AI嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)踐：基于樹(shù)莓派RP2040和MicroPython

第1篇 嵌入式系統(tǒng)
第1章 AI嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí) 3
1.1 嵌入式系統(tǒng)概述 3
1.1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義 3
1.1.2 嵌入式系統(tǒng)的組成 4
1.2 嵌入式微處理器 7
1.2.1 嵌入式微處理器分類 7
1.2.2 ARM 嵌入式微處理器 10
1.2.3 嵌入式微處理器選型 14
1.3 AI嵌入式系統(tǒng)的基本概念 15
1.4 嵌入式硬件基礎(chǔ)知識(shí) 18
1.4.1 認(rèn)識(shí)樹(shù)莓派系列硬件 18
1.4.2 嵌入式硬件接口 20
1.4.3 嵌入式硬件電路必備知識(shí) 21
第2章 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板硬件基礎(chǔ) 30
2.1 樹(shù)莓派RP2040系列開(kāi)發(fā)板 30
2.1.1 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板 30
2.1.2 Wio RP2040無(wú)線 WiFi開(kāi)發(fā)板 31
2.1.3 其他幾款基于RP2040 MCU的開(kāi)發(fā)板 32
2.2 RP2040芯片 32
2.3 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板硬件擴(kuò)展接口信號(hào) 38
2.3.1 Pico開(kāi)發(fā)板硬件擴(kuò)展接口信號(hào)解析 38
2.3.2 樹(shù)莓派Pico Flash編程/程序燒寫(xiě) 42
2.4 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板電源模塊 43
2.4.1 Pico開(kāi)發(fā)板電源模塊分析 43
2.4.2 Pico開(kāi)發(fā)板供電 44
2.4.3 Pico開(kāi)發(fā)板使用電池充電器 46
2.5 Wio RP2040無(wú)線 WiFi開(kāi)發(fā)板硬件擴(kuò)展接口信號(hào) 47
2.5.1 Wio RP2040開(kāi)發(fā)板主要特性及硬件技術(shù)規(guī)格 47
2.5.2 Wio RP2040開(kāi)發(fā)板硬件擴(kuò)展接口信號(hào) 48
2.6 使用MicroPython REPL點(diǎn)亮Pico開(kāi)發(fā)板板載LED 49
2.6.1 所需硬件及Pico開(kāi)發(fā)板 MicroPython固件安裝 49
2.6.2 使用MicroPython REPL交互模式編程 51
2.6.3 使用MicroPython REPL交互模式基礎(chǔ)編程舉例 53
2.6.4 使用MicroPython REPL點(diǎn)亮Pico板載LED編程舉例 54
第3章 Pico開(kāi)發(fā)板 MicroPython編程基礎(chǔ) 58
3.1 MicroPython簡(jiǎn)介 58
3.2 Thonny Python IDE安裝與使用基礎(chǔ) 60
3.2.1 Thonny Python IDE簡(jiǎn)介 60
3.2.2 Thonny Python IDE安裝 61
3.2.3 使用Thonny建立Pico開(kāi)發(fā)板 MicroPython程序 64
3.3 Python基本語(yǔ)法 67
3.4 Python程序結(jié)構(gòu)控制 79
3.4.1 選擇語(yǔ)句 79
3.4.2 循環(huán)語(yǔ)句 82
3.4.3 跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句 85
3.4.4 在循環(huán)結(jié)構(gòu)中使用else子句 86
3.5 Python函數(shù)與模塊 87
3.5.1 定義函數(shù) 87
3.5.2 調(diào)用函數(shù) 87
3.5.3 變量的作用域 87
3.5.4 模塊與包 88
3.6 類與對(duì)象 90
3.6.1 類的定義 91
3.6.2 創(chuàng)建對(duì)象 91
3.6.3 類的成員 91
第4章 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板人機(jī)接口技術(shù) 94
4.1 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板硬件接口引腳擴(kuò)展及使用 94
4.1.1 Pico開(kāi)發(fā)板硬件接口引腳擴(kuò)展 94
4.1.2 使用 MicroPython控制Pico開(kāi)發(fā)板硬件擴(kuò)展接口 95
4.2 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板GPIO接口控制編程基礎(chǔ) 96
4.2.1 Machine模塊 96
4.2.2 使用變量存儲(chǔ)GPIO端口引腳的設(shè)定值 96
4.2.3 GPIO端口數(shù)字信號(hào)輸出 97
4.2.4 使用 MicroPython控制LED間斷閃亮 97
4.3 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板小功率LED接口與GPIO控制 99
4.3.1 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板硬件接口輸出擴(kuò)展負(fù)載的接法 99
4.3.2 小功率LED燈交替閃亮GPIO控制實(shí)踐 100
4.3.3 彩色RGB LED燈GPIO控制實(shí)踐 102
4.4 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板按鍵接口與GPIO控制 104
4.4.1 按鍵接口技術(shù) 104
4.4.2 上拉電阻與下拉電阻 106
4.4.3 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板按鍵接口與GPIO控制實(shí)踐 108
4.5 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板LED顯示器接口與GPIO控制 114
4.5.1 LED顯示控制原理 114
4.5.2 Pico開(kāi)發(fā)板7段LED顯示器接口與GPIO控制實(shí)踐 117
第5章 樹(shù)莓派Pico中斷與定時(shí)技術(shù) 121
5.1 中斷技術(shù) 121
5.1.1 中斷的基本知識(shí) 121
5.1.2 中斷技術(shù)基本原理 122
5.1.3 樹(shù)莓派Pico中斷系統(tǒng) 125
5.2 Pico按鍵中斷及其 MicroPython實(shí)現(xiàn) 127
5.2.1 Pico外部中斷的使用方法 127
5.2.2 Pico單個(gè)按鍵中斷控制小功率LED發(fā)光實(shí)踐 128
5.2.3 Pico多個(gè)按鍵中斷控制小功率LED閃爍 130
5.2.4 認(rèn)識(shí)三極管 132
5.2.5 使用Pico開(kāi)發(fā)板、單個(gè)按鍵和三極管驅(qū)動(dòng)中大功率LED實(shí)踐 135
5.3 定時(shí)技術(shù)及樹(shù)莓派RP2040定時(shí)器 138
5.3.1 定時(shí)器工作原理 138
5.3.2 樹(shù)莓派RP2040定時(shí)器 139
5.4 Pico定時(shí)器 MicroPython控制編程實(shí)踐 __________140
5.4.1 Pico定時(shí)器對(duì)象的使用方法 140
5.4.2 Pico定時(shí)器實(shí)現(xiàn)LED閃爍控制實(shí)踐 141
5.4.3 Pico定時(shí)器控制LED數(shù)字顯示實(shí)踐 143
5.5 PWM 技術(shù)及Pico LED呼吸燈 MicroPython控制編程 146
5.5.1 PWM 技術(shù)原理 146
5.5.2 運(yùn)用PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED呼吸燈視覺(jué)效果 147
5.5.3 樹(shù)莓派Pico PWM 通道及PWM 對(duì)象的使用方法 148
5.5.4 PWM 控制Pico板載LED呼吸燈的 MicroPython編程實(shí)踐 149
第6章 樹(shù)莓派Pico串行通信與網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù) 151
6.1 Pico開(kāi)發(fā)板 UART串行通信接口技術(shù)與實(shí)踐 151
6.1.1 UART串行通信接口技術(shù)原理 151
6.1.2 Pico開(kāi)發(fā)板 UART串行通信技術(shù)及 MicroPython編程實(shí)踐 156
6.2 網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù) 162
6.2.1 分布嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 162
6.2.2 分布嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信方式 164
6.3 Pico開(kāi)發(fā)板I2C總線通信接口技術(shù)與實(shí)踐 165
6.3.1 I2C總線接口技術(shù)原理 165
6.3.2 Pico I2C總線引腳及Pico I2C對(duì)象的使用方法 170
6.3.3 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板I2C EEPROM 接口與編程實(shí)踐 173
6.3.4 樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板I2C OLED接口與編程實(shí)踐 177
6.4 Pico開(kāi)發(fā)板SPI總線通信接口技術(shù)與實(shí)踐 180
6.4.1 SPI總線接口技術(shù)原理 180
6.4.2 Pico SPI總線引腳及Pico SPI對(duì)象的使用方法 184
6.4.3 Pico與ADXL345加速度傳感器SPI總線接口及
編程實(shí)踐 186
第7章 樹(shù)莓派Pico無(wú)線通信技術(shù)實(shí)踐 192
7.1 Pico開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展無(wú)線 WiFi模塊通信技術(shù)實(shí)踐 192
7.1.1 ESP 01無(wú)線 WiFi模塊 192
7.1.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 193
7.1.3 常用 AT指令 196
7.1.4 Pico開(kāi)發(fā)板與ESP 01S無(wú)線 WiFi模塊接口及通信編程實(shí)踐 __________199
7.2 Pico開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展藍(lán)牙模塊通信技術(shù)實(shí)踐 206
7.2.1 藍(lán)牙技術(shù) 206
7.2.2 藍(lán)牙模塊 207
7.2.3 認(rèn)識(shí) MOSFET晶體管 209
7.2.4 Pico開(kāi)發(fā)板與 HC 06無(wú)線藍(lán)牙模塊接口及通信編程實(shí)踐 212
7.3 Wio RP2040無(wú)線 WiFi局域網(wǎng)通信實(shí)踐 217
7.4 Wio RP2040迷你開(kāi)發(fā)板 MQTT遠(yuǎn)程無(wú)線通信實(shí)踐 219
第8章 樹(shù)莓派Pico電機(jī)接口與控制技術(shù)實(shí)踐 225
8.1 樹(shù)莓派Pico直流電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)基礎(chǔ) 225
8.1.1 直流電機(jī)簡(jiǎn)介 225
8.1.2 晶體管電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與續(xù)流二極管 226
8.1.3 基于Pico開(kāi)發(fā)板和晶體管的直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)踐 228
8.2 樹(shù)莓派Pico直流電機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐 230
8.2.1 H橋電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路 230
8.2.2 Pico開(kāi)發(fā)板和DRV8833驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)接口及編程實(shí)踐 238
8.3 樹(shù)莓派Pico伺服電機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐 242
8.3.1 伺服電機(jī) 242
8.3.2 Pico開(kāi)發(fā)板和伺服電機(jī)接口連接及編程實(shí)踐 244
8.4 樹(shù)莓派Pico步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐 247
8.4.1 直流步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路原理 247
8.4.2 Pico開(kāi)發(fā)板步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐 249
第2篇 機(jī)器學(xué)習(xí)與嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)
第9章 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)基礎(chǔ)及實(shí)踐 259
9.1 機(jī)器學(xué)習(xí)簡(jiǎn)介 259
9.1.1 機(jī)器學(xué)習(xí)的分類 259
9.1.2 機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本流程 261
9.1.3 機(jī)器學(xué)習(xí)常用基本術(shù)語(yǔ) 263
9.1.4 機(jī)器學(xué)習(xí)編程環(huán)境及工具 267
9.2 常用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)及華為AI云平臺(tái) ModelArts實(shí)踐 268
9.2.1 監(jiān)督學(xué)習(xí)基本應(yīng)用問(wèn)題 268
9.2.2 回歸算法及華為 AI云平臺(tái) ModelArts使用與實(shí)踐 271
9.2.3 主成分分析方法及特征提取應(yīng)用實(shí)踐 280
9.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基礎(chǔ) 284
9.3.1 生物神經(jīng)元 284
9.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 285
9.3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本學(xué)習(xí)算法 289
9.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 293
9.3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用激活函數(shù) 297
9.3.6 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 300
9.4 基于PCA 特征提取和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)踐 301
9.4.1 ORL人臉庫(kù) 301
9.4.2 PCA方法人臉圖像特征提取 302
9.4.3 ORL人臉識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 302
9.4.4 采用Python和tf.Keras編寫(xiě) ORL人臉識(shí)別程序 303
第10章 嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)踐 310
10.1 嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù) 310
10.2 tf.Keras CNN喚醒詞檢測(cè)及樹(shù)莓派TFLite語(yǔ)音控制實(shí)踐 311
10.2.1 Speech Commands數(shù)據(jù)集 312
10.2.2 語(yǔ)音喚醒詞的 MFCC特征提取 312
10.2.3 基于CNN方法和tf.Keras的語(yǔ)音喚醒詞分類檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐 319
10.2.4 基于TFLite模型推理引擎的樹(shù)莓派語(yǔ)音喚醒詞分類檢測(cè)實(shí)踐 323
10.3 Pico Arduino C力觸覺(jué)感知與回歸建模及Processing交互 329
10.3.1 Pico開(kāi)發(fā)板Arduino IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝與使用 329
10.3.2 Pico Arduino觸覺(jué)感知及Processing、Pico Arduino觸覺(jué)交互 332
10.3.3 基于力觸覺(jué)回歸和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的力觸覺(jué)交互變形可視化 338
10.4 運(yùn)用Edge Impulse實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派Pico嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí) 350
10.4.1 Edge Impluse 350
10.4.2 運(yùn)用Edge Impluse構(gòu)建Pico姿態(tài)檢測(cè)TinyML模型 351
10.4.3 運(yùn)用Edge Impluse構(gòu)建Pico中文語(yǔ)音喚醒詞TinyML模型 362
參考文獻(xiàn) 369