掌握 PSoC 6 Pioneer 开发板与 IoT 扩展盾：开发者指南

简介

PSoC 6 是 Cypress 强大 PSoC 系列处理器的最新成员。PSoC 6 Pioneer IoT 扩展盾是该处理器系列的配套开发工具，集成板载调试器、Arduino 兼容排针、CapSense 组件等，均连接至 PSoC 6 处理器。该处理器为双核架构，包含低功耗 Cortex-M0+ 与高性能 Cortex-M4 内核，通过共享外设与内存空间互联。

本教程将指导您上手 Pioneer 开发板，利用 Pioneer 扩展盾扩展 PSoC 6 能力。我们将演示如何通过 BLE 与 WiFi（使用 XBee WiFi 模块）与树莓派通信，以及 PSoC 4 BLE Pioneer 开发板与 PSoC 6 Pioneer 开发板间的 BLE 通信。

所需材料

本教程示例基于 PSoC 6 Pioneer 套件，可从 Cypress 或 Digi-Key 直接购买。

显然还需要 Pioneer 扩展盾。还需 XBee WiFi 模块。根据搭建情况有几种 XBee WiFi 选项：Trace、RP-SMA 接口配外置 2.4GHz 天线、或 Wire 天线版。最简便的是购买带导线天线的 XBee。

还需树莓派 3 入门套件。它将成为 PSoC 6 Pioneer 开发板的通信目标。当然也可单独购买 Pi 3 配面包板、跳线、电阻和 LED，但我们认为入门套件性价比极高，值得入手。

硬件概览

详细介绍 Pioneer Kit IoT 扩展板特性：

MicroSD 卡槽 – 该插槽引脚映射至大多数 Arduino 兼容板（含 PSoC 6 BLE Pioneer 板）的 SPI 外设。

XBee 排针 – 间距符合标准 XBee 封装，兼容所有官方 XBee 模块。

Qwiic 连接器 – 支持所有 SparkFun Qwiic 模块，供电 3.3V。

MicroB USB 电源接口 – 该接口数据线未连接任何信号。为 XBee 模块的 3.3V 稳压器提供 5V，覆盖来自 Arduino 排针的 5V，使高功耗 XBee 模块（如蜂窝、WiFi 或 Pro 型号）正常工作。

D7 与 D9 按键 – 两个用户按键分别连接至 D7、D9 引脚（PSoC 6 上对应 P0.2 和 P13.1，PSoC 4 BLE 上对应 P1.0 和 P0.4）。

3.3V 稳压器 – 开关模式 3.3V 稳压器，上游供电能力允许下最高可提供 1.5A。从 Arduino 引脚 5V 或 MicroB 电源接口取电。仅为 XBee 排针供电。

电平转换缓冲器 – 将 5V 信号降为 3.3V，使板卡兼容 3.3V 或 5V 系统。

I2C 电平转换电路 – 必要时将 I2C 信号从 3.3V 转为 5V。

电压选择跳线 – 选择 I2C 电平转换电路的目标电平。默认 3.3V。5V 系统使用时设为 5V。PSoC 4 和 PSoC 6 Pioneer BLE 均为 3.3V 系统。

XBee DIO5 LED – DIO5 默认具有实用功能，尤其在 WiFi 模块上，指示与配置 WiFi 网络的连接状态。

示例：PSoC 6 Pioneer Kit 通过 WiFi 与树莓派通信

本示例演示如何通过 WiFi 向树莓派发送信号。涵盖：访问 XBee WiFi 模块、PSoC 6 双核间进程通信、树莓派接收与解析命令。

跟随示例需一些准备，现逐步讲解。

PSoC 6 Pioneer Kit 硬件搭建

Pioneer Kit 侧极简：将 XBee WiFi 模块插入 Pioneer IoT 扩展盾，再将扩展盾插入 Pioneer Kit 板的 Arduino 排针。

树莓派侧需更多软硬件配置。

PSoC 6 Pioneer Kit 软件搭建

注意： PSoC 6 仅在 Creator 4.2 或更高版本受支持！

Pioneer Kit 软件项目托管于 GitHub。

PSOC 6 PIONEER KIT SOFTWARE DOWNLOAD

下载解压后，在 PSoC Creator 中打开示例（XBee_WiFi_Example）。

首先打开 “main_cm4.c” 并修改两处。您会看到类似代码段：
char ssid[] = “your_ssid_here”;
char rpi_ip[] = “raspi_ip_here”;
char ssid_pw[] = “wifi_pw_here”;
int dest_port = 5000;
char encrypt_mode = WPA2;
显而易见，需修改为匹配您的网络设置。encrypt_mode 可为 WPA、WEP、WPA2 或（不推荐）NO_SECURITY。rpi_ip 为点分四段（如 “10.8.253.193”），可在树莓派命令窗口输入 “ifconfig” 查看 “wlan0” 部分获取。

编程开发板：通过随附 USB-A 转 USB-C 线连接 PC。点击工具栏 “Program” 按钮自动构建并烧录。

可能弹出窗口要求选择编程目标。在 “KitProg2” 列表项下任选一项均可正确烧录 flash。

树莓派硬件搭建

先看硬件连接：

如图，我们将 LED（串联 330 欧姆电阻）连接至树莓派引脚 3 (GPIO 2) 和 6 (GND)。这将允许切换 GPIO2 并在 LED 上观察结果。

树莓派软件搭建

假设您已搭建运行最新版 Raspbian（完整版而非 Lite）的树莓派，并连接键盘、鼠标、显示器及本地 WiFi。若非此情况，请花几分钟完成搭建。可参考我们的树莓派搭建教程。

从树莓派桌面开始。您应看到类似如下画面：

点击屏幕顶部的小图标（如下图）打开命令行。本教程后续假设命令行已打开。

将打开命令行窗口，可直接向树莓派发送执行命令。

首先执行安装 Flask 命令。Flask 是 Python Web 框架，能轻松构建运行后端 Python 脚本的 Web 前端。输入以下命令并回车：
sudo pip install flask
命令行将输出大量信息，结束时 Flask 已安装在树莓派上。

下一步从 GitHub 安装项目支持软件：
git clone https://github.com/sparkfun/Flask_Tutorial
命令行再次滚动输出，提示符返回表示安装完成。接着执行：
sudo python Flask_Tutorial/Python/app.py
这将启动应用并开始监听来自 Pioneer 板的 TCP/IP 输入。现在按下 IoT 扩展盾上的 D7 和 D9 按键即可控制树莓派连接的 LED 亮灭。很酷！

原理剖析 Part 1：Pioneer Kit 端

从 PSoC 6 软件项目的高层视角切入。查看左侧 Workspace Explorer 面板。我们将逐一讲解重要文件及其与整体项目的关联。

Workspace Explorer 看不清？点击图片放大查看。

项目顶层有六个条目：原理图（“TopDesign.sch”）、设计级资源（“XBee_WiFi_Example.cydwr”）、Cortex-M0+ 核心关联源文件（“CM0p (Core 0)”）、Cortex-M4 核心关联源文件（“CM4 (Core 1)”）、双核共享文件（“Shared Files”）及 IDE 生成的支持文件（“Generated_Source”）。

本项目原理图非常简单，包含几个 LED、开关及用于与 XBee WiFi 模块收发数据的 UART。LED 在当前实现中未使用。

我们跳过 .cydwr 文件内容。该文件包含原理图信号引脚分配、时钟生成及核心配置常量。感兴趣可自行深入，大多不言自明。

继续向下，到达 Cortex-M0+ 源文件。该子域顶层有五个条目：“Header Files”、“Source Files”及其他三个文件。我们只关注 “Header Files” 与 “Source Files” 子域，实际上仅关心其中的 “main_cm0p.c” 文件。这是运行在 Cortex-M0+ 处理器上的代码的 main() 入口。

正如工作区结构所暗示，两个内核运行完全独立的代码库。“main_cm0p.c” 是 Cortex-M0+ 核心代码入口，随后该核心启动 Cortex-M4 核心。Cortex-M4 侧存在结构相似的子域与文件，同样只需关注 “Header Files” 与 “Source Files” 子域。

最后是 “Shared Files” 部分。大多为自动生成，除 “ipc_common.c” 与 “ipc_common.h” 两个文件。这些是本项目开发的进程间通信辅助文件。

Cortex-M0+ 主文件

明确重要内容后，逐文件查看关键代码，先从 “main_cm0p.c” 开始。该文件处理 Cortex-M0+ 核心的所有活动：监控两个按键，按下时向 Cortex-M4 发送信号。

但这不像看起来那么简单，因为 Cortex-M4 处理完后需清除信号，意味着多进程访问同一数据。任何多进程操作同一数据集时，都须考虑写冲突影响。若一个进程在另一个进程修改同一数据过程中尝试修改，会发生什么？我们通过 “ipc_common” 文件建立的受保护读写机制解决此问题。

理解此机制先要懂 IPC 通道概念。IPC 通道利用信号量在进程间写数据，保证双核间无冲突。每个核心应用执行开始时，必须建立执行期间使用的 IPC 通道端点。考虑以下两行代码：
IPC_STRUCT_Type *D9IpcHandle;
D9IpcHandle = Cy_IPC_Drv_GetIpcBaseAddress(7);
第一行创建指针指向定义 IPC 通道特征的结构体。第二行将该结构体指向特定内存位置——系统 IPC 通道 7。我们使用通道 7 因通道 0-6 保留系统使用。

接着必须告知另一核心该 IPC 通道关联的内存地址。此函数调用完成此事：
while(Cy_IPC_Drv_SendMsgPtr(D9IpcHandle, CY_IPC_NO_NOTIFICATION, &D9Button) != CY_IPC_DRV_SUCCESS);
D9Button 为代码前部定义的变量。函数调用包裹在 while() 循环中，因我们要重复调用直到收到验证——另一进程（即运行在 Cortex-M4 核心上的代码）已接收此信息。我们也要等待变量锁释放，表明 Cortex-M4 读取指针值完毕。
while(Cy_IPC_Drv_IsLockAcquired(D9IpcHandle));
最后进入应用无限循环，自定义函数 ReadSharedVar() 与 WriteSharedVar() 处理更新与另一核心通信按键状态的共享变量。稍后深入剖析这些函数。

Cortex-M4 主文件

在 Cortex-M4 main() 函数中，我们重复 Cortex-M0+ main() 中的部分操作，建立 IPC 通道：
IPC_STRUCT_Type *D9IpcHandle;
D9IpcHandle = Cy_IPC_Drv_GetIpcBaseAddress(7);
完成后必须调用代码 “捕获” 从 Cortex-M0+ 进程发来的消息，包含待访问共享变量的地址。
while (Cy_IPC_Drv_ReadMsgPtr(D9IpcHandle, (void *)&D9Button) != CY_IPC_DRV_SUCCESS);
同样包裹在 while() 循环中，持续调用直到收到 Cortex-M0+ 发送的消息。随后必须释放该 IPC 通道锁，让 Cortex-M0+ 进程知晓可继续操作并将来复用该 IPC 通道。无需 while() 循环，因该调用只需发出一次即释放锁，而非反复检查锁是否释放。
Cy_IPC_Drv_LockRelease(D9IpcHandle, CY_IPC_NO_NOTIFICATION);
完成上述后，必须设置 XBee WiFi 扩展板接入本地网络。代码有详细文档，此处不再赘述。

在运行应用代码的无限循环中，再次调用自定义函数 ReadSharedVar() 与 WriteSharedVar() 访问与 Cortex-M0+ 核心共享的按键状态变量。让我们更近距离看看这些函数的作用。