如何使用FreeMASTER讓PC對MCU程序中的數據進行可視化

概述

FreeMASTER是恩智浦免費為用戶提供的，一種在PC電腦上對MCU程序中數據可視化的工具。

使用FreeMASTER工具，不需要在目標工程中引用同FreeMASTER相關的源代碼，只須將需要實時顯示的變量，創建為全局變量即可，即在MCU的內存中分配一個固定的地址。之后，FreeMASTER將通過SWD通信接口，讀取內存中的值并實時顯示到PC機的界面上。

通過SWD接口訪問內存，是調試Arm程序的基本方式之一，同常用的支持在線調試的調試器工作方式相同。

硬件平臺

本文使用恩智浦官方在中國市場推出的LPC54114-Lite開發板作為目標設備。開發板如圖1所示。

圖1 LPC54114-Lite開發板

LPC54114-Lite開發板以LPC54114微控制器為主控核心，板載集成了開源的CMSIS-DAP調試器，僅用一根USB數據線，就可以實現供電、調試、串口通信的功能, 適合隨身攜帶和展示。

FreeMASTER支持多種連接MCU的通信協議，如圖2所示，其中包括了常用的JLink和CMSIS-DSP。比較驚喜的是，FreeMASTER竟然還支持OSBDM通信協議，這就意味著一些基于JM60板載調試器的Kinetis開發板也能用起來了，較新的Kinetis開發板使用基于K20主控的板載調試器，可以自由變身為CMSIS-DAP、JLink或OpenSDA（使用OSBDM通信協議）。

圖2FreeMASTER支持多種同MCU的通信協議

LPC54114-Lite開發板板載基于LPC11u35的調試器，內置了CMSIS-DAP的固件，本文中將使用CMSIS-DAP作為樣例介紹FreeMASTER的用法，使用其它通信協議與CMSIS-DAP類似。

創建MCU樣例工程

當使用調試接口作為FreeMASTER與MCU的通信接口，有個極為明顯的好處，就是不需要在用戶程序中寫任何關于FreeMASTER代碼，這就是所謂的“非侵入性”。用戶程序只要將需要FreeMASTER進行圖形化的數據安排到全局變量里，讓編譯過程能夠為這些數據分配固定地址的內存。最終FreeMASTER會通過調試接口，直接訪問MCU的內存，從而得到可顯示的數據。

下面使用恩智浦的MCUXpresso SDK中，提供的lpc_adc_burst工程作為示例程序的基礎，對這個工程進行簡化和改造，實現讓ADC0硬件對通道0(溫度傳感器)和通道3(板載電位器)連續采樣。采樣結果被保存在全局變量數組gAdcSensingValue[]中，并通過FreeMASTER顯示到虛擬示波器界面上。

節選main.c文件中的關鍵代碼如下:

#include "fsl_common.h" #include "board.h" #include "clock_config.h" #include "pin_mux.h" #include "fsl_clock.h" #include "fsl_power.h" #include "fsl_adc.h" /******************************************************************************* * Variables ******************************************************************************/ volatile uint32_t gAdcSensingValue[2]; /******************************************************************************* * Prototypes ******************************************************************************/ static void ADC_Configuration(void); /******************************************************************************* * Code ******************************************************************************/ /*! * @brief Main function */ int main(void) { uint8_t ch; BOARD_InitBootClocks(); BOARD_InitBootPins(); BOARD_InitDebugConsole(); printf("HelloWorld. "); ADC_Configuration(); ADC_DoSoftwareTriggerConvSeqA(ADC0); /* software start the conversion. */ while (1) { ch = getchar(); putchar(ch); } } void ADC_Configuration(void) { adc_config_t adcConvConfigStruct; adc_conv_seq_config_t adcSeqConfigStruct; /* Enable power. */ POWER_DisablePD(kPDRUNCFG_PD_ADC0); /* Power on the ADC converter. */ POWER_DisablePD(kPDRUNCFG_PD_VD7_ENA); /* Power on the analog power supply. */ POWER_DisablePD(kPDRUNCFG_PD_VREFP_SW); /* Power on the reference voltage source. */ POWER_DisablePD(kPDRUNCFG_PD_TEMPS); /* Power on the temperature sensor. */ /* Enable clock. */ CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Adc0); if (!ADC_DoSelfCalibration(ADC0)) { printf("ADC_DoSelfCalibration() failed. "); while (1); } /* Configure the converter. */ adcConvConfigStruct.clockMode = kADC_ClockAsynchronousMode; adcConvConfigStruct.clockDividerNumber = 5; adcConvConfigStruct.resolution = kADC_Resolution12bit; adcConvConfigStruct.enableBypassCalibration = false; adcConvConfigStruct.sampleTimeNumber = 7u; ADC_Init(ADC0, &adcConvConfigStruct); /* enable the temperature sensor connected to channel 0. */ ADC_EnableTemperatureSensor(ADC0, true); /* Configure the sequence. */ adcSeqConfigStruct.channelMask = (1u << 0u) | (1u << 3u) ?; /* channel 0 and channel 3. */ ? ?adcSeqConfigStruct.triggerMask = 0u; /* no hardware trigger. */ ? ?adcSeqConfigStruct.triggerPolarity = kADC_TriggerPolarityPositiveEdge; ? ?adcSeqConfigStruct.enableSyncBypass = false; ? ?adcSeqConfigStruct.enableSingleStep = false; ? ?adcSeqConfigStruct.interruptMode = kADC_InterruptForEachSequence; /* interrupt at the end of the sequence. */ ? ?ADC_SetConvSeqAConfig(ADC0, &adcSeqConfigStruct); ? ?ADC_EnableConvSeqA(ADC0, true); ? ? ? ? ? ?/* Enable interrupts. */ ? ?ADC_EnableInterrupts(ADC0, ADC_INTEN_SEQA_INTEN_MASK); ? ?NVIC_EnableIRQ(ADC0_SEQA_IRQn); } ? ? void ADC0_SEQA_IRQHandler(void) { ? ?adc_result_info_t adcResultStruct; ? ?uint32_t flags = ADC_GetStatusFlags(ADC0); ? ? ? ?if (kADC_ConvSeqAInterruptFlag == (kADC_ConvSeqAInterruptFlag & flags)) ? ?{ ? ? ? ?ADC_GetChannelConversionResult(ADC0, 0u, &adcResultStruct); ? ? ? ?gAdcSensingValue[0] = adcResultStruct.result; ? ? ? ?ADC_GetChannelConversionResult(ADC0, 3u, &adcResultStruct); ? ? ? ?gAdcSensingValue[1] = adcResultStruct.result; ? ?} ? ? ? ? ? ?ADC_ClearStatusFlags(ADC0, flags); ? ? ? ? ? ?ADC_DoSoftwareTriggerConvSeqA(ADC0); ? ? ? ? ? ?/* ? ? * Add for ARM errata 838869, affects Cortex-M4, Cortex-M4F Store immediate overlapping ? ? * exception return operation might vector to incorrect interrupt. ? ? */ #if defined __CORTEX_M && (__CORTEX_M == 4U) ? ?__DSB(); #endif }

編譯生成"lpc_adc_burst.out"文件，如圖3所示。然后下載并運行。

圖3 在Keil中設置生成映像文件格式

注意，如果是以調試方式下載程序，切記要確保下載后再退出調試模式，然后通過開發板上的復位按鍵硬件復位。此時Keil要讓出對調試器的占用，在接下來的操作中要把調試通信總線交給FreeMASTER。

創建并配置FreeMASTER工程

FreeMASTER軟件在恩智浦官網的產品主頁是：https://www.nxp.com/support/developer-resources/software-development-tools/freemaster-run-time-debugging-tool:FREEMASTER。

創建FreeMASTER新工程

下載、安裝軟件后啟動FreeMASTER軟件，默認創建了一個新工程。 右鍵選中左側樹形目錄中的工程名，選中“屬性”，在彈出對話框中編輯工程名，本例中改為“lpc54114-lite”，如圖4所示。

圖4 創建FreeMASTER新工程

此時一定要先保存工程，讓工程文件有個確定的文件地址，以便于后續關聯其它文件時可以使用相對路徑。

配置與MCU的通信協議并導入調試程序文件

配置新的FreeMASTER工程:

使用CMSIS-DAP通信協議，通過LPC54114-Lite板載的CMSIS-DSP調試器，與主控芯片LPC54114通信。

導入"lpc_adc_burst.out"文件，FreeMASTER會自動分析出變量名對應的內存地址。

操作見圖5所示：

圖5 配置與MCU的通信協議并導入調試程序文件

這里面有兩個要點：

指定調試程序的映像文件時最好用相對路徑，否則整個文件夾被復制到別的電腦上后會識別不出來原有電腦的路徑。

為了確保變量的地址映射被成功識別出來，可以單擊“View”查看解析出來的符號表，如圖6所示。

圖6FreeMASTER從映像文件中解析出的符號表

生成FreeMASTER變量表

FreeMASTER工程需要在內部保存一個FreeMASTER變量的清單，為后續步驟提供操作對象。FreeMASTER變量是對目標芯片上地址的封裝，同時在FreeMASTER內部在電腦的內存中建立了一個定期刷新的數據緩存，并自動更新緩存中變量的值。后續示波器顯示的變量，是直接從這個緩存中讀取的。創建變量表的操作如圖7所示。

圖7 生成FreeMASTER變量表

注意，只有在變量表中創建的變量才能被后續創建的虛擬示波器識別出來。

創建虛擬示波器頁面并設定顯示通道

右鍵選中工程名，在彈出菜單中選中“New Scope...”，創建新的示波器頁面。 在配置新示波器頁面中，為新示波器頁面命名并指定該示波器頁面的刷新周期，在“Setup”標簽頁中指定顯示通道，為指定通道選擇變量，并可為指定通道命名。此處在一個示波器頁面中支持最多8個通道，并可分組顯示。操作界面如圖8所示。

圖8 創建新的示波器頁面并設定顯示通道

用戶可以在一個FreeMASTER工程下面創建多個示波器頁面。另外FreeMASTER還允許創建其它可視化數據的子模塊，用戶可以通過JavaScript和Html語言編寫網頁添加到其中。

啟動FreeMASTER工程

此時全部配置工作就已經做好了，確保MCU端程序正在運行，并且電腦上沒有其它程序占用與MCU連接的調試總線，就可以啟動FreeMASTER開始采集和顯示數據了。

點擊FreeMASTER工程窗口工具欄中的“Start/Stop Communication(Ctrl+K)”圖標，之后就能看到示波器頁面上有曲線出來了。如圖9所示。

圖9 啟動FreeMASTER工程

圖中可以看到:

一條比較平穩的紅色曲線,它顯示的是變量gAdcSensingValue[0]的值,也就是芯片內部溫度傳感器的采樣值.

一條變化劇烈的綠色曲線,它顯示的是變量gAdcSensingValue[1]的值,也就是從板載電位器上取得帶采樣值,而此時，我正在用螺絲刀旋轉它以改變采樣值。

總結

本文基于恩智浦官方的LPC54114-Lite開發板，簡單介紹了數據可視化工具FreeMASTER軟件的用法。

FreeMASTER可以使用常用的CMSIS-DAP調試器作為通信媒介，使用通用的SWD接口通信，無需在應用程序中進行專門的通信協議移植工作，FreeMASTER軟件不需要“侵入”目標程序，只要將待檢測變量創建為全局變量即可。使用FreeMASTER可以快速實現對MCU的數據可視化，方便調試。

另外，FreeMASTER具有非常豐富的功能和強大的可擴展性，例如，可以自動記錄數據并導出到多種常用的數據文件格式，可以支持JavaScript和Html語言編程的網頁，定制顯示頁面。這些功能讀者在基于本文入門FreeMASTER軟件后繼續發掘。