AI嵌入式系統技術與實踐--基於樹莓派RP2040和MicroPython

第1篇 嵌入式系統

第1章 AI嵌入式系統基礎知識 3
1.1 嵌入式系統概述 3
1.1.1 嵌入式系統的定義 3
1.1.2 嵌入式系統的組成 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嵌入式系統的基本概念 15
1.4 嵌入式硬體基礎知識 18
1.4.1 認識樹莓派系列硬體 18
1.4.2 嵌入式硬體介面 20
1.4.3 嵌入式硬體電路必備知識 21

第2章 樹莓派Pico開發板硬體基礎 30
2.1 樹莓派RP2040系列開發板 30
2.1.1 樹莓派Pico開發板 30
2.1.2 Wio RP2040無線 WiFi開發板 31
2.1.3 其他幾款基於RP2040 MCU的開發板 32
2.2 RP2040晶片 32
2.3 樹莓派Pico開發板硬體擴展介面信號 38
2.3.1 Pico開發板硬體擴展介面信號解析 38
2.3.2 樹莓派Pico Flash編程/程式燒寫 42
2.4 樹莓派Pico開發板電源模組 43
2.4.1 Pico開發板電源模組分析 43
2.4.2 Pico開發板供電 44
2.4.3 Pico開發板使用電池充電器 46
2.5 Wio RP2040無線 WiFi開發板硬體擴展介面信號 47
2.5.1 Wio RP2040開發板主要特性及硬體技術規格 47
2.5.2 Wio RP2040開發板硬體擴展介面信號 48
2.6 使用MicroPython REPL點亮Pico開發板板載LED 49
2.6.1 所需硬體及Pico開發板 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交互模式基礎編程舉例 53
2.6.4 使用MicroPython REPL點亮Pico板載LED編程舉例 54

第3章 Pico開發板 MicroPython編程基礎 58
3.1 MicroPython簡介 58
3.2 Thonny Python IDE安裝與使用基礎 60
3.2.1 Thonny Python IDE簡介 60
3.2.2 Thonny Python IDE安裝 61
3.2.3 使用Thonny建立Pico開發板 MicroPython程式 64
3.3 Python基本語法 67
3.4 Python程式結構控制 79
3.4.1 選擇語句 79
3.4.2 迴圈語句 82
3.4.3 跳躍陳述式 85
3.4.4 在迴圈結構中使用else子句 86
3.5 Python函數與模組 87
3.5.1 定義函數 87
3.5.2 調用函數 87
3.5.3 變數的作用域 87
3.5.4 模組與包 88
3.6 類與對象 90
3.6.1 類的定義 91
3.6.2 創建對象 91
3.6.3 類的成員 91

第4章 樹莓派Pico開發板人機介面技術 94
4.1 樹莓派Pico開發板硬體介面引腳擴展及使用 94
4.1.1 Pico開發板硬體介面引腳擴展 94
4.1.2 使用 MicroPython控制Pico開發板硬體擴展介面 95
4.2 樹莓派Pico開發板GPIO介面控制編程基礎 96
4.2.1 Machine模組 96
4.2.2 使用變數存儲GPIO埠引腳的設定值 96
4.2.3 GPIO埠數位信號輸出 97
4.2.4 使用 MicroPython控制LED間斷閃亮 97
4.3 樹莓派Pico開發板小功率LED介面與GPIO控制 99
4.3.1 樹莓派Pico開發板硬體介面輸出擴展負載的接法 99
4.3.2 小功率LED燈交替閃亮GPIO控制實踐 100
4.3.3 彩色RGB LED燈GPIO控制實踐 102
4.4 樹莓派Pico開發板按鍵介面與GPIO控制 104
4.4.1 按鍵介面技術 104
4.4.2 上拉電阻與下拉電阻 106
4.4.3 樹莓派Pico開發板按鍵介面與GPIO控制實踐 108
4.5 樹莓派Pico開發板LED顯示器介面與GPIO控制 114
4.5.1 LED顯示控制原理 114
4.5.2 Pico開發板7段LED顯示器介面與GPIO控制實踐 117

第5章 樹莓派Pico中斷與定時技術 121
5.1 中斷技術 121
5.1.1 中斷的基本知識 121
5.1.2 中斷技術基本原理 122
5.1.3 樹莓派Pico中斷系統 125
5.2 Pico按鍵中斷及其 MicroPython實現 127
5.2.1 Pico外部中斷的使用方法 127
5.2.2 Pico單個按鍵中斷控制小功率LED發光實踐 128
5.2.3 Pico多個按鍵中斷控制小功率LED閃爍 130
5.2.4 認識三極管 132
5.2.5 使用Pico開發板、單個按鍵和三極管驅動中大功率LED實踐 135
5.3 定時技術及樹莓派RP2040計時器 138
5.3.1 計時器工作原理 138
5.3.2 樹莓派RP2040計時器 139
5.4 Pico計時器 MicroPython控制編程實踐 __________140
5.4.1 Pico計時器物件的使用方法 140
5.4.2 Pico計時器實現LED閃爍控制實踐 141
5.4.3 Pico計時器控制LED數字顯示實踐 143
5.5 PWM 技術及Pico LED呼吸燈 MicroPython控制編程 146
5.5.1 PWM 技術原理 146
5.5.2 運用PWM 技術實現LED呼吸燈視覺效果 147
5.5.3 樹莓派Pico PWM 通道及PWM 物件的使用方法 148
5.5.4 PWM 控制Pico板載LED呼吸燈的 MicroPython編程實踐 149

第6章 樹莓派Pico串列通信與網路介面技術 151
6.1 Pico開發板 UART串列通信介面技術與實踐 151
6.1.1 UART串列通信介面技術原理 151
6.1.2 Pico開發板 UART串列通信技術及 MicroPython編程實踐 156
6.2 網路介面技術 162
6.2.1 分佈嵌入式系統結構 162
6.2.2 分佈嵌入式網路通信方式 164
6.3 Pico開發板I2C匯流排通信介面技術與實踐 165
6.3.1 I2C匯流排界面技術原理 165
6.3.2 Pico I2C匯流排引腳及Pico I2C物件的使用方法 170
6.3.3 樹莓派Pico開發板I2C EEPROM 介面與編程實踐 173
6.3.4 樹莓派Pico開發板I2C OLED介面與編程實踐 177
6.4 Pico開發板SPI匯流排通信介面技術與實踐 180
6.4.1 SPI匯流排界面技術原理 180
6.4.2 Pico SPI匯流排引腳及Pico SPI物件的使用方法 184
6.4.3 Pico與ADXL345加速度感測器SPI匯流排界面及
編程實踐 186

第7章 樹莓派Pico無線通訊技術實踐 192
7.1 Pico開發板擴展無線 WiFi模組通信技術實踐 192
7.1.1 ESP 01無線 WiFi模組 192
7.1.2 嵌入式TCP/IP協議棧 193
7.1.3 常用 AT指令 196
7.1.4 Pico開發板與ESP 01S無線 WiFi模組介面及通信編程實踐 __________199
7.2 Pico開發板擴展藍牙模組通信技術實踐 206
7.2.1 藍牙技術 206
7.2.2 藍牙模組 207
7.2.3 認識 MOSFET電晶體 209
7.2.4 Pico開發板與 HC 06無線藍牙模組介面及通信編程實踐 212
7.3 Wio RP2040無線 WiFi局域網通信實踐 217
7.4 Wio RP2040迷你開發板 MQTT遠端無線通訊實踐 219

第8章 樹莓派Pico電機介面與控制技術實踐 225
8.1 樹莓派Pico直流電機調速控制技術基礎 225
8.1.1 直流電機簡介 225
8.1.2 電晶體電機驅動電路與續流二極體 226
8.1.3 基於Pico開發板和電晶體的直流電機調速控制實踐 228
8.2 樹莓派Pico直流電機控制技術實踐 230
8.2.1 H橋電機正反轉驅動電路 230
8.2.2 Pico開發板和DRV8833驅動模組電機介面及編程實踐 238
8.3 樹莓派Pico伺服電機控制技術實踐 242
8.3.1 伺服電機 242
8.3.2 Pico開發板和伺服電機介面連接及編程實踐 244
8.4 樹莓派Pico步進電機控制技術實踐 247
8.4.1 直流步進電機及其驅動電路原理 247
8.4.2 Pico開發板步進電機控制技術實踐 249

第2篇 機器學習與嵌入式機器學習

第9章 機器學習技術基礎及實踐 259
9.1 機器學習簡介 259
9.1.1 機器學習的分類 259
9.1.2 機器學習應用開發的基本流程 261
9.1.3 機器學習常用基本術語 263
9.1.4 機器學習編程環境及工具 267
9.2 常用機器學習技術及華為AI雲平臺 ModelArts實踐 268
9.2.1 監督學習基本應用問題 268
9.2.2 回歸演算法及華為 AI雲平臺 ModelArts使用與實踐 271
9.2.3 主成分分析方法及特徵提取應用實踐 280
9.3 神經網路方法基礎 284
9.3.1 生物神經元 284
9.3.2 人工神經網路結構 285
9.3.3 人工神經網路基本學習演算法 289
9.3.4 BP神經網路模型 293
9.3.5 神經網路常用啟動函數 297
9.3.6 深度神經網路 300
9.4 基於PCA 特徵提取和神經網路方法的人臉識別技術實踐 301
9.4.1 ORL人臉庫 301
9.4.2 PCA方法人臉圖像特徵提取 302
9.4.3 ORL人臉識別神經網路結構 302
9.4.4 採用Python和tf.Keras編寫 ORL人臉識別程式 303

第10章 嵌入式機器學習技術實踐 310
10.1 嵌入式機器學習技術 310
10.2 tf.Keras CNN喚醒詞檢測及樹莓派TFLite語音控制實踐 311
10.2.1 Speech Commands資料集 312
10.2.2 語音喚醒詞的 MFCC特徵提取 312
10.2.3 基於CNN方法和tf.Keras的語音喚醒詞分類檢測技術實踐 319
10.2.4 基於TFLite模型推理引擎的樹莓派語音喚醒詞分類檢測實踐 323
10.3 Pico Arduino C力觸覺感知與回歸建模及Processing交互 329
10.3.1 Pico開發板Arduino IDE開發環境安裝與使用 329
10.3.2 Pico Arduino觸覺感知及Processing、Pico Arduino觸覺交互 332
10.3.3 基於力觸覺回歸和質點彈簧模型的力觸覺交互變形視覺化 338
10.4 運用Edge Impulse實現樹莓派Pico嵌入式機器學習 350
10.4.1 Edge Impluse 350
10.4.2 運用Edge Impluse構建Pico姿態檢測TinyML模型 351
10.4.3 運用Edge Impluse構建Pico中文語音喚醒詞TinyML模型 362

參考文獻 369