APM32芯得EP.39|玩点不一样的，APM32F411通过SWD输出数据波形！

1 背景

上次我们利用pyocd和Python脚本对APM32F411进行了LED输出状态的读取以及读保护的解除（具体看：还可以这样玩？APM32F411与pyocd的火花[https://bbs.21ic.com/icview-3342212-1-1.html]）。

我就在想既然可以读取寄存器的内容值，并打印出来，那我们是不是也可以利用Python的库把读取到的内容进行波形绘制出来呢？

想到就去做。

2 Python的波形绘制

Python的波形绘制，我们可以利用matplotlib库。

安装命令：pip install pyocd matplotlib

这个是它的文档：https://matplotlib.org/stable/users/index

我们这里仅需要绘制一个简单的线图，有内容有：

1. y轴，内容（值的大小）

2. x轴，时间（表示采样到值的时间）

3. 描线，把一个个点采样到的内容描绘线，这个将是动态的。

3 读取PE5/6的状态并输出数据波形

老规矩我们这里拿PE5/6练练手。具体流程如下：

1. 设置读取的地址，APM32F411的GPIOE ODR寄存器： 

# APM32F411 GPIOE寄存器的基地址（根据参考手册确定）

GPIOE_BASE = 0x40021000

# GPIOE 输出数据寄存器的偏移量（根据参考手册确定）

GPIOE_ODR_OFFSET = 0x14

# GPIOE 输出数据寄存器地址

GPIOE_ODR = GPIOE_BASE + GPIOE_ODR_OFFSET

2. 设置读取的时间间隔和最大取点数量，我这里设置0.1s读取一次状态，保存的40个点：

# 读取的时间间隔

READ_INTERVAL = 0.1  # 单位秒

MAX_POINTS = 40  # max number of points to display at once

3. 设置横纵坐标的取值范围。

4. 设置matplotlib，及横纵坐标名称、图例等内容。

5. 然后写一个函数对状态进行读取：

# 更新波形函数

def update_line(frame):

    # 使用PyOCD连接目标设备

    with ConnectHelper.session_with_chosen_probe(unique_id=TARGET_DEVICE_SERIAL_NUMBER) as session:

        board = session.board

        target = board.target

        gpioe_odr_val = target.read32(GPIOE_ODR)

        pe5_state = (gpioe_odr_val >> 5) & 0x1

        pe6_state = (gpioe_odr_val >> 6) & 0x1

        # 更新状态

        pin_states['PE5'].append(pe5_state)

        pin_states['PE6'].append(pe6_state)

        # 更新时间点

        current_time = time.time() - start_time

        time_points.append(current_time)

        # 更新波形图

        lines_pe5.set_data(time_points, pin_states['PE5'])

        lines_pe6.set_data(time_points, pin_states['PE6'])

        # 移动时间轴

        if len(time_points) == MAX_POINTS:

            ax.set_xlim(time_points[0], time_points[-1])

        return lines_pe5, lines_pe6

6. 最后把波形进行显示出来。

最后我们看看效果：

但是波形和我们目标板卡上的灯闪烁（时间间隔一致，及0/1的时间应该是同样的）不太一样，这是为什么呢？请看5.2小结。

4 读取RAM的内容并输出数据波形

4.1 设置波形

保存在RAM的数据我这里用在线的网站整了两个波形：

y=500sin(x/100)+500，y=200sin(x/100)+500。

为什么选这两个波形呢？

因为这两个波形的数据都是正整数，因为我现在只想对`uint32_t`的数据进行描绘，所以我这里就选择了能在正整数区域，并小于0xFFFFFFFF的数据。

4.2 波形取点

我计划在APM32F411的滴答demo里面对这个两个波形进行描绘，但是我们知道——用MCU对三角函数的计算是较为不便的，很多情况下我们是对波形这里进行取点操作。

我这里也讨个巧，直接对波形进行取点。我这里写了一个Python脚本：

import math

# 定义波形函数

def wave1(x):

    return int(500 * math.sin(x / 100) + 500)

def wave2(x):

    return int(200 * math.sin(x / 100) + 500)

# 设置参数

points = 628

# 计算波形点并格式化为字符串

wave1_points = ', '.join(f'{wave1(x)}' for x in range(points))

wave2_points = ', '.join(f'{wave2(x)}' for x in range(points))

wave1_array_str = f"data1[628] = {{{wave1_points}}};\n"

wave2_array_str = f"data2[628] = {{{wave2_points}}};\n"

# 写入到文件

filename = 'E:/03_Work/00_Notes/APM32F4/APM32F411_python_pyocd_Graphic_drawing/code/wave_points.txt'

with open(filename, 'w') as file:

    file.write(wave1_array_str)

    file.write(wave2_array_str)

print(f"The wave points have been written to {filename}")

这里我对这个脚本进行一下简单的说明：

1. 导入`math`模块，以便可以使用其中的数学函数：正弦函数sin。

2. 定义波形函数`wave1`和`wave2`。`wave1`就是`y=500 * sin(x / 100) + 500`，而`wave2`就是`y=200 * sin(x / 100) + 500`。

3. 设置了一个变量`points`，表示生成的波形点的数量，我这里的取值是628，表示取628个点。

4. 使用循环计算每个波形点的值，并将这些值格式化为字符串。`wave1_points`和`wave2_points`分别保存了`wave1`和`wave2`的波形点的字符串表示，每个点之间用逗号分隔。

5. 通过字符串操作，将取到的波形点转换成字符串表示。如data1[628]就是我们波形1取到的点数。

6. 最后，代码将数组字符串写入到文件中。指定文件路径，我的是`E:/03_Work/00_Notes/APM32F4/APM32F411_python_pyocd_图形绘制/code/wave_points.txt`。

7. 最后打印出文件保存的路径，提示波形的数据点已成功写入文件。

总结起来，这段代码的作用是生成两个波形函数的波形点，并将这些点保存到指定的文件中。大家也可以参考这个操作生成自己想要的的波形的数据点。

4.3 编写APM32F411程序

把我们刚刚取到的点，放到APM32F411指定的RAM地址，然后隔一段时间赋值下一个点。

在MDK里面，指定某个数组保存在指定地址用的语法是：

__attribute__((section(".ARM.__at_0x20000000")))，0x20000000是指定的地址。

伪代码示意如下： 

const uint32_t data1[628] = {500, 504, ...}

const uint32_t data2[628] = {500, 501, ...}

uint32_t w_data[2] __attribute__((section(".ARM.__at_0x20000000")));

...

...

while (1)

    {

        /* Precise Delay 1ms */

        SysTick_Delay_ms(20);

        w_data[0] = data1[i];

        w_data[1] = data2[i];

        i++;

        if (i >= 628)

        {

            i = 0;

        }

    }

我这里每隔20m就描绘下一个点。

4.4 数据抓取并描绘

这个部分和上文提到的PE5/6的基本类似，但是我们需要注意的是：

1. PE5/6的状态只有0/1，它的脚本里面的y坐标的取值范围是[-0.5,1.5]。我们的波形取值到了[0,500]，所以我们要修改一下坐标范围。

2. 然后读取的时间间隔设置短一定，因为我们APM32F411的波形绘制是20ms就进行下一个点的绘制了。

总体的代码这里就不贴出来了，大家最后可以看附件里面。

然后我们数据抓取的效果图：

和我们网站https://www.desmos.com/calculator?lang=zh-CN描绘的图像对比：

基本一致（不一致的原因是什么呢？大家可以想想）

5 基本原理解释

5.1 读取

数据的读取功能我们使用了pyocd的“target.read32”接口。用这个接口我们基本可以对APM32F411支持读取的区域进行读取。

5.2 采样

由于我们是利用pyocd+Geehy-link进行APM32F411的数据进行间隔一段时间进行读取的。这个就有一个叫做“采样率”的东西。

在实际应用中，我们的RAM内容数据其实是实时更新的，我们要清楚的知道我们的数据在ram中的更新频率，以匹配我们的读取频率才能得到更优的答案。

6 最后

利用pyocd+Geehy-link我们发现的可玩性巨高，更多好玩的东西欢迎我们一起讨论~~。

4.4 提及到的图像不一致的原因是什么呢？

答案就是我们的两个波形x轴的取值间隔是不一样的，网站绘制的图是非常标准的，我们绘制的图失真在APM32F411的绘制上：20ms才绘制下一个点，理论上应该是多少呢？欢迎评论区讨论！ 

注：文章作者在原帖中提供了工程文件，有需要请至原文21ic论坛下载

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