项目介绍

本项目使用了XG24-EK2703A套件的EFR32MG24芯片、Circuitpython语言，实现了温度检测与动态可视化系统的设计，主要功能为板卡芯片的温度检测、蓝牙传输上位机，以及上位机的数据接收与保存，基于保存的数据动态绘图时间--温度数据。

本项目完全实现了Circuitpython语言下的EFR32MG24芯片温度底层信息读取，借助于蓝牙通信，实时无线传输数据到上位机，同时基于Python语言，设计了完善的上位机数据接收与绘图代码，通过纯代码方案构建了一个蓝牙上位机可视化系统。

本项目证明了XG24-EK2703A套件使用Circuitpython语言的开发潜力，同时认为蓝牙通讯形式的上位机接收，在当前的平台技术支持下，能够取得满足工程实际需求的效果。

另外，本项目为Funpack第三季第一期活动作业的任务一。

设计思路

本项目首先基于adafruit给出的Circuitpython语言指南，论证了基于Circuitpython语言发送蓝牙数据的可行性。同时通过阅读EFR32MG24芯片手册，明确了读取芯片温度信息的可行性。

然后形成了Circuitpython代码，并借助于Simplicity Studio开发平台，对板卡烧录了已经编译好的具备Uctypes库的Circuitpython固件。

借助于Thonny这一开源的Python IDE，实现了该板卡的Circuitpython代码调试。

然后对上位机开发，基于 Python 语言的ble-serial库，实现了与板卡的蓝牙无线通信，并构建通信端口。

然后构建一段Python程序，可以接收该端口的信息，并基于接收到蓝牙信息，实时保存到表格文件。

在最后构建了一个用于绘图Python程序，对实时更新的表格文件动态读取，同时基于matplotlib库动态更新图像。

硬件介绍

XG24-EK2703A是基于EFR32MG24的低功耗无线开发平台，支持含有2.4 GHz无线协议的IoT应用程序，例如蓝牙LE、蓝牙Mesh等，芯片频率最高78MHz。

EFR32MG24 无线SoC可以使用 Matter、OpenThread 和 Zigbee 协议构建网状物联网无线连接。

该芯片具有 DSP 指令和浮点单元以实现高效信号处理的高性能 32 位 78.0 MHz ARM Cortex®-M33。Cortex-M33是ARM公司推出的一款高效能、高安全性的微控制器处理器。这款处理器是基于ARMv8-M架构，其主要特点是集成了硬件安全特性以及可选的浮点运算。支持ARM的TrustZone技术，能够为嵌入式设备提供更好的安全性，采用四级流水线架构，每个时钟周期只能执行一条指令，性能仅略微逊色于Cortex-M7处理器，但低功耗特性更好，且支持协处理器。

芯片还具备以下特性：高达 1536 kB 的闪存程序内存，RAM 数据内存高达 256 kB，2.4 GHz 收音机操作，无线电性能，广泛的MCU外围设备选择，具有全面可配置成型功能 的2(G)FSK、OQPSK DSSS、(G)MSK，MG24安全功能

XG24-EK2703A板卡硬件布局：

套件电路图见附件。

本项目开发软件介绍

软件流程图

芯片内主要代码片段及说明

temperature_blue1.py 程序代码说明。

首先，创建一个低功耗蓝牙地址，定义蓝牙名称。

ble = BLERadio()

uart = UARTService()

advertisement = ProvideServicesAdvertisement(uart)

advertisement.short_name = "CPY_MYG"

接下来的代码，读取芯片温度数据结构，以准备解析温度数据。EFR32MG24的EMU里面的温度传感器，TEMP代表温度整数，TEMPLSB代表温度小数（单位是1开尔文的四分之一）

EMU_LAYOUT = {
    "EMU_TEMP": (
        EMU_ADDR_TEMP_OFFSET,
        {
            "TEMP": 2 << BF_POS | 9 << BF_LEN | BFUINT32,
            "TEMPLSB": 0 << BF_POS | 2 << BF_LEN | BFUINT32,
            "TEMPAVG": 18 << BF_POS  | 9 << BF_LEN | BFUINT32,
            "TEMPAVGLSB": 16 << BF_POS | 2 << BF_LEN | BFUINT32,
        }),
    "EMU_STATUS": (
        EMU_ADDR_STATUS_OFFSET,
        {
            "TEMPACTIVE": 2 << BF_POS | 1 << BF_LEN | BFUINT8,
            "TEMPAVGACTIVE": 3 << BF_POS | 1 << BF_LEN | BFUINT8,
        }),
    }

接下来该文件的重要代码片段，为温度计算与蓝牙发送信息。

    while ble.connected:

        emu_cmd[0] = emu_cmd[0] | 0x10

        emu = struct(EMU_ADDR_BASE, EMU_LAYOUT)

        # 芯片读取的温度现值

        T0 = emu.EMU_TEMP.TEMP

        T1 = emu.EMU_TEMP.TEMPLSB

        Tk = T0 + T1/4

        Tc = Tk - 273.15

        # 芯片读取的温度均值

        T0 = emu.EMU_TEMP.TEMPAVG

        T1 = emu.EMU_TEMP.TEMPAVGLSB

        Tkmean = T0 + T1/4

        Tcmean = Tkmean - 273.15

        print("Temperature mean value: %0.2f; Temperature current value: %0.2f" % (Tcmean, Tc))

        result = "%0.1f,%0.2f\n" % (Tcmean, Tc)

        uart.write(result.encode("utf-8"))

        time.sleep(1)

 

上位机蓝牙接收程序主要代码片段及说明

接下来对“temperature_new_PC_去除时间v1.1.py”文件中的代码进行解读。

本项目借助了TCP端口，传入蓝牙数据，然后借助于表格，作为信息中转途径，借助time库，计算不同接收数据的时间，精确到小数点后6位，以尽可能精确的表现时间与温度的关系。

def Trans():

    global data, start_time

    stream = yield TCPClient().connect(HOST, PORT)

    try:

        while True:

            data = yield stream.read_bytes(20, partial=True)

            print("data: ", data.decode("utf-8"))

            save_to_csv(data)  # 将数据保存到CSV文件

            if start_time is None:

                start_time = time.time()  # 记录程序开始运行的时间

    except iostream.StreamClosedError:

        data = b""

 

# 保存数据到CSV文件

def save_to_csv(data):

    with open('data.csv', 'a', newline='') as file:

        writer = csv.writer(file)

        writer.writerow([get_elapsed_time(), data.decode("utf-8")])

 

# 获取程序运行时间

def get_elapsed_time():

    global start_time

    if start_time is not None:

        elapsed_time = time.time() - start_time  # 计算程序运行的时间差

        return str(elapsed_time)

    else:

        return ""

上位机数据动态绘图程序主要代码片段及说明

改程序借助于matplotlib.pyplot实现，难度较低。采用了坐标轴动态刷新的代码，因为运行时间过长后，横轴时间拉长，表现为横轴标签过密，以下代码很好地解决了这个问题。

             # 根据数据量判断横坐标轴间距

            num_data_points = len(time_data)

            if num_data_points <= 10:

                plt.xticks(rotation=45)

                plt.gca().xaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(base=1))  # 设置横坐标轴间距为1

            elif num_data_points <= 20:

                plt.xticks(rotation=45)

                plt.gca().xaxis.set_major_locator(ticker.MultipleLocator(base=2))  # 设置横坐标轴间距为2

            else:

                plt.xticks(rotation=45)

                plt.gca().xaxis.set_major_locator(ticker.AutoLocator())  # 自动调整横坐标轴间距

开发流程

由于活动开发板支持Circuitpython，且本项目上位机前端使用python开发，因此直接使用该语言开发。借助 CircuitPython，使用 Python 语法控制板卡外设并与之交互，从而缩短开发时间并降低复杂性。

本项目开发，参考如下文档，Introducing CircuitPython Support for Silabs' xG24 Boards

Welcome To CircuitPython | Welcome to CircuitPython! | Adafruit Learning System 

官方学习资料，Circuitpython

SiliconLabs/circuitpython_applications: Application Examples for CircuitPython (github.com)  官方例程

导入固件

首先下载导入开发板的 bin 文件，CircuitPython 8.2.9，下载文件名 adafruit-circuitpython-explorerkit_xg24_brd2703a-en_US-8.2.9.bin 。下载后可以关闭，后面不用看不下载 CircuitPython 9.0.0-alpha.6，这是开发测试版本，显示模块大幅度更新EFR32xG24 Explorer Kit Download (circuitpython.org)选中 ENGLISH ( US )
内置如下模块，

Built-in modules available: _asyncio, _bleio, _pixelmap, adafruit_bus_device, adafruit_pixelbuf, aesio, analogio, array, atexit, binascii, bitmaptools, board, builtins, builtins.pow3, busio, busio.SPI, busio.UART, collections, digitalio, displayio, errno, fontio, framebufferio, getpass, gifio, io, json, math, microcontroller, msgpack, nvm, onewireio, os, os.getenv, pwmio, rainbowio, random, re, rtc, sdcardio, select, sharpdisplay, storage, struct, supervisor, sys, terminalio, time, traceback, ulab, vectorio, watchdog, zlib

每次向 CircuitPython 提交新代码时，都会自动为每块电路板和每种语言构建二进制文件。二进制文件存储在 Amazon S3 上，按电路板和语言分类。

本文使用了一种单独编译的含有uctypes库的CircuitPython固件，因为uctypes库是调用读取芯片温度编码的必备的库，所以必须包含该库。下载链接如下：

「CircuitPython固件」： 链接：https://pan.quark.cn/s/7d42429eccab；提取码：TmkT

当然，也可以从如下链接，搜索历史上的官方发行版。Releases · adafruit/circuitpython (github.com)

安装SDK和刷写固件

首先下载完整最新版安装包并安装，Simplicity Studio - 芯科科技 (silabs.com)

具体细节可以看操作指南 Overview - latest - Simplicity Studio 5 Users Guide Silicon Labs (silabs.com)

接入板卡，安装即可，需要较好的网络环境，若安装失败就是网络原因，不再赘述。

使用 Simplicity Commander，打开方式如下

Simplicity Commander (silabs.com) 该网站有旧版本的独立下载网址

烧录完成后，重新接入一次单片机，否则黄灯会快速闪。

点灯测试

接下来测试点灯，若点灯实现，说明硬件开发环节没有任何问题。

在SDK端固件烧录好后，本文依靠于thonny IDE，这是芯科官方推荐的用于CircuitPython 的IDE，是一款开源简洁且便携的Python IDE，且具备强大的包管理功能。

首先，右下角设置解释器，使用CircuitPython 。

另外，视图中，打开如下内容

如果设置后解释器可以正常工作，出现如下代码，证明IDE配置完成。

Adafruit CircuitPython 9.0.0-alpha.6-11-g1d13364511-dirty on 2024-01-01; SiLabs xG24 Explorer Kit with EFR32MG24B210F1536IM48

Adafruit CircuitPython 9.0.0-alpha.6-11-g1d13364511-dirty on 2024-01-01; SiLabs xG24 Explorer Kit with EFR32MG24B210F1536IM48

此时，只需要创建代码，写入，保存到CircuitPython设备，代码即可运行。运行效果如下，此代码在开发板上，会让两个LED黄灯轮流亮起关闭。

主程序开发与测试

此处见上一节，“本项目开发软件介绍”。与硬件层面，下一节“功能展示及说明”，以及结合上传到bilibili的视频观看。

功能展示及说明

首先将temperature_blue1.py刷入板卡，并开始执行。

上位机连接蓝牙，运行如下命令：

ble-serial -d 04:87:27:E9:B4:A9 --expose-tcp-host 127.0.0.1 --expose-tcp-port 9999

连接后，由于IDE也开启了串口输出展示与绘图，从uart串口输出的内容如下（一条线是温度均值，一条线是现值）：

接下来实现串口传图，然后在python，IDLE运行，temperature_new_PC_去除时间v1.1.py

开始运行后，shell输出温度均值和现值。同时在与“temperature_new_PC_去除时间v1.1.py”同目录下生成“data.csv”。

此时“data.csv”内容如下（表格在附件给出）。

然后，在终端（Powershell或者命令提示符）新打开运行，

python plot_testv1.1.py

程序实现自动绘图，并实时更新。更新动态图效果见视频。

至此，任务完成。

心得体会

本项目的开发过程中，尝试过官方SDK给出的蓝牙方案，也考虑过借助于VFOA程序的蓝牙上位机绘图实现。

但对比起来，Python及其衍生语言以其强大的社区支持与易开发特性，极大程度简化了本项目实现流程，相关资料开源、易用，学习难度低，特别是上位机二次开发可以借此实现低成本的复杂应用。

本项目证明了XG24-EK2703A平台具备完备的CircuitPython适配能力，基于该语言开发基本可以满足原生蓝牙应用的各种要求，以及复现SDK中的若干Example。

最后，感谢电子森林与得捷电子等各方提供的支持。