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[APM32F4] 【技术分享】玩点不一样的,APM32F411通过SWD输出数据波形!

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 楼主| kai迪皮 发表于 2023-11-30 11:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
#申请原创# @21小跑堂


1 背景

上次我们利用pyocd和Python脚本对APM32F411进行了LED输出状态的读取以及读保护的解除(具体看:还可以这样玩?APM32F411与pyocd的火花[https://bbs.21ic.com/icview-3342212-1-1.html])。
我就在想既然可以读取寄存器的内容值,并打印出来,那我们是不是也可以利用Python的库把读取到的内容进行波形绘制出来呢?
想到就去做。

2 Python的波形绘制

Python的波形绘制,我们可以利用matplotlib库。
安装命令:pip install pyocd matplotlib
这个是它的文档:https://matplotlib.org/stable/users/index
我们这里仅需要绘制一个简单的线图,有内容有:

1. y轴,内容(值的大小)
2. x轴,时间(表示采样到值的时间)
3. 描线,把一个个点采样到的内容描绘线,这个将是动态的。

3 读取PE5/6的状态并输出数据波形

老规矩我们这里拿PE5/6练练手。具体流程如下:

pe5pe6.png

1. 设置读取的地址,APM32F411的GPIOE ODR寄存器:

  1. # APM32F411 GPIOE寄存器的基地址(根据参考手册确定)
  2. GPIOE_BASE = 0x40021000
  3. # GPIOE 输出数据寄存器的偏移量(根据参考手册确定)
  4. GPIOE_ODR_OFFSET = 0x14
  5. # GPIOE 输出数据寄存器地址
  6. GPIOE_ODR = GPIOE_BASE + GPIOE_ODR_OFFSET

2. 设置读取的时间间隔和最大取点数量,我这里设置0.1s读取一次状态,保存的40个点:

  1. # 读取的时间间隔
  2. READ_INTERVAL = 0.1  # 单位秒
  3. MAX_POINTS = 40  # max number of points to display at once

3. 设置横纵坐标的取值范围。

4. 设置matplotlib,及横纵坐标名称、图例等内容。

5. 然后写一个函数对状态进行读取:

  1. # 更新波形函数
  2. def update_line(frame):
  3.     # 使用PyOCD连接目标设备
  4.     with ConnectHelper.session_with_chosen_probe(unique_id=TARGET_DEVICE_SERIAL_NUMBER) as session:
  5.         board = session.board
  6.         target = board.target
  7.         gpioe_odr_val = target.read32(GPIOE_ODR)
  8.         pe5_state = (gpioe_odr_val >> 5) & 0x1
  9.         pe6_state = (gpioe_odr_val >> 6) & 0x1
  10.         
  11.         # 更新状态
  12.         pin_states['PE5'].append(pe5_state)
  13.         pin_states['PE6'].append(pe6_state)
  14.         
  15.         # 更新时间点
  16.         current_time = time.time() - start_time
  17.         time_points.append(current_time)
  18.         
  19.         # 更新波形图
  20.         lines_pe5.set_data(time_points, pin_states['PE5'])
  21.         lines_pe6.set_data(time_points, pin_states['PE6'])
  22.         
  23.         # 移动时间轴
  24.         if len(time_points) == MAX_POINTS:
  25.             ax.set_xlim(time_points[0], time_points[-1])
  26.             
  27.         return lines_pe5, lines_pe6



6. 最后把波形进行显示出来。

最后我们看看效果:

GIF 2023-11-30 11-04-17.gif

但是波形和我们目标板卡上的灯闪烁(时间间隔一致,及0/1的时间应该是同样的)不太一样,这是为什么呢?请看5.2小结。

4 读取RAM的内容并输出数据波形

4.1 设置波形

保存在RAM的数据我这里用在线的网站整了两个波形:

y=500sin(x/100)+500,y=200sin(x/100)+500。

为什么选这两个波形呢?

因为这两个波形的数据都是正整数,因为我现在只想对`uint32_t`的数据进行描绘,所以我这里就选择了能在正整数区域,并小于0xFFFFFFFF的数据。

4.2 波形取点

我计划在APM32F411的滴答demo里面对这个两个波形进行描绘,但是我们知道——用MCU对三角函数的计算是较为不便的,很多情况下我们是对波形这里进行取点操作。

我这里也讨个巧,直接对波形进行取点。我这里写了一个Python脚本:

  1. import math

  2. # 定义波形函数
  3. def wave1(x):
  4.     return int(500 * math.sin(x / 100) + 500)

  5. def wave2(x):
  6.     return int(200 * math.sin(x / 100) + 500)

  7. # 设置参数
  8. points = 628

  9. # 计算波形点并格式化为字符串
  10. wave1_points = ', '.join(f'{wave1(x)}' for x in range(points))
  11. wave2_points = ', '.join(f'{wave2(x)}' for x in range(points))

  12. wave1_array_str = f"data1[628] = {{{wave1_points}}};\n"
  13. wave2_array_str = f"data2[628] = {{{wave2_points}}};\n"

  14. # 写入到文件
  15. filename = 'E:/03_Work/00_Notes/APM32F4/APM32F411_python_pyocd_Graphic_drawing/code/wave_points.txt'
  16. with open(filename, 'w') as file:
  17.     file.write(wave1_array_str)
  18.     file.write(wave2_array_str)

  19. print(f"The wave points have been written to {filename}")

这里我对这个脚本进行一下简单的说明:

1. 导入`math`模块,以便可以使用其中的数学函数:正弦函数sin。

2. 定义波形函数`wave1`和`wave2`。`wave1`就是`y=500 * sin(x / 100) + 500`,而`wave2`就是`y=200 * sin(x / 100) + 500`。

3. 设置了一个变量`points`,表示生成的波形点的数量,我这里的取值是628,表示取628个点。

4. 使用循环计算每个波形点的值,并将这些值格式化为字符串。`wave1_points`和`wave2_points`分别保存了`wave1`和`wave2`的波形点的字符串表示,每个点之间用逗号分隔。

5. 通过字符串操作,将取到的波形点转换成字符串表示。如data1[628]就是我们波形1取到的点数。

6. 最后,代码将数组字符串写入到文件中。指定文件路径,我的是`E:/03_Work/00_Notes/APM32F4/APM32F411_python_pyocd_图形绘制/code/wave_points.txt`。

7. 最后打印出文件保存的路径,提示波形的数据点已成功写入文件。

总结起来,这段代码的作用是生成两个波形函数的波形点,并将这些点保存到指定的文件中。大家也可以参考这个操作生成自己想要的的波形的数据点。

4.3 编写APM32F411程序

把我们刚刚取到的点,放到APM32F411指定的RAM地址,然后隔一段时间赋值下一个点。

在MDK里面,指定某个数组保存在指定地址用的语法是:

__attribute__((section(".ARM.__at_0x20000000"))),0x20000000是指定的地址。

伪代码示意如下:

  1. const uint32_t data1[628] = {500, 504, ...}
  2. const uint32_t data2[628] = {500, 501, ...}

  3. uint32_t w_data[2] __attribute__((section(".ARM.__at_0x20000000")));

  4. ...
  5. ...

  6. while (1)
  7.     {
  8.         /* Precise Delay 1ms */
  9.         SysTick_Delay_ms(20);
  10.   
  11.         w_data[0] = data1[i];
  12.         w_data[1] = data2[i];

  13.         i++;
  14.         if (i >= 628)
  15.         {
  16.             i = 0;
  17.         }
  18.     }

我这里每隔20m就描绘下一个点。

4.4 数据抓取并描绘

这个部分和上文提到的PE5/6的基本类似,但是我们需要注意的是:

1. PE5/6的状态只有0/1,它的脚本里面的y坐标的取值范围是[-0.5,1.5]。我们的波形取值到了[0,500],所以我们要修改一下坐标范围。
2. 然后读取的时间间隔设置短一定,因为我们APM32F411的波形绘制是20ms就进行下一个点的绘制了。

总体的代码这里就不贴出来了,大家最后可以看附件里面。

然后我们数据抓取的效果图:

GIF 2023-11-22 16-02-59.gif

和我们网站https://www.desmos.com/calculator?lang=zh-CN描绘的图像对比:

image-20231122160544754.png

基本一致(不一致的原因是什么呢?大家可以想想)

5 基本原理解释

5.1 读取

数据的读取功能我们使用了pyocd的“target.read32”接口。用这个接口我们基本可以对APM32F411支持读取的区域进行读取。

5.2 采样

由于我们是利用pyocd+Geehy-link进行APM32F411的数据进行间隔一段时间进行读取的。这个就有一个叫做“采样率”的东西。

在实际应用中,我们的RAM内容数据其实是实时更新的,我们要清楚的知道我们的数据在ram中的更新频率,以匹配我们的读取频率才能得到更优的答案。

6 最后

利用pyocd+Geehy-link我们发现的可玩性巨高,更多好玩的东西欢迎我们一起讨论~~。

4.4 提及到的图像不一致的原因是什么呢?

答案就是我们的两个波形x轴的取值间隔是不一样的,网站绘制的图是非常标准的,我们绘制的图失真在APM32F411的绘制上:20ms才绘制下一个点,理论上应该是多少呢?欢迎评论区讨论!

这里是代码: APM32F4xx_SDK_V1.4_APM32F411 TINY Graphic drawing code.zip (820.22 KB, 下载次数: 1)



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21小跑堂 打赏了 80.00 元 2023-12-08
理由:恭喜通过原创审核!期待您更多的原创作品~

评论

很有意思且实用的功能,使用Python结合matplotlib库,在单片机的SWD接口获取单片机的寄存器数据进行绘图,对于数据的调试很实用,图形的展示使得效果更为直观。作者的整体过程描述清晰,便于复刻。  发表于 2023-12-8 18:55
chenjun89 发表于 2023-12-8 19:59 来自手机 | 显示全部楼层
这个不错,合理利用JTAG和SWD接口。

评论

感谢支持  发表于 2023-12-10 12:17
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