實操項目帶您了解NXP產(chǎn)品在邊緣機器學習中的應用

在技術(shù)飛速發(fā)展的時代，邊緣機器學習（邊緣ML）作為一種變革性技術(shù)脫穎而出，重新定義了我們實時處理和分析數(shù)據(jù)的方式。這種開創(chuàng)性方法直接在邊緣設(shè)備上部署ML模型，掀開了響應式智能應用的新篇章。本文將通過一個實操項目來深入探索邊緣ML，探討其意義、應用及其為各行各業(yè)帶來的無數(shù)好處。

與嚴重依賴集中式云服務器進行大量數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)ML模型相比，邊緣ML可將計算工作量直接轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備上。這就給邊緣設(shè)備提供了即時決策的潛力，而無需一直依賴外部服務器。這種轉(zhuǎn)變解決了傳統(tǒng)方法固有的延遲、隱私和帶寬挑戰(zhàn)等相關(guān)問題。

邊緣ML的優(yōu)勢在于其提供實時見解的能力。通過直接在邊緣設(shè)備上執(zhí)行推理，應用可以針對不斷變化的情況做出快速反應，因此非常適合時間敏感型場景。無論是在需要瞬間做出決策的自動駕駛汽車中、發(fā)現(xiàn)潛在威脅的智能監(jiān)控攝像頭中，還是在提供及時診斷的醫(yī)療保健設(shè)備中，通過邊緣ML都能顯著縮短延遲時間。

本文將帶領(lǐng)讀者了解在邊緣ML的實際應用中使用FRDM-MCX-N947 FRDM開發(fā)板的必要步驟，并介紹用于生成ML模型的NXP eIQ? Portal。板載的MCX N947 MCU包含一個eIQ Neutron神經(jīng)處理單元 (NPU)，可縮短推理時間，從而提高邊緣ML產(chǎn)品的電池壽命。從智慧城市和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 到醫(yī)療保健和消費電子領(lǐng)域，潛在的應用多種多樣且影響深遠。

項目材料與資源

項目物料清單 (BOM)

●   NXP FRDM-MCXN947

項目代碼/軟件

●   MCUXpresso IDE for NXP MCU

●   MCUXpresso SDK Builder

●   eIQ Toolkit

其他資源

●   MCUXpresso IDE終端窗口、Tera Term或其他終端仿真器軟件

其他硬件

●   Windows PC

●   USB Type-C轉(zhuǎn)USB Type-A電纜，或Type-C電纜（取決于PC USB端口的可用性）

帳戶

●   NXP帳戶（可免費創(chuàng)建）

項目技術(shù)概況

FRDM-MCXN947開發(fā)板（圖1）搭載MCX N947 MCU，后者有兩個高性能Arm^? Cortex^?-M33內(nèi)核，每個內(nèi)核的運行速度高達150MHz。此MCU配備2MB閃存、可選的全ECC RAM、DSP協(xié)處理器和集成式eIQ Neutron NPU。NPU可顯著提高ML吞吐量，與單核CPU相比，性能最多可提升30倍。因此它能讓設(shè)備大幅縮短工作時間，從而降低總體功耗。

圖1 搭載MCX N947 MCU的NXP FRDM-MCXN947開發(fā)板（圖源：貿(mào)澤電子）

多核架構(gòu)通過在模擬和數(shù)字外設(shè)之間智能分配工作負載，提高了系統(tǒng)性能和效率。此開發(fā)板配備了MCUXpresso Developer Experience支持，經(jīng)過優(yōu)化且使用方便，可以加快嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)速度。

MCX N94x系列專為工業(yè)應用而設(shè)計，具有更豐富的模擬和電機控制外設(shè)。

項目開發(fā)

本項目將介紹MCX N94x MCU，專門使用FRDM-MCXN947開發(fā)板讓讀者了解如何輕松啟動并運行該產(chǎn)品。

軟件安裝

下面列出了運行示例項目所需的軟件，但只有MCUXpresso集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 是必需的。

MCUXpresso IDE

MCUXpresso IDE為開發(fā)人員提供基于Eclipse的用戶友好開發(fā)環(huán)境，專為搭載Arm Cortex-M內(nèi)核的NXP MCU（包括通用跨界MCU和支持無線功能的MCU）量身定制。此IDE提供各種高級編輯、編譯和調(diào)試功能，包括MCU特定調(diào)試視圖、代碼跟蹤和剖析、多核調(diào)試以及集成的配置工具（圖2）。

圖2 NXP MCUXpresso IDE（圖源：貿(mào)澤電子）

安裝步驟非常簡單，只需導航至NXP MCUXpresso IDE下載網(wǎng)站。單擊網(wǎng)站右上角的Downloads圖標，導航至MCUXpresso Integrated Development Environment (IDE)，然后單擊Download。如果出現(xiàn)提示，請按照屏幕上的說明創(chuàng)建帳戶。

在接下來的畫面上，您可以選擇要下載的版本以及要使用的操作系統(tǒng) (OS) 。本項目使用MCUXpresso 11.8.1版本（請下載最新版本）和Windows OS。

SDK Builder

MCUXpresso SDK Builder（圖3）通過提供開源驅(qū)動程序、中間件和參考示例應用來加快軟件開發(fā)速度。通過SDK Builder，您可以定制并下載與所選處理器或評估板相匹配的軟件開發(fā)套件 (SDK)，從而簡化開發(fā)流程。我們將在后面創(chuàng)建并安裝SDK。

圖3 NXP MCUXpresso SDK Builder網(wǎng)站（圖源：貿(mào)澤電子）

eIQ Portal

eIQ Toolkit（圖4）通過直觀的圖形用戶界面（即eIQ Portal）和工作流工具，以及eIQ ML軟件開發(fā)環(huán)境中的命令行主機工具選項，助力ML的開發(fā)。NXP的eIQ Toolkit是與Au-Zone Technologies獨家合作開發(fā)的，它為開發(fā)人員提供圖形級分析功能和運行時洞察力，可優(yōu)化EdgeVerse?處理器上的神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)。它還提供轉(zhuǎn)換模型所需的工具以便利用eIQ Neutron NPU。

圖4 eIQ Portal（圖源：貿(mào)澤電子）

eIQ軟件不是運行本示例項目所必需的，但它可以通過建立和實現(xiàn)新模型支持進一步的開發(fā)。所需文件可在eIQ Toolkit for End-to-End Model Development and Deployment頁面找到。單擊右上角的“Downloads”按鈕，然后根據(jù)您的操作系統(tǒng)查找并下載最新版本的eIQ Toolkit安裝程序。

硬件設(shè)置

本項目的硬件設(shè)置非常簡單。只需用USB Type-C電纜將主機與電路板的J17 USB Type-C端口（SW1旁邊）相連（圖5）。然后就可以編程并調(diào)試代碼。

圖5 連接了USB Type-C電纜的FRDM-MCX-N947（圖源：貿(mào)澤電子）

組裝

創(chuàng)建并安裝SDK

在開始之前，您需要找到并安裝設(shè)備所需的SDK：

1.導航至https://mcuxpresso.nxp.com/en/welcome（需要登錄）

2.單擊Select Development Board

3.從Boards下拉菜單中選擇MCX，然后選擇FRDM-MCXN947 (MCXN947)（圖6）。

4.選中后，從窗口右側(cè)的Selection Details單擊Build MCUXpresso SDK。

圖6 NXP MCUXpresso SDK Builder開發(fā)板選擇（圖源：貿(mào)澤電子）

1.在Developer Environment Settings（圖7）下方，選擇所有庫，確保其中有eIQ Middleware。

2.單擊窗口底部的Download SDK。

圖7 NXP MCUXpresso SDK Builder開發(fā)環(huán)境設(shè)置（圖源：貿(mào)澤電子）

1.從MCUXpresso SDK Dashboard（圖8）找到新創(chuàng)建的SDK，然后在特定SDK窗口的右側(cè)單擊Download SDK。（該區(qū)域?qū)⒘谐鏊袆?chuàng)建的SDK。）

圖8 NXP MCUXpresso SDK Builder Dashboard（圖源：貿(mào)澤電子）

2.打開MCUXpresso IDE（如果尚未打開）。

3.找到下載的SDK文件。

4.將壓縮的SDK文件拖到Installed SDKs窗口（圖9），按照屏幕上的說明開始安裝。（注意：窗口位置可能因IDE配置而異。）

圖9 MCUXpresso IDE安裝的SDK列表（圖源：貿(mào)澤電子）

找到并加載示例項目

SDK安裝完成后，使用以下步驟訪問示例項目，以便測試和開發(fā)設(shè)備：

5打開MCUXpresso IDE并關(guān)閉歡迎窗口。

6.在MCUXpresso IDE的左下角找到Quickstart Panel（圖10）。

圖10 MCUXpresso IDE Quickstart Panel（圖源：貿(mào)澤電子）

1.在Create or import a project下面，選擇Import SDK example(s)…，這將打開SDK Import Wizard（圖11）。

2.從列表中選擇FRDM-MCXN947，然后單擊Next。

圖11 MCUXpresso IDE SDK Import Wizard（圖源：貿(mào)澤電子）

1.選擇eiq_eamples下面的tflm_label_image演示文件，如圖11所示。也可以選擇其他示例。

2.單擊Finish，開始將示例項目導入工作空間。

3.在Project Explorer窗口（圖12）中，應可看到所有已安裝和可用項目的列表。

圖12 MCUXpresso IDE Project Explorer（圖源：貿(mào)澤電子）

對FRDM-MCXN947進行編程和調(diào)試

利用所安裝SDK中的可用示例程序，您可以評估任何eIQ項目。在本項目中，我們將評估Label Image示例項目。

1.從Project Explorer中的可用項目列表（圖12），選擇frdmmcxn947_tflm_label_image。

2.在IDE頂部的工具欄中，單擊Build圖標。

3.在控制臺中確認編譯完成且無錯誤（圖13）。

圖13 MCUXpresso IDE控制臺窗口（圖源：貿(mào)澤電子）

4.右鍵單擊所選示例程序，選擇Debug As，然后選擇MCUXpresso IDE LinkServer。

5.在SWD Configuration窗口（圖14）中，選擇Device 0，然后單擊OK。

圖14 MCUXpresso IDE SWD Configuration窗口（圖源：貿(mào)澤電子）

6.label image文件編譯完成后，按下F8或單擊工具欄上的Resume圖標，繼續(xù)調(diào)試程序。

7.打開終端窗口（圖15）或其他終端仿真器軟件。

8.選擇分配給設(shè)備的COM端口。

9.如下所示設(shè)置COM端口：

a.波特率：115200

b.數(shù)據(jù)位：8

c.奇偶校驗位：無

d.停止位：1

e.流控制：無

圖15 MCUXpresso IDE終端窗口（圖源：貿(mào)澤電子）

此示例項目的輸出結(jié)果應顯示在終端窗口中，由于未連接外部攝像頭，因此只能顯示靜態(tài)圖像。

更進一步

當然，這并不是最終的可能結(jié)果。只需拖放文件，還可通過eIQ Portal，使用自定義圖像集創(chuàng)建模型（圖16）。有了可用的示例和新增的硬件，圖像分類和實時監(jiān)控就變得簡單多了。您還可以使用eIQ Toolkit轉(zhuǎn)換現(xiàn)有模型，并利用eIQ Neutron NPU。MCX N系列中的eIQ Neutron NPU可以顯著縮短運行模型時的推理時間。

圖16 eIQ Portal Data Set Curator（圖源：貿(mào)澤電子）

結(jié)語

邊緣ML的顯著優(yōu)勢在于其提供實時見解的能力。在邊緣設(shè)備上進行直接推理可使應用對動態(tài)條件迅速做出反應，這在時間敏感型場景中尤為有利。無論是在需要瞬間做出決策的自動駕駛汽車中、發(fā)現(xiàn)潛在威脅的智能監(jiān)控攝像頭中，還是在提供及時診斷的醫(yī)療保健設(shè)備中，通過邊緣ML縮短延遲時間都是至關(guān)重要的創(chuàng)新。

本文提供了實操型指南，讓讀者了解在邊緣ML應用中使用FRDM-MCXN947 FRDM開發(fā)板的基本步驟。此外，本文還介紹了用于生成ML模型的工具 - eIQ Portal。所展示的應用涉及智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、醫(yī)療保健和消費電子等多個行業(yè)，凸顯了邊緣ML廣泛而深刻的影響。

作者簡介

Joseph Downing于2011年加入貿(mào)澤電子，擔任技術(shù)支持專員，后轉(zhuǎn)為技術(shù)內(nèi)容專員。此外，Joseph還曾就職于Intel、Radisys和Planar等電子行業(yè)公司，擁有20多年的工作經(jīng)驗。作為一名狂熱的創(chuàng)客，Joseph幫助管理并向“應用與技術(shù)”專欄以及貿(mào)易展會提供技術(shù)項目和材料。