🍓Rasberry Pi Pico(RP2040板) C_Cpp及Python微型机器学习

🏈指点迷津 | Brief

要点

Raspberry Pi Pico使用C/C++和MicroPython开发环境设置,实现Python和C/C++两种微型机器学习几何图形检测
自定义和使用第三方库更改Pi Pico 为GPU功能；Rpi Pico实现月相显示；Rpi Pico直流电机驱动；RP2040板微型机器学习音频分类
Rpi Pico 使用Arduino IDE ：温湿度检测;Rpi Pico声控 LED；Rpi Pico 使用数模转换和定时器采样音频；使用Rpi Pico和Arm Mbed OS手势识别
Rpi Pico 机器学习：Rpi Pico 梅尔频率倒谱系数（MFCC）特征提取分析音乐类型；使用FOMO算法图像分类

Raspberry Pi Pico（RP2040板）

微控制器 vs 微处理器
您可能认为微控制器只是微处理器的较小版本。虽然有些微控制器非常强大，但它们不是微处理器。微处理器旨在最大限度地提高芯片上的计算能力，同时连接到总线（想想用于数字通信的并行高速公路）以利用 RAM 和输入等。

Raspberry Pi Pico（即 Pico）是一块小型绿色印刷电路板，大小如口香糖。沿着任一长边是 GPIO 引脚，其中一个较短的一端有一个 micro-USB 连接器。另一端是一组调试引脚，可用于高级诊断。下图显示了 Pico 的俯视图，USB 端口位于右侧。

请注意顶部和底部边缘的 GPIO 接头座。左边的三个引脚是调试引脚。板上我们需要了解的唯一其他组件是位于图中右上角的 BOOTSEL（启动选择）开关。此开关用于将 Pico 置于运行 MicroPython 平台的启动模式，或者，如果在 USB 电缆连接到计算机时按住该开关，它将作为可移动驱动器连接，允许您加载新文件或更改基础平台文件。

下图显示了 Pico 的底面。请注意，我们看到 GPIO 引脚带有标签，可以轻松找到特定引脚。标有“TP”的位置是测试点，如果您需要对电路板执行任何高级诊断，则可以使用它们来测试电压。同样，左侧的引脚用于串行线调试 (SWD) 接口。

Pico 的核心是位于主板顶部中央的大（相对于主板而言）黑色芯片。这是 RP2040 微处理器，它提供了 Pico 的所有功能。

RP2040 微处理器

让我们从名字开始吧。这个名字乍一看可能有点奇怪。通常，我们认为该数字是某种修订或版本1，但 RP2040 的情况并非如此。下图描述了名称的命名法。正如您所看到的，它是一个编码短语，代表微处理器的四个特征。将来我们很可能会看到该微处理器的变体，并且我们应该预期它的名称（编号）会根据该命名法而变化

RP2040 是一款结合了存储器、双核处理器、接口和支持电子器件的单芯片。从很多方面来说，它都是一个独立的微控制器动力源。该芯片旨在提供高性能和低功耗。事实上，它还可以支持使用电池电源的扩展执行。最重要的是，它能够运行 MicroPython，使编程变得非常容易学习，打破了微控制器常见的陡峭编程学习曲线。换句话说，您不必拥有编程或电子学位就可以使用它。

您可能最感兴趣的功能包括 SPI 和 I2C 控制器（各 2 个）、16 个脉宽调制通道和 30 个 GPIO 引脚。可以说，它几乎可以处理您的电子项目所需的任何内容。

有许多基于 RP2040 的微控制器板是围绕 RP2040 构建的。有些提供 Pico 上没有的独特功能，而另一些则是对现有产品线的熟悉适应。它们都从 RP2040 获得强大的基础，并且工作原理与 Pico 相同。

MicroPyhon物理计算示例

示例1：LED闪烁

首先找到 LED：它是板顶部 micro-USB 端口左侧的小矩形组件（如下图），标有“LED”标签。这个小 LED 的工作原理与其他 LED 一样：通电时，它会发光；打开时，它会发光。当它关闭时，它仍然是黑暗的。

板载 LED 连接到 RP2040 的通用输入/输出引脚之一 GP25。这是 RP2040 上存在的“缺失”GPIO 引脚之一，未分解为物理引脚。除了板载 LED 之外，您无法将任何外部硬件连接到该引脚，但它可以像程序中的任何其他 GPIO 引脚一样对待，并且它是向程序添加输出的好方法。

最后，让 LED 闪烁。为此，您需要创建一个循环。重写您的程序，使其与下面的程序匹配：

 import machine
 import utime
 led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
 while True:
  led_onboard.value(1)
  utime.sleep(5)
  led_onboard.value(0)
  utime.sleep(5)

还有另一种方法可以处理相同的工作：使用切换，而不是明确地将 LED 的输出设置为 0 或 1。删除程序的最后四行并替换它们，使其看起来像这样：

 import machine
 import utime
 led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
 while True:
  led_onboard.toggle()
  utime.sleep(5)

再次运行您的程序。您将看到与之前相同的活动：板载 LED 将亮起五秒钟，然后熄灭五秒钟，然后无限循环地再次亮起。不过，这一次，您的程序缩短了两行：您已经对其进行了优化。在所有数字输出引脚上可用，toggle() 只需在打开和关闭之间切换：如果引脚当前处于打开状态，toggle() 将其关闭；如果它关闭，toggle() 将其打开。

示例2：红黄蓝交通灯

首先构建一个简单的交通灯系统，如下图所示。将红色 LED 插入面包板，使其横跨中央分隔线。如果您需要进行更长的连接，请使用一个 330 Ω 电阻器和跳线，将 LED 的较长引脚（阳极）连接到 Pico 左下角的引脚（从顶部看）最上面的微型 USB 电缆，GP15。如果您使用的是编号面包板并且将 Pico 插入到最顶部，则这将是面包板的第 20 行。

 import machine
 import utime
 import _thread
 led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
 led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
 led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)
 button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
 buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)
 global button_pressed
 button_pressed = False
 def button_reader_thread():
  global button_pressed
  while True:
     if button.value() == 1:
         button_pressed = True
 
 while True:
     if button_pressed == True:
         led_red.value(1)
         for i in range(10):
              buzzer.value(1)
              utime.sleep(0.2)
              buzzer.value(0)
              utime.sleep(0.2)
         global button_pressed
         button_pressed = False
      led_red.value(1)
      utime.sleep(5)
      led_amber.value(1)
      utime.sleep(2)
      led_red.value(0)
      led_amber.value(0)
      led_green.value(1)
      utime.sleep(5)
      led_green.value(0)
      led_amber.value(1)
      utime.sleep(5)
      led_amber.value(0)

单击运行图标。首先，程序将正常运行：交通灯将按照通常的模式打开和关闭。按下按钮开关：如果程序当前处于循环中间，则在到达末尾并再次循环之前不会发生任何事情

C/C++

示例3：闪烁LED

当您为硬件编写软件时，打开、关闭 LED，然后再次打开，通常是在新编程环境中运行的第一个程序。学习如何让 LED 闪烁可以让您成功一半。

此示例对 Raspberry Pi Pico 使用以下代码，使连接到 RP2040 引脚 25 的 LED 闪烁：

 #include "pico/stdlib.h"
 
 int main() {
 #ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
 #warning blink example requires a board with a regular LED
 #else
     const uint LED_PIN = PICO_DEFAULT_LED_PIN;
     gpio_init(LED_PIN);
     gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
     while (true) {
         gpio_put(LED_PIN, 1);
         sleep_ms(250);
         gpio_put(LED_PIN, 0);
         sleep_ms(250);
     }
 #endif
 }

以下是 Raspberry Pi Pico W 的替代代码，它使连接到带有 WL_GPIO0 的 Infineon 43439 无线芯片的 LED 闪烁：

 #include "pico/stdlib.h"
 #include "pico/cyw43_arch.h"
 
 int main() {
     stdio_init_all();
     if (cyw43_arch_init()) {
         printf("Wi-Fi init failed");
         return -1;
     }
     while (true) {
         cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 1);
         sleep_ms(250);
         cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 0);
         sleep_ms(250);
     }
 }

示例4：在低亮度和高亮度之间渐变 LEDf3

 #include "pico/stdlib.h"
 #include <stdio.h>
 #include "pico/time.h"
 #include "hardware/irq.h"
 #include "hardware/pwm.h"
 
 #ifdef PICO_DEFAULT_LED_PIN
 void on_pwm_wrap() {
     static int fade = 0;
     static bool going_up = true;
     // Clear the interrupt flag that brought us here
     pwm_clear_irq(pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN));
 
     if (going_up) {
         ++fade;
         if (fade > 255) {
             fade = 255;
             going_up = false;
         }
     } else {
         --fade;
         if (fade < 0) {
             fade = 0;
             going_up = true;
         }
     }
     pwm_set_gpio_level(PICO_DEFAULT_LED_PIN, fade * fade);
 }
 #endif
 
 int main() {
 #ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
 #warning pwm/led_fade example requires a board with a regular LED
 #else
     gpio_set_function(PICO_DEFAULT_LED_PIN, GPIO_FUNC_PWM);
     uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN);
 
     pwm_clear_irq(slice_num);
     pwm_set_irq_enabled(slice_num, true);
     irq_set_exclusive_handler(PWM_IRQ_WRAP, on_pwm_wrap);
     irq_set_enabled(PWM_IRQ_WRAP, true);
 
     pwm_config config = pwm_get_default_config();
     pwm_config_set_clkdiv(&config, 4.f);
     pwm_init(slice_num, &config, true);
 
     while (1)
         tight_loop_contents();
 #endif
 }

微型机器学习

我们将检测三种不同的几何图形：圆形、方形和三角形。模型构建的第一步是从传感器（在我们的例子中是加速度计）收集数据。数据可以以不同的形式加载。您可以使用内置 CLI 通过串行端口读取传感器数据。此外，您还可以导入 CSV 或 JSON 文件格式的数据。

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Last updated 8 months ago

import machine import utime import _thread led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT) led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT) led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT) button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT) global button_pressed button_pressed = False def button_reader_thread(): global button_pressed while True: if button.value() == 1: button_pressed = True while True: if button_pressed == True: led_red.value(1) for i in range(10): buzzer.value(1) utime.sleep(0.2) buzzer.value(0) utime.sleep(0.2) global button_pressed button_pressed = False led_red.value(1) utime.sleep(5) led_amber.value(1) utime.sleep(2) led_red.value(0) led_amber.value(0) led_green.value(1) utime.sleep(5) led_green.value(0) led_amber.value(1) utime.sleep(5) led_amber.value(0)

#include "pico/stdlib.h" int main() { #ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN #warning blink example requires a board with a regular LED #else const uint LED_PIN = PICO_DEFAULT_LED_PIN; gpio_init(LED_PIN); gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT); while (true) { gpio_put(LED_PIN, 1); sleep_ms(250); gpio_put(LED_PIN, 0); sleep_ms(250); } #endif }

#include "pico/stdlib.h" #include "pico/cyw43_arch.h" int main() { stdio_init_all(); if (cyw43_arch_init()) { printf("Wi-Fi init failed"); return -1; } while (true) { cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 1); sleep_ms(250); cyw43_arch_gpio_put(CYW43_WL_GPIO_LED_PIN, 0); sleep_ms(250); } }

#include "pico/stdlib.h" #include <stdio.h> #include "pico/time.h" #include "hardware/irq.h" #include "hardware/pwm.h" #ifdef PICO_DEFAULT_LED_PIN void on_pwm_wrap() { static int fade = 0; static bool going_up = true; // Clear the interrupt flag that brought us here pwm_clear_irq(pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN)); if (going_up) { ++fade; if (fade > 255) { fade = 255; going_up = false; } } else { --fade; if (fade < 0) { fade = 0; going_up = true; } } pwm_set_gpio_level(PICO_DEFAULT_LED_PIN, fade * fade); } #endif int main() { #ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN #warning pwm/led_fade example requires a board with a regular LED #else gpio_set_function(PICO_DEFAULT_LED_PIN, GPIO_FUNC_PWM); uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN); pwm_clear_irq(slice_num); pwm_set_irq_enabled(slice_num, true); irq_set_exclusive_handler(PWM_IRQ_WRAP, on_pwm_wrap); irq_set_enabled(PWM_IRQ_WRAP, true); pwm_config config = pwm_get_default_config(); pwm_config_set_clkdiv(&config, 4.f); pwm_init(slice_num, &config, true); while (1) tight_loop_contents(); #endif }