简介

Microsemi Maker-Board是一款采用SmartFusion 2 SoC的低成本评估套件。 SmartFusion 2将ARM Cortex-M3处理器与Microsemi基于闪存的FPGA架构集成在一块芯片上，并结合许多SoC用户习惯的外设，如RAM和DSP模块。 Maker-Board增加了以太网接口、环境光传感器、SPI Flash以及一些按钮和LED。该开发板还保留了两个不同WiFi模块（ESP32和ESP8266）的连接接口。

本指南的目标是创建一个演示项目，利用Maker-Board上的大多数外设，并为开发自定义应用程序提供一个起点。本示例使用FreeRTOS和ESP8266模块创建IoT数据记录设备。

所需的材料

本教程需要以下软件：

●     Microsemi Libero SoC v11.8或更高版本。本指南使用v11.8 SP1。

●     Microsemi SoftConsole v4.0

●     FreeRTOS源代码

●     FreeRTOS指南

●     ESP8266命令参考

●     Maker Board原理图

注意：请确保下载SoftConsole v4.0或v5.1。 SoftConsole v3.4不支持板上使用的FlashPro 5编程硬件。 SoftConsole v5.2 +可能会运行，但需要对下面概述的内容进行重大更改。

硬件配置

SmartFusion 2硬件的配置通过Libero完成。由于这个例子没有在FPGA中使用任何IP，Libero将被用来设置Cortex-M3并选择使用哪些外设。

1.   创建一个新的Libero项目。

2.    选择M2S010-TQ144作为目标设备。

3.    单击Next，选择默认的Device Settings。

4.    选择Create a system builder based design，然后单击Next。

5.    点击Finish。不需要HDL源，稍后会添加约束条件。

6.    如果提示您选择约束流，请选择Enhanced Constraint Flow。

7.    Libero会要求给系统起名。选择合适的名称，然后点击OK。

8.    System Builder将会打开。

9.     点击Next。

10.    在外设页面上，启用MM_UART0、MM_UART1、MSS_I2C0和MSS_GPIO。

11.    对于每个外设，单击Enable左侧的Configure按钮。将Connect To更改为Fabric。

12.     对于GPIO外设，将GPIO 0-7设置为连接到FABRIC_A的Outputs。

13.    MSS Peripherals左边的圆圈现在应该是绿色的，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.    单击Next选择默认的Microcontroller配置。

16.    单击Next选择默认的SECDED配置。

17.    单击Next选择默认的Security配置。高级安全功能仅适用于制造商委员会不使用的“S”后缀部分。

18.    单击Next选择默认的Interrupt配置。在这个例子中没有使用结构中断。

19.    单击Next选择默认的Memory Map配置。在这个例子中没有使用存储器映射的外设。

20.    点击Finish创建系统。将在程序框图中创建一个实例。

21.    打开左侧的IP Catalog并展开Macro Library。将BIBUF宏的两个实例拖到设计中。

22.    选择MM_UART0、MM_UART1和GPIO_FABRIC接口并右键单击它们。选择Promote to Top Level。

23.    展开剩余的组并选择INIT_DONE、FAB_CCC_LOCK、FAB_CCC_GL0和MSS_READY。右键单击它们并选择Mark Unused。

24.    如下图所示连接剩余的信号。

25.    保存程序框图，然后点击左上角的Generate Component按钮。

26.    导航回到左侧的Design Flow面板。选择Synthesize。

27.    您将在消息中看到许多涉及未使用组件的警告，并且可以安全地忽略它们。

28.    合成完成后，从“Design Flow”面板中选择“Manage Constraints”。

29.    选择New → Create New I/O Constraint from Root Module。 Libero将自动生成一个约束文件，该文件由程序框图中的顶层端口填充。

30.    右键单击生成的文件并选择Set as Target。

31.    选择Edit → Edit with I/O Editor。

32.    根据下表设置I / O约束。如果这些设置不可用，请检查IO Bank设置以设置存储区电压。

33.     保存约束并关闭I/O Editor窗口。

34.     返回到“Design Flow”面板中，选择“Place and Route”。

35.     布局布线完成后，运行Generate FPGA Array Data。

36.     FPGA阵列数据生成后，运行“Generate Bitstream”。

37.     使用USB电缆将Maker-Board连接到计算机。选择Run PROGRAM Action将配置加载到电路板上。

38.     在“Design Flow”面板的底部附近，选择“Configure Firmware Cores”。

39.    确保选中所有生成代码所需的固件。 在开始时应为每个外设启用一个外设。 Libero会要求下载计算机上尚未存在的任何内核。

40.    从Design Flow面板中，选择Export Firmware。 选择SoftConsole4.0作为Software IDE。 选中Export hardware configuration and firmware drivers。

41.    硬件配置现已完成。

软件应用

硬件配置完成后，就可以开发软件应用了。如前所述，本示例使用FreeRTOS操作系统创建一个将数据上传到ThingSpeak的IoT传感器节点。同时还会创建一个UART桥，以允许用户手动向ESP8266模块发送AT命令。

功能说明

本节将简要介绍该示例程序中的四个主要任务。对FreeRTOS的一些了解将会有所帮助。

这个程序中的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

●    创建任务来读取I2C传感器

●    创建任务，将传感器数据发送到WiFi模块

●    启动FreeRTOS调度程序

一旦调度程序启动，程序将在处理以下的任务和基于优先级的中断之间交替。

vTaskSpinLEDs()大约每85毫秒执行一次。它只是简单地切换SmartFusion 2的GPIO输出，为8个板载LED创建“旋转”效果。

每次通过UART接收到一个或多个字节时，都会执行vTaskUARTBridge()函数。

●    当发生UART中断时，中断处理程序（prvUARTRxNotificationHandler）将“发出”任务通知，表明数据可供读取。当中断处理程序退出时，任务将立即开始执行。

●    该任务尝试执行一个任务通知，就像信号量一样。如果没有可用的通知/数据，则任务将阻止，直到数据可用。

●    收到通知时，数据将被复制到缓冲区并通过UART0上的终端连接回显。

     ●    如果收到的数据来自UART0（终端），它将被累积在缓冲区中，直到接收到\ n字符。累加的字符串然后被发送到UART1上的ESP8266。

     ●    如果收到的数据来自UART1（ESP8266），则会对其进行累计并检查“OK”或某种错误并通知上传任务。

只要数据可以从光传感器读取，vTaskUARTUploadData()每20秒执行一次。它只是将来自传感器的数据格式化为AT命令字符串，并将其发送到UART1上的ESP8266。下面是使用的AT命令。

1. AT+CIPSTART="TCP","184.106.153.149",80                          # Start a TCP connection to the ThingSpeak API server on port 80
   
2.   
   
3. AT+CIPSEND=XX                                                   # Declare a transfer of XX bytes to the server
   
4.   
   
5. >GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXXX&field1=yy&field2=zz        # Send a GET request using a custom API key and two data values
   
6.   
   
7. # Server will respond with the number of entries on the channel and close the connection
   
8. # +IPD,3:539CLOSED

复制代码

vTaskReadLightSensor()在第一次执行时初始化I2C传感器。随后的每次执行都会轮询传感器以获取新数据。如果有新的数据存在，则从传感器读取数据，并将包含新数据的通知发送到上传任务以进行处理。然后该任务将阻止传感器的采样率（默认为500 ms）。

软件配置

在编写代码之前，按照SoftConsole v4.0发行说明中所述使用SoftConsole v4.0时，需要采取一些初始化步骤。 Libero中生成的固件内核也需要导入到项目中。

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File → New → C Project。

3.    给该项目起个名字。确保选择Cross ARM GCC作为工具链。

4.    单击Next，选择默认的配置。

5.    确保工具链名称是GNU Tools for ARM Embedded Processors（arm-none-eabi-gcc）。点击Finish。

6.    项目创建完成后，在Project Explorer中右键单击它。选择Import。选择导入一个File System。

7.    浏览到Libero的固件导出目录。检查固件文件夹以包含其中的所有文件。

8.    选择复制到项目工作区中的名为firmware新文件夹。单击Finish将固件文件导入到项目中。

9.    在Project Explorer中右键单击项目。选择Properties。展开C/C++ Build选项卡，然后单击Settings。

10.    在Tool Settings → Cross ARM C Linker → General下，单击右上角的Add.. 按钮，选择链接器脚本。 该脚本位于firmware/CMSIS/startup_gcc/debug-in-microsemi-smartfusion2-esram.ld中。

11.    在Tool Settings → Cross ARM C Linker → Miscellaneous下，勾选Use newlib nano (--specs=nano.specs)复选框。

12.    在Tool Settings → Cross ARM C Compiler → Miscellaneous → Other compiler flag下，输入（不带引号）“--specs = cmsis.specs”。

13.    选择顶部的Toolchains选项卡。 在底部附近，勾选Create extended listing选项。

14.    单击OK，应用更改。

15.    选择Run → Debug Configurations。 双击GDB OpenOCD Debugging创建一个新的配置。

16.    单击Debugger选项卡。 将 Config options更改为“--command”set DEVICE M2S010“--file board / microsemi-cortex-m3.cfg”

17.    现在基本的设置已经完成了。 稍后，一旦项目构建完成后，可执行文件将被添加到配置中。

导入FreeRTOS

软件配置完成后，下一步就是将FreeRTOS源代码导入到项目中。使用SmartFusion 2时FreeRTOS不是必需的，但可以在将项目扩展到更高级的应用程序时使得多任务更容易。

1.    下载并解压FreeRTOS源码到一个合适的位置。

2.    在FreeRTOS的Demo目录中找到CORTEX_SmartFusion2_M2S050_SoftConsole文件夹。运行CreateProjectDirectoryStructure.bat文件设置项目。

3.    在SoftConsole中，右键单击该项目并选择Import。在General下，选择File System。导航到FreeRTOS源代码所在的文件夹。

4.    选中整个FreeRTOS-Source目录，并且也要导入RTOSDemo目录的FreeRTOSConfig.h。演示中的其他文件可能会包含在官方FreeRTOS演示中，以供参考，但对于此示例不是必需的。

5.    在工作区中选择一个文件夹导入这些文件，如../FreeRTOS。单击Finish将文件导入到项目中。

6.    现在，所有FreeRTOS源文件都应在项目中可以使用。

导入示例源代码

下面的链接下载示例项目的源代码：

示例Source.zip

按照上述步骤将文件导入SoftConsole。

Include路径

现在项目中应该已经包含了所有的文件，但尝试构建该项目会导致无法找到包含文件的错误。 SoftConsole需要被告知在哪里寻找所有刚导入的头文件。

1.    在项目上单击鼠标右键。选择Properties。

2.    展开C/C++ General部分。选择Paths and Symbols。

3.    通过使用 Add.. → Workspace → <Folder>，将以上导入的所有文件夹添加为包含路径。最终结果应该如下所示：

4.    SoftConsole现在应该能够找到所有需要编译的头文件。

连接到ThingSpeak

要完成示例项目，需要一个免费的ThingSpeak帐户。 ThingSpeak是来自MathWorks的物联网数据记录平台。本节假定您已经创建了一个帐户。

1.    在ThingSpeak中创建一个至少有2个数据字段的频道。根据需要填写其他信息。由此产生的着陆页将如下所示，但没有任何数据条目。

2.    点击API Keys选项卡查看您的个人Write API Key。复制此密钥。

3.    在SoftConsole中打开uart.c。在函数vTaskUARTUploadData中，将ucGetReq []中的API密钥值更改为上面的密钥。

1. 
   
2. void vTaskUARTUploadData(void *pvParameters)
   
3. {
   
4.     const uint8_t ucConnectCmd[] = "AT+CIPSTART="TCP","184.106.153.149",80\r\n";
   
5.     const uint8_t ucSendCmd[] = "AT+CIPSEND=";
   
6.     const uint8_t ucGetReq[] = "GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXXX&field1=";      // Replace this API key with your own
   
7.     const uint8_t ucField2[] = "&field2=";
   
8.     const uint8_t ucCloseCmd[] = "AT+CIPCLOSE\r\n";
   
9.     const uint8_t ucCRLF[] = "\r\n";
   
10.   
    
11.     /* ... */
    
12. }

复制代码

构建并运行该项目

此时，该项目应该准备好在开发板上构建并运行。如果汇编中收到任何错误，请返回并检查以确保所有内容均如示例中所示。

1.    在SoftConsole中，选择Project→ Build All (Ctrl + B)编译项目。

2.    构建完成后，选择Run →  Debug Configurations。

3.    点击Search Project按钮查找刚创建的.elf文件。它应该是唯一的选项。

4.    使用提供的USB电缆将开发板连接到PC。

5.    单击Debug 以在硬件上启动该程序。您应该可以看到LED以“旋转”模式闪烁。

使用演示程序

首次启动演示程序时，负责将数据上传到ThingSpeak的FreeRTOS任务将被禁用。然后，SmartFusion仅作为PC终端和插入电路板的ESP8266模块之间的UART桥。其原因是允许用户在开始自动上传任务之前手动配置ESP8266以连接到WiFi接入点。当然，如果需要，用户可以将此功能添加到应用程序代码中。一旦模块连接到接入点，即使在电源重新上电后，它仍会继续尝试连接到该接入点。

打开您选择的终端程序。Maker-Board开发板应该在计算机上创建4个顺序的COM端口。 UART连接将会是第三个。

串口设置为波特率115200 - 8个数据位 - 1个停止位 - 无奇偶校验。确保在按下回车键时将终端设置更改为追加CR + LF。但是，波特率可能会因安装在ESP模块上的固件而异。

1.    使用以下命令连接到接入点。每个成功的命令都应返回“OK”。

1. AT+CWMODE=1                                     # Set the module to station (client) mode
   
2.   
   
3. AT+CWLAP                                        # List all visible APs
   
4.   
   
5. AT+CWJAP="<SSID>","<PASSWORD>"                  # Join an AP

复制代码

2.    当ESP8266已成功连接到接入点时，返回到SoftConsole并在文件main.c中更改下面的行：

1. /* Standard includes. */
   
2. #include <stdio.h>
   
3. 
   
4. /* Kernel includes. */
   
5. #include "FreeRTOS.h"
   
6. #include "task.h"
   
7. #include "semphr.h"
   
8. 
   
9. /* Driver includes. */
   
10. #include "drivers/mss_uart/mss_uart.h"  // For baud rate defines and instances
    
11. 
    
12. /* Application includes. */
    
13. #include "leds.h"
    
14. #include "uart.h"
    
15. #include "i2c.h"
    
16. 
    
17. /* Set to 1 to enable the upload tasks once the module has been set up */
    
18. #define ENABLE_UPLOAD    1                  // Change from 0 to 1
    
19.   
    
20. /* ... */

复制代码

3.    重建项目。该程序现在将创建两个读取I2C环境光传感器的FreeRTOS任务，并将该数据发送给ThingSpeak。大约每20秒，SmartFusion 2现在应该通过WiFi发送更新。

结论

本指南提供了一个基于FreeRTOS的Microsemi Maker-Board示例程序，该程序使用了大部分板载的外设。这个例子应该会为用户开发他们自己的应用程序提供一些基础，不管是有没有使用到FreeRTOS。

附加信息

加利福尼亚大学欧文分校与Microsemi一起为Maker-Board开发板制定了自己的演示项目，其中包括ESP32以及ESP8266的示例。他们的工作归档在下面的GitHub页面上：

CalPlug GitHub

配置文件在哪找