第 4 周个人作业：基于 XIAO MG24 的嵌入式开发实践

对于我的智幻走马灯最终项目，我想尝试较新推出的 XIAO MG24 Sense，这个拇指大小的开发板上整合了基于 Silicon Labs EFR32MG24 SoC 的超低功耗无线开发板，采用高性能78MHz ARM Cortex®-M33内核，板载模拟麦克风和六轴IMU传感器，让我的智幻走马灯在功能上有了很多想象空间。而价格只有不到 11 美元。

XIAO MG24 Sense 的正面和背面

一、微控制器数据手册分析

Seeed Studio 提供的 Datashee 是 EFR32MG24 系列无线 SoC 的数据手册，由 Silicon Labs 发布，主要面向物联网无线连接应用。文档详细描述了产品的核心特性，如32位ARM Cortex-M33处理器、2.4GHz高性能无线收发器、低功耗设计以及安全功能（包括Secure Vault和AI/ML硬件加速器）。此外，文档还涵盖了产品的功能列表、订购信息、系统架构、无线电设计、各类外围接口（如GPIO、USART、I2C等）、时钟与电源管理、引脚定义以及封装规格，为工程师提供了完整的技术参数和应用指导，帮助他们在无线通信和物联网设备设计中做出最佳选择。

手册第一页展示了 EFR32MG24 芯片的整体架构图，如下图所示。

EFR32MG24 芯片的整体架构图

其核心组件可分为以下几个主要部分：

核心系统部分（左上）

采用ARM Cortex-M33处理器，支持DSP扩展、FPU浮点运算单元和 TrustZone 安全特性。
包含Flash程序存储器、RAM内存和LDMA直接内存访问控制器。
集成了AI/ML硬件加速器(MVP)用于机器学习加速。
提供ETM和调试接口便于开发调试。

时钟管理系统（中上）
提供多种时钟源选项：

高频晶振和RC振荡器。
快速启动RC振荡器。
低频晶振和RC振荡器。
超低频RC振荡器。

能源管理系统（右上）

电压调节器。
DC-DC转换器。
上电复位。
欠压检测器。

安全功能（最右）

加密加速器。
真随机数生成器。
DPA防护措施。
安全调试认证。
安全引擎。

底部外设系统

无线电子系统：包括发射接收前端、数字解调等。
串行接口：USART、EUSART等通信接口。
I/O端口：支持键盘扫描、外部中断等。
定时器系统：多种定时器和计数器。
模拟接口：ADC、比较器等模拟外设。

该芯片支持5种能耗模式（底部）：
EM0（活动）→ EM1（休眠）→ EM2（深度休眠）→ EM3（停止）→ EM4（关断），能耗逐级降低。

所有这些模块通过32位总线和外设反射系统互联，形成了一个完整的低功耗无线系统芯片解决方案。

我重点了解了下面几个部分的内容。

芯片概览

EFR32MG24系列芯片的核心是ARM® Cortex®-M33处理器，最高运行频率可达78 MHz。该处理器具备数字信号处理（DSP）指令集、浮点运算单元（FPU）和TrustZone安全技术，确保了高效的数据处理能力和系统安全性。芯片内置高达1536 kB的闪存和256 kB的RAM，为复杂的物联网应用提供了充足的存储空间。

无线通信能力

该系列芯片的无线模块支持2.4 GHz频段，具备高性能的无线电收发器，支持多种无线协议，包括Matter、OpenThread、Zigbee、Bluetooth Low Energy等。芯片的无线电部分具备高灵敏度和高输出功率，确保了在各种环境下的稳定通信。例如，其接收灵敏度可达-105.4 dBm（250 kbps O-QPSK），而输出功率最高可达+19.5 dBm。

低功耗设计

EFR32MG24系列芯片在设计上特别注重低功耗，具备多种低功耗模式，以适应不同的应用场景。在EM0模式下，芯片的电流消耗仅为33.4 µA/MHz；而在EM4模式下，电流消耗可低至0.25 µA。这种低功耗特性使得芯片非常适合电池供电的设备，延长了设备的使用寿命。

安全特性

安全是EFR32MG24系列芯片的一大亮点。芯片内置了Secure Vault安全模块，提供了包括硬件加密加速器、真随机数生成器（TRNG）、安全启动（Secure Boot）和安全调试（Secure Debug）等功能。这些安全特性确保了设备在面对远程和本地网络攻击时的防护能力。

外围接口与功能

EFR32MG24系列芯片提供了丰富的外围接口，包括GPIO、USART、EUSART、I2C、定时器等，支持多种通信协议和功能。例如，芯片的GPIO引脚具备多种功能，包括输入、输出、开漏配置和 glitch filtering。此外，芯片还集成了模拟比较器（ACMP）、数模转换器（VDAC）和模数转换器（IADC），满足了各种模拟信号处理的需求。

XIAO MG24 Sense 的 Wiki 文档

Seeed Studio 随产品提供的 XIAO MG24 Sense Wiki 文档，可以帮助用户快速了解产品如何使用。

Wiki 文档中的 XIAO MG24 Sense 功能模块示意图如下图所示：

XIAO MG24 Sense indication diagram

XIAO MG24 Sense 的引脚图如下图所示：

XIAO MG24(Sense) Pin List

XIAO MG24 Sense 基本功能测试

这个板子对我来说也比较陌生，所以我想测试一下其基本功能，通常会从 Blink 开始（让板子上的 USER LED 闪烁），以此了解和测试整个开发环境可用。另外我还想探究板载的六轴加速度计，想看看如何读取加速度数据到串口监视器。

XIAO MG24 Sense 的 Blink 教程

XIAO MG24 Sense 的 Wiki 文档提供了 Blink 的教程，我按照自己的操作习惯重新整理这个过程。

一、硬件和软件准备

1.硬件准备

XIAO MG24 Sense 开发板 × 1
USB Type-C 数据线 ×1
电脑 ×1

2. 软件准备

Arduino IDE：确保已下载并安装最新版本（推荐使用 v2.0 或以上版本）。

二、设置开发板支持

1.打开 Arduino IDE

启动 Arduino IDE，确保软件已正确安装。

2.添加开发板支持

Step 1：打开开发板管理器

依次点击 文件 (File) →首选项 (Preferences)，在 额外开发板管理器网址 (Additional Boards Manager URLs) 字段中，粘贴以下网址：

https://siliconlabs.github.io/arduino/package_arduinosilabs_index.json。如果你需要经常对多个开发板编程，可以点击网址右侧的图标，在弹出的窗口中，将开发板管理器网址添加在最下方，如下图所示。

点击 确定 (OK) 保存设置。

在 Arduino IDE 中添加开发板支持

Step 2：安装开发板包
- 依次点击 工具 (Tools) →开发板 (Board) →开发板管理器 (Boards Manager)。
- 在搜索框中输入 XIAO MG24 进行搜索。
- 找到 Arduino Silicon Labs Boards by Silicon Labs，点击 安装 (Install) 按钮进行安装，如下图所示。
- 安装完成后，关闭开发板管理器。

成功添加开发板支持后，在开发板管理的搜索框输入 XIAO MG24，就可以搜到安装包了

3.选择开发板

依次点击：工具 (Tools) →开发板 (Board) →Silicon Labs Boards →XIAO MG24。此时如果直接连接将 XIAO MG24 通过 Type-C 和电脑连接，会自动选择 XIAO MG24 开发板，如下图所示。

成功安装开发包后，连接 XIAO MG24 到电脑，Arduino IDE 会自动识别并选择 XIAO MG24 开发板

三、编译和上传 Blink 代码

1.打开 Blink 示例代码

依次点击：文件 (File) →示例 (Examples) →01.基本示例 (01.Basics) →Blink。开启路径如下图所示。

打开 Blink 示例程序的路径

Blink 程序如下所：

cpp

/*
  Blink

  Turns an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.

  Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the UNO, MEGA and ZERO
  it is attached to digital pin 13, on MKR1000 on pin 6. LED_BUILTIN is set to
  the correct LED pin independent of which board is used.
  If you want to know what pin the on-board LED is connected to on your Arduino
  model, check the Technical Specs of your board at:
  https://www.arduino.cc/en/Main/Products

  modified 8 May 2014
  by Scott Fitzgerald
  modified 2 Sep 2016
  by Arturo Guadalupi
  modified 8 Sep 2016
  by Colby Newman

  This example code is in the public domain.

  https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples/Blink
*/

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                      // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                      // wait for a second
}

2. 配置端口

确保 XIAO MG24 Sense 已通过 USB Type-C 数据线连接到电脑。
依次点击：工具 (Tools) →端口 (Port)，选择与 XIAO MG24 Sense 对应的端口。查看连接端口是否正确，如果不正确，则需手动选择，Windows 系统串行端口显示为“COM+数字”。而在 macOS 或者 Linux 系统中，串口名称一般为“/dev/tty.usbmodem+数字”或“ /dev/cu.usbmodem+数字”。

3. 上传代码

点击 上传 (Upload) 按钮（右侧的箭头图标）或按下快捷键 Ctrl+U，将代码上传到 XIAO MG24 Sense。

四、观察结果

上传成功后，XIAO MG24 Sense 板子上的 LED 指示灯 会开始闪烁，通常是以 1 秒为周期闪烁。如果看到指示灯闪烁，就表示成功点亮了！

XIAO MG24 Sense 的 Blink 效果

如果没有看到指示灯闪烁，可以检查以下几点：
- 确保开发板已正确连接到电脑，并且选择了正确的端口。
- 确保安装了正确的开发板支持包。
- 尝试重新上传代码。

XIAO MG24 Sense 的 IMU 测试教程

Marcelo Rovai 教授在 Anomaly Detection & Motion Classification 文档介绍了一个类似的开发板 Seeed Studio XIAO nRF52840 Sense 如何进行 IMU 测试，并提供了一个测试代码：https://github.com/Mjrovai/Seeed-XIAO-BLE-Sense/blob/main/xiao_test_IMU/xiao_test_IMU.ino。

修改 IMU 测试程序

这个代码对于 XIAO MG24 Sense 的 IMU 并不合适，主要原因是：

IMU 型号差异：

XIAO nRF52840 Sense 使用的是 LSM9DS1 传感器
XIAO MG24 Sense 使用的是 LSM6DS3TR-C 传感器
这两种传感器虽然都属于 LSM 系列，但硬件特性和接口不同

软件库差异：

XIAO nRF52840 Sense 使用 Seeed Arduino LSM9DS1 库
XIAO MG24 Sense 需要使用 Seeed_Arduino_LSM6DS3 库
两个库的 API 接口和初始化方式有所不同

功能支持范围：

LSM9DS1 支持加速度计、陀螺仪和温度测量
LSM6DS3TR-C 主要支持加速度计和陀螺仪功能
因此需要移除温度相关的测试代码

根据这些差异，我修改了测试程序如下：

cpp

#include "LSM6DS3.h"
#include "Wire.h"

LSM6DS3 myIMU(I2C_MODE, 0x6A);  //I2C device address 0x6A

char cmd = ' ';  // 使用单个字符来存储命令

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
  
  if (myIMU.begin() != 0) {
    Serial.println("Device error");
  } else {
    Serial.println("Device OK!");
  }

  Serial.println("\nAvailable commands:");
  Serial.println("a - display accelerometer readings");
  Serial.println("g - display gyroscope readings");
  Serial.println("s - stop readings");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    cmd = Serial.read();
  }
  
  if (cmd == 'a') {
    // 加速度计数据
    float x = myIMU.readFloatAccelX();
    float y = myIMU.readFloatAccelY();
    float z = myIMU.readFloatAccelZ();
    Serial.print(x);
    Serial.print("\t");  // 使用制表符分隔
    Serial.print(y);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(z);
  }
  else if (cmd == 'g') {
    // 陀螺仪数据
    float x = myIMU.readFloatGyroX();
    float y = myIMU.readFloatGyroY();
    float z = myIMU.readFloatGyroZ();
    Serial.print(x);
    Serial.print("\t");
    Serial.print(y);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(z);
  }
  else if (cmd == 's') {
    cmd = ' ';  // 停止输出
  }
  
  delay(100);  // 100ms 采样间隔
}

安装 Seeed_Arduino_LSM6DS3 库

要运行上面的测试程序，需要安装 Seeed_Arduino_LSM6DS3 库，安装库有两种方法：

通过 Arduino IDE 库管理器安装：
- 打开 Arduino IDE
- 点击菜单栏：工具 -> 管理库
- 在搜索框中输入 "Seeed LSM6DS3"
- 找到 "Seeed Arduino LSM6DS3" 库
- 点击 "安装" 按钮

下图是安装成功后的状态。

通过库管理搜索并安装 Seeed LSM6DS3 库

通过 GitHub 下载安装：
- 访问 https://github.com/Seeed-Studio/Seeed_Arduino_LSM6DS3
- 点击 "Code" 按钮，选择 "Download ZIP"，如下图所示
- 下载完成后，在 Arduino IDE 中
- 点击菜单栏：项目 -> 加载库 -> 添加 .ZIP 库
- 选择下载的 ZIP 文件
- 等待安装完成

通过 Github 下载 ZIP 库

安装完成后，你可以：

通过菜单栏：文件 -> 示例 -> Seeed_Arduino_LSM6DS3 查看示例代码
在代码中使用 #include "LSM6DS3.h" 来包含库文件

注意：安装库后需要重启 Arduino IDE 才能确保库被正确加载。

上传 IMU 测试程序并观察结果

所需库安装成功后，在 Arduino IDE 中上传 IMU 测试代码，打开串口监视器，将波特率设置为：115200，可以看到下图所示的提示信息。

运行 IMU 测试程序后显示提示命令，等待输入

根据提示输入所需命令：

输入 'a' 显示加速度计数据
输入 'g' 显示陀螺仪数据
输入 's' 停止数据显示

输入“a”可以看到 3 个轴的加速度数据在不断的输出。打开串口绘图仪，如下图所示，可以看到 3 轴加速度计数值的曲线图。

在 Arduino 中打开串口绘图仪

现在我们晃动 XIAO MG24，可以看到串口绘图仪会呈现 3 轴加速度的变化曲线。

Arduino IDE 的串口绘图仪，展示晃动的 XIAO MG24 的 IMU 的 3 轴加速度的变化曲线

更详细的教程文档可以查看：https://wiki.seeedstudio.com/xiao_mg24_sense_built_in_sensor/

使用 Wokwi 模拟嵌入式程序运行

一、模拟环境介绍

嵌入式系统的开发周期中，模拟是一个重要环节，它可以帮助我们在没有实际硬件的情况下验证程序逻辑，节省时间和成本。我将使用 Wokwi 针对XIAO MG24 Sense开发板进行加速度计模拟，由于 Wokwi 目前不直接支持该型号，我使用 XIAO ESP32C3 加外接加速度计作为替代方案进行模拟。

Wokwi 在线模拟平台

二、模拟环境设置

创建Wokwi项目

访问Wokwi在线模拟平台
点击"ESP32"
在“Starter Templates”中可以看到"XIAO ESP32-C3"
如下图所示，点击"XIAO ESP32-C3"从示例项目开始

在“Starter Templates”中可以看到"XIAO ESP32-C3"

进入 XIAO ESP32-C3 的示例项目后，可以直接点击仿真标签下的启动仿真按钮，可以看到 3 个 LED 轮流点亮的效果，如下图所示。

运行轮流点亮 3 个 LED 的示例程序

由于我们需要模拟加速度计，可以点击选中这些不需要的元件，按删除键删除，如下图所示。

逐个删除不需要的元件

添加MPU6050加速度计

由于我们的主要目的是模拟IMU传感器的功能，我们需要添加MPU6050加速度计：

在项目界面右侧，点击仿真标签的"+"按钮。
在传感器栏中找到"MPU6050"。
添加 MPU6050 元件到模拟项目，如下图所示。

添加MPU6050元件到模拟项目

连接硬件

根据XIAO ESP32C3和MPU6050的引脚定义，我们需要正确连接这两个组件：

MPU6050引脚	XIAO ESP32C3引脚	连接说明
VCC	3V3	电源
GND	GND	接地
SCL	D5 (GPIO7)	I2C时钟线
SDA	D4 (GPIO6)	I2C数据线
AD0	GND	设置I2C地址为0x68
INT	不连接	中断线（本例不使用）

使用虚拟连线工具连接组件，如下图所示。

MPU6050与XIAO ESP32C3的连接示意图

三、调整代码以适应模拟环境

由于我们使用的是不同的硬件平台和传感器，需要调整代码以适应模拟环境。主要区别在于：

LSM6DS3TR-C 传感器替换为 MPU6050
使用适合 MPU6050 的库和 API

IMU 测试程序的模拟版本

我修改了 IMU 测试程序如下所示：

cpp

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>

MPU6050 mpu;  // 创建MPU6050对象

char cmd = ' ';  // 使用单个字符来存储命令

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
  
  Serial.println("初始化MPU6050...");
  // 初始化MPU6050，设置陀螺仪和加速度计量程
  while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G)) {
    Serial.println("无法找到有效的MPU6050传感器，请检查连接！");
    delay(500);
  }
  
  Serial.println("设备就绪!");
  Serial.println("\n可用命令:");
  Serial.println("a - 显示加速度计读数");
  Serial.println("g - 显示陀螺仪读数");
  Serial.println("s - 停止读数");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    cmd = Serial.read();
  }
  
  if (cmd == 'a') {
    // 读取加速度计数据
    Vector normAccel = mpu.readNormalizeAccel();
    
    Serial.print(normAccel.XAxis);
    Serial.print("\t");  // 使用制表符分隔
    Serial.print(normAccel.YAxis);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(normAccel.ZAxis);
  }
  else if (cmd == 'g') {
    // 读取陀螺仪数据
    Vector normGyro = mpu.readNormalizeGyro();
    
    Serial.print(normGyro.XAxis);
    Serial.print("\t");
    Serial.print(normGyro.YAxis);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(normGyro.ZAxis);
  }
  else if (cmd == 's') {
    cmd = ' ';  // 停止输出
  }
  
  delay(100);  // 100ms 采样间隔
}

四、运行模拟

将程序复制到左侧的程序区，点击顶部的"Start Simulation"按钮开始模拟。结果显示构建失败，如下图所示。

初次运行模拟出现错误提示

使用 Claude 3.7 解决问题

我尝试向 Claude 3.7 反馈了目前的状况和错误，并提供了当前的程序、diagram.json，错误提示文本，MPU6050 的文档链接，Claude 给出了修改后的程序。

向 Claude 3.7 提交问题的背景资料

Claude 给出的修改后的程序如下。

cpp

#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>

MPU6050 mpu;
char cmd = ' ';

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
  
  Serial.println("初始化MPU6050...");
  
  // 初始化MPU6050
  mpu.initialize();
  
  if (mpu.testConnection()) {
    Serial.println("MPU6050连接成功!");
  } else {
    Serial.println("MPU6050连接失败，请检查接线!");
    while (1);
  }
  
  Serial.println("\n可用命令:");
  Serial.println("a - 显示加速度计读数");
  Serial.println("g - 显示陀螺仪读数");
  Serial.println("s - 停止读数");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    cmd = Serial.read();
  }
  
  if (cmd == 'a') {
    // 读取加速度计数据
    int16_t ax, ay, az;
    mpu.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
    
    // 转换为g值 (1g = 16384 LSB)
    float x = ax / 16384.0;
    float y = ay / 16384.0;
    float z = az / 16384.0;
    
    Serial.print(x);
    Serial.print("\t");
    Serial.print(y);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(z);
  }
  else if (cmd == 'g') {
    // 读取陀螺仪数据
    int16_t gx, gy, gz;
    mpu.getRotation(&gx, &gy, &gz);
    
    // 转换为度/秒 (1 度/秒 = 131 LSB)
    float x = gx / 131.0;
    float y = gy / 131.0;
    float z = gz / 131.0;
    
    Serial.print(x);
    Serial.print("\t");
    Serial.print(y);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(z);
  }
  else if (cmd == 's') {
    cmd = ' ';  // 停止输出
  }
  
  delay(100);  // 100ms 采样间隔
}

将修改后的程序复制替换左侧的程序，再次尝试运行仿真，这次程序能够正常运行，在模拟的串口监视器上给出命令提示。可以通过串口监视器输入'a'来查看加速度数据，输入'g'来查看陀螺仪数据，输入 S-停止读数。

顺利运行 AI 修改后的程序

模拟传感器输入

Wokwi 提供了可视化的方式来模拟 MPU6050 的运动：

点击模拟器中的 MPU6050 元件。
使用出现的控制面板调整加速度和角度。
观察串口监视器中数值的变化。

MPU6050 传感器控制面板

五、模拟结果分析

实际硬件与模拟环境的比较

方面	实际硬件 (XIAO MG24 Sense)	模拟环境 (XIAO ESP32C3 + MPU6050)
处理器	EFR32MG24 (ARM Cortex-M33)	ESP32-C3 (RISC-V)
IMU传感器	LSM6DS3TR-C	MPU6050
传感器接口	I2C	I2C
API差异	LSM6DS3::readFloatAccelX()	MPU6050::readNormalizeAccel()
LED控制	直接支持板载LED	需要使用外部LED或GPIO模拟

功能等效性分析

尽管硬件平台存在差异，但模拟环境能够实现以下核心功能：

基本的I2C通信
加速度和陀螺仪数据的读取
实时数据显示和分析

这些功能足以验证我们的程序逻辑是否正确，在实际硬件上可能只需要小幅调整API调用方式。

第 4 周个人作业：基于 XIAO MG24 的嵌入式开发实践 ​

一、微控制器数据手册分析 ​

芯片概览 ​

无线通信能力 ​

低功耗设计 ​

安全特性 ​

外围接口与功能 ​

XIAO MG24 Sense 的 Wiki 文档 ​

XIAO MG24 Sense 基本功能测试 ​

XIAO MG24 Sense 的 Blink 教程 ​

一、硬件和软件准备 ​

1.硬件准备 ​

2. 软件准备 ​

二、设置开发板支持 ​

1.打开 Arduino IDE ​

2.添加开发板支持 ​

3.选择开发板 ​

三、编译和上传 Blink 代码 ​

1.打开 Blink 示例代码 ​

2. 配置端口 ​

3. 上传代码 ​

四、观察结果 ​

XIAO MG24 Sense 的 IMU 测试教程 ​

修改 IMU 测试程序 ​

安装 Seeed_Arduino_LSM6DS3 库 ​

上传 IMU 测试程序并观察结果 ​

使用 Wokwi 模拟嵌入式程序运行 ​

一、模拟环境介绍 ​

二、模拟环境设置 ​

创建Wokwi项目 ​

添加MPU6050加速度计 ​

连接硬件 ​

三、调整代码以适应模拟环境 ​

IMU 测试程序的模拟版本 ​

四、运行模拟 ​

使用 Claude 3.7 解决问题 ​

模拟传感器输入 ​

五、模拟结果分析 ​

实际硬件与模拟环境的比较 ​

功能等效性分析 ​

六、模拟的优势与局限性 ​

优势 ​

局限性 ​

参考链接 ​