Microsemi SmartFusion 2 Maker开发板入门指南

工程小贴士
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介绍

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Microsemi Maker 开发板是一款低成本评估套件，搭载 SmartFusion 2片上系统。SmartFusion 2将ARM Cortex-M3处理器与Microsemi基于闪存的FPGA架构集成于单芯片，并包含SoC用户常用的外设，如RAM和DSP模块。Maker开发板额外提供以太网接口、环境光传感器、SPI闪存及若干按键和LED。该开发板还预留了ESP32和ESP8266两种WiFi模块的接口（模块需另购）。

本指南旨在创建演示项目，充分利用Maker开发板的外设资源，并为定制应用开发提供起点。本示例使用FreeRTOS和ESP8266模块构建物联网数据记录设备。

物料清单

资源：

本教程需要以下软件：

注意： 请确保下载SoftConsole v4.0 或 v5.1 版本 SoftConsole v3.4不 支持开发板使用的FlashPro 5编程硬件SoftConsole v5.2+可能兼容，但需大幅修改现有配置

硬件配置

SmartFusion 2硬件配置通过Libero工具完成由于本示例未使用FPGA中的IP核，Libero将用于配置Cortex-M3内核及选择外设

  1. 创建一个新的Libero项目。
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  2. 选择M2S010-TQ144 作为目标器件。
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  3. 点击下一步 (Next) 接受默认的器件设置。
  4. 选择Create a system builder based design 并点击下一步 (Next) 。
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  5. 点击完成（ Finish ） 。无需HDL源代码，约束条件将在后续添加。
  6. 如果提示选择约束流程，请选择Enhanced Constraint Flow 。
  7. Libero会要求为系统命名。选择合适名称并点击确定（ OK ） 。
  8. 随后System Builder将打开。
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  9. 点击下一步 (Next) 。
  10. 在外设页面，启用MM_UART0 、MM_UART1 、MSS_I2C0 和MSS_GPIO 。
  11. 对于每个外设，点击Enable 框左侧的Configure 按钮。将Connect To 选项改为Fabric 。
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  12. 对于GPIO外设，将GPIO 0-7 设置为连接到FABRIC_A 的输出。
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  13. 此时MSS 外设 左侧圆圈应变为绿色，表示配置有效。点击Next。
  14. 从下拉菜单中选择On-chip 25/50 MHz Oscillator 作为时钟源。点击Next。
  15. 点击下一步 (Next) t 接受默认微控制器配置。
  16. 点击下一步 (Next) 接受默认SECDED 配置。
  17. 点击下一步 (Next) 接受默认安全配置。高级安全特性仅适用于带"S"后缀的器件，而Maker-Board并未使用此类器件。
  18. 点击下一步 (Next) 接受默认中断配置。本示例中未使用Fabric中断。
  19. 点击下一步 (Next) 接受默认的内存映射配置。本示例中未使用任何内存映射外设。
  20. 点击完成（ Finish ） 以创建系统。将在框图中创建一个实例。
  21. 打开左侧的IP目录 (Catalog) 并展开宏库（ Macro Library ） 。将两个BIBUF 宏实例拖拽到设计中。
  22. 选中MM_UART0 、MM_UART1 和GPIO_FABRIC 接口并右键点击它们。选择提升至顶层 (Promote to Top Level )。
  23. 展开其余分组并选中INIT_DONE 、FAB_CCC_LOCK 、FAB_CCC_GL0 和MSS_READY 。 右键点击它们并选择标记未使用 (Mark Unused )。
  24. 按下方示意图连接剩余信号。
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  25. 保存框图并点击左上角的生成组件 (Generate Component) 按钮。
  26. 返回左侧的设计流程面板。选择综合 (Synthesize )。
  27. 您将在消息中看到若干关于未使用组件的警告，可安全忽略。
  28. 综合完成后，从设计流程面板选择管理约束 (Manage Constraints) 。
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  29. 选择新建 (New ） → 从根模块创建新 I/O 约束（ Create New I/O Constraint from Root Module) 。Libero将自动生成填充框图顶层端口的约束文件。
  30. 右键点击生成的文件并选择设为目标（ Set as Target ） 。
  31. 选择编辑（ Edit ） →使用 I/O 编辑器编辑（ Edit with I/O Editor ） 。
  32. 按下表设置I/O约束。若无这些设置，请检查IO库设置以配置库电压。
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  33. 保存约束并关闭I/O编辑器。
  34. 返回设计流程面板，选择布局布线（ Place and Route ） 。
  35. 布局布线完成后，运行生成 FPGA 阵列数据（ Generate FPGA Array Data ） 。
  36. FPGA阵列数据生成后，运行生成比特流（ Generate Bitstream ） 。
  37. 使用USB线将Maker开发板连接到电脑。选择运行编程操作（ Run PROGRAM Action ） ，将配置加载到开发板上。
  38. 在设计流程面板底部附近，选择配置固件核心（ Configure Firmware Cores ） 。
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  39. 确保所有可用固件都被选中用于生成。每个在开始时启用的外设都应有一个对应的核心。Libero将提示下载电脑上尚未存在的核心。
  40. 从设计流程面板中，选择导出固件（ Export Firmware ）。 选择SoftConsole4.0 （ SoftConsole4.0 ） 作为软件集成开发环境（ Software IDE ） 。应勾选导出硬件配置和固件驱动程序（ Export hardware configuration and firmware drivers ） 。
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  41. 硬件配置现已完成。

软件应用

硬件设置完成后，即可进行软件开发。如前所述，本示例使用FreeRTOS创建将数据上传至ThingSpeak的物联网传感器节点。同时创建了一个简单的UART桥接，允许用户手动向ESP8266模块发送AT指令。

功能描述

本节将简要概述示例程序中的四个主要任务。了解FreeRTOS将有所帮助。

本程序中的main() 函数负责：

  • 调用硬件外设（UART、I2C、GPIO）的初始化函数
  • 为两个UART创建接收任务
  • 创建读取I2C传感器的任务
  • 创建向WiFi模块发送传感器数据的任务
  • 启动FreeRTOS调度器

调度器启动后，程序将根据优先级在以下任务处理和中断之间切换。

vTaskSpinLEDs() 大约每85毫秒执行一次。它简单地切换SmartFusion 2的GPIO输出，以在板载的8个LED上创建“旋转”效果。

每当任一UART接收到一个或多个字节时，vTaskUARTBridge() 就会被执行。

  • 当UART中断发生时，中断处理程序（prvUARTRxNotificationHandler ）会“发出”任务通知，表示有数据可供读取。中断处理程序退出后，任务将立即开始执行。
  • 该任务尝试获取一个类似信号量的任务通知。如果没有通知/数据可用，任务将阻塞，直到数据变为可用。
  • 当接收到通知时，数据被复制到缓冲区，并通过UART0的终端连接回显。
    • 如果接收到的数据来自UART0（终端），则将其累积在缓冲区中，直到收到\n字符。然后，累积的字符串被发送到UART1上的ESP8266。
    • 如果接收到的数据来自UART1（ESP8266），则将其累积并检查是否为“OK”或某种错误，并通知上传任务。

只要光传感器有数据可用，vTaskUARTUploadData() 就会每20秒执行一次。它简单地用从传感器接收到的数据格式化AT命令字符串，并将其发送到UART1上的ESP8266。使用的AT命令如下。（忽略#后的注释）。

AT+CIPSTART="TCP","184.106.153.149",80                          # Start a TCP connection to the ThingSpeak API server on port 80
  
AT+CIPSEND=XX                                                   # Declare a transfer of XX bytes to the server
  
>GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXXX&field1=yy&field2=zz        # Send a GET request using a custom API key and two data values
  
# Server will respond with the number of entries on the channel and close the connection
# +IPD,3:539CLOSED

vTaskReadLightSensor() 在首次执行时初始化I2C传感器。每次后续执行都会轮询传感器以获取新数据。如果有新数据可用，则从传感器读取，并向上传任务发送包含新数据的通知以进行处理。然后，该任务将阻塞传感器的采样率（默认为500毫秒）。

设置

在编写任何代码之前，使用SoftConsole v4.0时需要按照SoftConsole v4.0发行说明中概述的初始步骤进行操作。还需要将Libero中生成的固件核心导入到项目中。

  1. 打开SoftConsole并选择一个方便的目录作为工作区。
  2. 在SoftConsole中，选择文件（ File ） →新建（ New ） →C 项目（ C Project ） 。
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  3. 为项目命名。确保选择Cross ARM GCC作为工具链。
  4. 点击下一步（ Next ） 以接受默认配置。
  5. 确认工具链名称为GNU Tools for ARM Embedded Processors (arm-none-eabi-gcc)。点击完成（Finish）。
  6. 项目创建后，在项目资源管理器中右键点击它。选择导入（ Import ）。 选择导入文件系统（ File System ）。
  7. 浏览至Libero导出的固件所在目录。勾选固件文件夹以包含其中的所有文件。
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  8. 选择复制到项目工作区中名为firmware 的新文件夹。点击完成（ Finish ） 将固件文件导入项目。
  9. 在项目资源管理器中右键点击项目。选择属性（ Properties ） 。展开C/C++ 构建（ C/C++ Build ） 选项卡，点击设置（ Settings ） 。
  10. 在工具设置（ Tool Settings ） →Cross ARM C 链接器（ Cross ARM C Linker ） →常规（ General ） 下，点击右上角的添加（ Add ） …按钮选择链接器脚本。脚本位于firmware/CMSIS/startup_gcc/debug-in-microsemi-smartfusion2-esram.ld 。
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  11. 在工具设置（ Tool Settings ） →Cross ARM C 链接器（ Cross ARM C Linker ） →杂项（ Miscellaneous ） 下，勾选Use newlib nano(–specs=nano.specs) 选项。
  12. 在工具设置（ Tool Settings ） →Cross ARM C 编译器（ Cross ARM C Compiler ） →杂项（ Miscellaneous ） →其他编译器标志（ Other compiler flag ） 中，输入(不带引号)“–specs=cmsis.specs”。
  13. 选择顶部的工具链（ Toolchains ） 选项卡。在底部附近，勾选创建扩展列表（ Create extended listing ） 选项。
  14. 点击确定（ OK ） 应用更改。
  15. 选择运行（ Run ） →调试配置（ Debug Configurations ） 。双击GDB OpenOCD 调试（ GDB OpenOCD Debugging ） 以创建新配置。
  16. 点击调试器（ Debugger ） 选项卡。将配置选项（ Config options ） 改为 “–command “set DEVICE M2S010” --file board/microsemi-cortex-m3.cfg”
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  17. 初始设置现已完成。稍后，项目构建完成后，需将可执行文件添加到配置中。

导入 FreeRTOS

设置完成后，下一步是将FreeRTOS源代码导入项目。使用SmartFusion 2时并非必须使用FreeRTOS，但在将项目扩展到更高级应用时，它能简化多任务处理。

  1. 从上方下载并解压FreeRTOS源码至便捷位置。
  2. 在FreeRTOS的Demo目录中找到CORTEX_SmartFusion2_M2S050_SoftConsole文件夹。运行CreateProjectDirectoryStructure.bat 文件以建立项目结构。
  3. 在SoftConsole中右键点击项目并选择导入（ Import ）。 在常规选项下，选择文件系统（ File System ） 。导航至FreeRTOS源码目录。
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  4. 勾选整个FreeRTOS-Source 目录，同时从RTOSDemo 目录导入FreeRTOSConfig.h 。可包含演示中的其他文件以尝试官方FreeRTOS演示或参考，但本示例中非必需。
    注意 ：若构建时出现以下错误：tasks.c中未定义引用ulGetRunTimeCounterValue和vConfigureTimerForRunTimeStats，请包含上文高亮的RunTimeStatsTimer.c文件。
  5. 选择工作区中的文件夹（如*…/FreeRTOS* ）作为导入目标。点击完成（ Finish ） 将文件导入项目。
  6. 现在项目中应包含所有FreeRTOS源文件。

导入示例源代码

通过下方链接下载示例项目源代码：

示例源码.zip (11.5 KB)

按上述步骤将文件导入SoftConsole。

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包含路径

此时项目应包含所有文件，但尝试构建时仍会出现找不到头文件的错误。需告知SoftConsole刚导入的头文件所在位置。

  1. 右键点击项目。选择属性（ Properties ）。
  2. 展开C/C++ 通用（ C/C++ General ） 部分。选择路径和符号（ Paths and Symbols ） 。
  3. 通过使用添加（Add）…→工作空间（Workspace）→，将上述导入的所有文件夹添加为包含路径。最终结果应类似于：
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  4. SoftConsole现在应能定位编译所需的所有头文件。

连接至 ThingSpeak

完成示例项目需要一个免费的ThingSpeak账户。ThingSpeak是MathWorks提供的物联网数据记录平台。本节假设您已创建账户。

  1. 在ThingSpeak中创建一个至少包含2个数据字段的频道。根据需要填写其他信息。生成的登录页面将如此显示，但无任何数据条目。
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  2. 点击API密钥标签（ API Keys ） 查看您的个人写入 API 密钥（ Write API Key ） 。复制此密钥。
  3. 在SoftConsole中打开 uart.c 文件。在函数vTaskUARTUploadData 中， 将 ucGetReq[] 中的 API密钥值更 改为上述密钥。

uart.c

void vTaskUARTUploadData(void *pvParameters)
{
    const uint8_t ucConnectCmd[] = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"184.106.153.149\",80\r\n";
    const uint8_t ucSendCmd[] = "AT+CIPSEND=";
    const uint8_t ucGetReq[] = "GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXXX&field1=";      // Replace this API key with your own
    const uint8_t ucField2[] = "&field2=";
    const uint8_t ucCloseCmd[] = "AT+CIPCLOSE\r\n";
    const uint8_t ucCRLF[] = "\r\n";
  
    /* ... */
}

构建并运行项目

此时，项目应已准备就绪，可在开发板上构建并运行。若编译中收到任何错误，请返回检查确保所有内容与示例一致。

  1. 在SoftConsole中，选择项目→全部构建（ Ctrl+B ） 以编译项目。
  2. 构建完成后，选择运行（ Run ） →调试配置（ Debug Configurations ） 。
  3. 点击搜索项目（ Search Project ） 按钮查找刚创建的.elf文件。它应是唯一选项。
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  4. 使用随附的USB线将开发板连接至电脑。
  5. 点击Debug 将程序烧录到硬件上。此时应看到LED灯呈现"旋转"式闪烁。

演示程序使用说明

首次运行演示程序时，负责向ThingSpeak上传数据的FreeRTOS任务处于禁用状态。此时SmartFusion仅作为PC终端与开发板上ESP8266模块之间的UART桥接器。这样设计的目的是让用户在启动自动上传任务前，能手动配置ESP8266连接WiFi接入点。当然用户也可根据需求在应用代码中添加此功能。模块成功连接接入点后，即使断电重启仍会保持该连接配置。

打开任意终端程序。Maker-Board会在电脑上生成4个连续的COM端口。UART连接对应第三个端口。

参数设置为 115200 波特率 -8 位数据位 -1 位停止位 - 无校验位。请确保将终端设置为按下回车键时发送 CR+LF 。但波特率可能因 ESP 模块固件版本不同有所差异。

  1. 使用下列命令连接接入点（#号后为注释内容，无需输入）。每条成功执行的命令都应返回"OK"。
AT+CWMODE=1                                     # Set the module to station (client) mode
  
AT+CWLAP                                        # List all visible APs
  
AT+CWJAP="<SSID>","<PASSWORD>"                  # Join an AP
  1. 当ESP8266成功连接接入点后，返回SoftConsole并修改main.c 文件中以下代码 ：

main.c

/* Standard includes. */
#include <stdio.h>
 
/* Kernel includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
 
/* Driver includes. */
#include "drivers/mss_uart/mss_uart.h"  // For baud rate defines and instances
 
/* Application includes. */
#include "leds.h"
#include "uart.h"
#include "i2c.h"
 
/* Set to 1 to enable the upload tasks once the module has been set up */
#define ENABLE_UPLOAD    1                  // Change from 0 to 1
  
/* ... */
  1. 重新编译工程。此时程序将创建两个FreeRTOS任务：读取I2C环境光传感器数据并向ThingSpeak发送数据。SmartFusion 2现在应能通过WiFi每20秒发送一次数据更新。

结论

本指南提供基于FreeRTOS的Maker-Board示例程序，演示了板上大多数外设的用法。该示例可作为用户开发自有应用的基础框架，无论是否使用FreeRTOS。

附加信息

加州大学欧文分校与Microsemi合作开发了Maker-Board演示项目，包含ESP32和ESP8266的示例。他们的工作记录在下面的GitHub页面上：

CalPlug GitHub

以下指南详细介绍了Maker-Board的类似设置，但不包含WiFi和FreeRTOS组件。它还包含略有不同的编程方法。

在Github上开始使用M2S010-MKR-KIT

问题 / 评论

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