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移到邊緣設備上。這就給邊緣設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)療保健設備中，通過邊緣ML都能顯著縮短延遲時間。

本文將帶領讀者了解在邊緣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內核，每個內核的運行速度高達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）

多核架構通過在模擬和數(shù)字外設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)應用而設計，具有更豐富的模擬和電機控制外設。

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、編譯和調試功能，包括MCU特定調試視圖、代碼跟蹤和剖析、多核調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。它還提供轉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。

硬件設置

本項目的硬件設置非常簡單。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窗口的右側單擊Download SDK。（該區(qū)域將列出所有創(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)設備：

5打開MCUXpresso IDE并關閉歡迎窗口。

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.選擇分配給設備的COM端口。

9.如下所示設置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)療保健設備中，通過邊緣ML縮短延遲時間都是至關重要的創(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，擔任技術支持專員，后轉為技術內容專員。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”專欄以及貿(mào)易展會提供技術項目和材料。