPython 开发环境的搭建。