3.17. 位元串流與脈衝測量

有些裝置需要的是精確計時的脈衝樣式，而非固定頻率的 PWM 訊號。WS2812 RGB LED 將每個位元編碼為特定寬度的脈衝；HC-SR04 超音波測距器以一個回波脈衝回應，其寬度即為往返飛行時間；IR 遙控器則發送一段標頭，後接以開關序列表示的資料位元。

machine 模組有兩個函式可用於這類計時精確的 GPIO：

• bitstream() 發送一段脈衝串，0 與 1 位元各有獨立的計時。

• time_pulse_us() 以微秒為單位測量傳入脈衝的寬度。

3.17.1. 發送位元串流

machine.bitstream() 接收一個接腳、一種編碼、一份計時規格，以及要發送的位元組。最常見的編碼（0）是高-低脈衝寬度調變：每個位元由一段某寬度的高脈衝後接另一寬度的低脈衝組成，0 與 1 位元具有不同的計時。

高-低脈衝寬度編碼：0 與 1 各由一個高相位後接一個低相位組成，寬度各不相同。

典型範例是 WS2812（NeoPixel）RGB LED，它預期位元以 800 kHz 並採用以下計時：

• 0：400 ns 高，接著 850 ns 低。

• 1：800 ns 高，接著 450 ns 低。

from machine import Pin, bitstream

pin = Pin("P7", Pin.OUT)

# (high_0, low_0, high_1, low_1) in nanoseconds
timing = (400, 850, 800, 450)

# one LED: GRB order, three bytes per LED (red shown here)
bitstream(pin, 0, timing, b"\x00\xff\x00")

MCU 以位元拍打（bit-bang）方式按要求的寬度產生脈衝；在速度夠快的相機上，計時可精確到數十奈秒之內。

警告

bitstream() 在整個傳輸期間停用所有中斷，以便能精確控制脈衝計時。呼叫時長會隨位元組數線性增長 -- 以 WS2812 計時（每位元組約 10 µs）來說，發送 100 位元組會讓 CPU 暫停約 1 ms、1000 位元組約 10 ms、10000 位元組則為整整 100 ms。每次呼叫超過數百位元組就有可能造成明顯的卡頓 -- 請將長更新拆解為較小的區塊，讓呼叫在每個區塊之間回傳，好讓指令碼的其餘部分能夠執行。

備註

尤其是在驅動 WS2812 / NeoPixel 燈條時，neopixel 模組將 bitstream() 封裝為更高階的介面，可處理色彩順序重排與整條燈條的批次更新。當協定不是 WS2812、但仍符合高-低 PDM 形態時，再直接使用 bitstream()。

3.17.2. 測量傳入的脈衝

machine.time_pulse_us() 測量接腳上單一脈衝的寬度。它會等待線路達到指定的電位（脈衝的起點），接著測量線路維持在該電位的時間長度（脈衝的終點），並以微秒回傳該時長。

經典用途是 HC-SR04 超音波距離感測器。相機發送一個 10 µs 的觸發脈衝，接著等待回波接腳回傳一個脈衝，其寬度即為聲音的往返時間：

import time
from machine import Pin, time_pulse_us

trigger = Pin("P7", Pin.OUT, value=0)
echo    = Pin("P8", Pin.IN)

while True:
    trigger.value(1)
    time.sleep_us(10)
    trigger.value(0)

    width = time_pulse_us(echo, 1, timeout_us=30_000)
    if width > 0:
        # sound at ~343 m/s; round trip / 2 / 343 = distance (m)
        distance_cm = (width * 343) / 2 / 10_000
        print(distance_cm, "cm")

    time.sleep_ms(100)

第三個引數是以微秒為單位的逾時，分別套用於「等待脈衝開始」與「等待脈衝結束」。逾時時，函式會回傳一個負值以標示是哪個階段失敗：-2 表示脈衝從未開始，-1 表示脈衝已開始但在時間窗內從未結束。

逾時的兩個部分對真實感測器都很重要。HC-SR04 可能需要一到兩毫秒才開始它的回波，而對遠處物體而言，回波本身可能長達數十毫秒。將 timeout_us 設定為所需最大量程的大小，可使測量保持有界。