【Titan RA8P1 Board】MNIST 数字识别本文介绍了瑞萨 Titan RA8P1 开发套件结合 MNIST 数据集、RUHMI 工具和 UART 串口功能实现手写数字识别的项目设计包括环境搭建、工程构建、固件生成、命令行烧录、效果演示等。项目介绍环境搭建pyOCD 部署、Keil CMSIS Pack 获取工程测试工程创建、关键代码、工程编译固件上传使用 pyOCD 工具将生成的 hex 固件通过命令行上传至板端MNISTMNIST 数据集是一个大量手写数字集合常用于训练各种图像处理系统。它是机器学习和计算机视觉领域的基础数据集。MNIST 数据集由 Yann LeCun 及其同事于1994年创建。它包含7万张手写数字图像其中6万张用于训练1万张用于测试。每张图片为28x28像素的灰度图像代表0到9的数字。该数据集来源于美国国家标准与技术研究院NIST经过归一化和调整尺寸以适应 28x28 格式。数据集分为四个部分训练图像train-images-idx3-ubyte.gz9.45 MB60,000 个样本训练标签train-labels-idx1-ubyte.gz28.2 KB60,000 标签测试图像t10k-images-idx3-ubyte.gz1.57 MB10,000 个样本测试标签t10k-labels-idx1-ubyte.gz4.43 KB10,000个标签。每张图像以 28x28 像素矩阵表示0 代表黑色1 代表白色。标签以单热编码格式提供表示图像所代表的数字。MNIST 数据集可从官方网站下载MNIST 数据集。RUHMIRobust Unified Heterogenous Model IntegrationRUHMI是瑞萨电子推出的AI部署工具旨在简化嵌入式设备中深度神经网络模型的部署。该部署工具集成了 EdgeCortix® Mera™ 2.0 编译器支持 TensorFlow Lite 和 ONNX 模型导入可自动生成优化后的 C 源代码、头文件以及二进制运行文件可轻松编译并部署到 Renesas 开发板。RUHMI 提供图形化界面GUI通过集成在 e2studio 中的图形化界面直观完成模型转换、生成代码和二次开发。详见renesas/ruhmi-framework-mcu .UART使用板载 USB-DEB 调试器虚拟串口输出手写数字识别结果。根据 Titan Board 原理图可知DAP-Link 虚拟串口对应引脚为 SCI8 虚拟串口连接 RA8P1 引脚为 P500 (RXD8) 和 P501 (TXD8)详见RT-Thread-Studio/sdk-bsp-ra8p1-titan-board .工程创建文件 - 新建 - 瑞萨 C/C 项目 -Renesas RA自定义设备选择R7KA8P1KFLCAC调试器选择 J-Link 项目创建完成后选择进入透视图模式配置时钟树使能 SCICLK - HOLO 分频并设置为 48MHz进入Stacks标签页新建串口堆栈配置串口参数频道 6 波特率 115200回调函数user_uart6_callback进入 BSP 标签页配置属性Main stack size 设置为0x4000Heap size 设置为0x2000点击Generate Project Content按钮生成项目框架右键项目文件夹构建工程确认无报错详见PyOCD 调试 .模型转换使用 RUHMI 工具转换 MNIST 数据集模型mnist-12.onnx为 C 源码。进入菜单栏Renesas AI-AI Navi工具选项选择Use Your Project AI Model进入Convert AI Model标签页点击Convert...按钮选择工程设备 RA8 系列工具为 RUHMI 编译器模型选择 onnx 格式配置输出路径点击下一步配置RUHMI Framework AI Compiler为已安装的 .venv 虚拟环境所在路径点击Start Quantization待进度条完成点击Next进入转换流程选择仅使用 CPU 推理的方案配置权重保存位置等参数点击Start Conversion执行转换程序待进度条完成控制台输出Success command字样表明模型转换完成。详见RUHMI 环境搭建 .C 源码将 RUHMI 转换后的 C 源码文件./conversion_results/converted/build/MCU/compilation/src/复制到./src目录编译和构建项目确认无报错。详见AI Navigator | 如何实现AI模型 .工程代码包含串口通信测试、MNIST 通信测试代码。UART打开./src/hal_entry.c文件添加如下代码#include hal_data.h #include stdio.h fsp_err_t err FSP_SUCCESS; volatile bool uart_send_complete_flag false; void user_uart8_callback (uart_callback_args_t * p_args) { if(p_args-event UART_EVENT_TX_COMPLETE) { uart_send_complete_flag true; } } /*------------- 串口重定向 -------------*/ #ifdef __GNUC__ #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch) #else #endif PUTCHAR_PROTOTYPE { err R_SCI_B_UART_Write(g_uart8_ctrl, (uint8_t *)ch, 1); if(FSP_SUCCESS ! err) __BKPT(); while(uart_send_complete_flag false){} uart_send_complete_flag false; return ch; } int _write(int fd,char *pBuffer,int size) { for(int i0;isize;i) { __io_putchar(*pBuffer); } return size; } /******************* * main() ********************/ void hal_entry(void) { /* TODO: add your own code here */ err R_SCI_B_UART_Open(g_uart8_ctrl, g_uart8_cfg); assert(FSP_SUCCESS err); while(1){ printf(hello world!\n); R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } #if BSP_TZ_SECURE_BUILD /* Enter non-secure code */ R_BSP_NonSecureEnter(); #endif }保存代码文件构建工程生成 hex 固件MNIST打开./src/hal_entry.c文件添加如下代码#include hal_data.h #include compute_sub_0000.h #include stdio.h #include math.h #include stdint.h #if (1 BSP_MULTICORE_PROJECT) BSP_TZ_SECURE_BUILD bsp_ipc_semaphore_handle_t g_core_start_semaphore { .semaphore_num 0 }; #endif fsp_err_t err FSP_SUCCESS; volatile bool uart_send_complete_flag false; void user_uart8_callback (uart_callback_args_t * p_args) { if(p_args-event UART_EVENT_TX_COMPLETE) { uart_send_complete_flag true; } } /*------------- 串口重定向 -------------*/ #ifdef __GNUC__ #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch) #else #endif PUTCHAR_PROTOTYPE { err R_SCI_B_UART_Write(g_uart8_ctrl, (uint8_t *)ch, 1); if(FSP_SUCCESS ! err) __BKPT(); while(uart_send_complete_flag false){} uart_send_complete_flag false; return ch; } int _write(int fd,char *pBuffer,int size) { for(int i0;isize;i) { __io_putchar(*pBuffer); } return size; } /*------------- MNIST推理相关定义 -------------*/ /* 查看 compute_sub_0000.h 获取实际大小MNIST-12通常为 * 输入1x1x28x28 784 * 输出10 * 中间缓冲区kBufferSize_sub_0000 */ /* 输入缓冲区28x28 784个int8 */ static int8_t s_input_buffer[784]; /* 输出缓冲区10个数字类别 */ static int8_t s_output_buffer[10]; /* 中间缓冲区 */ static uint8_t s_compute_buffer[kBufferSize_sub_0000]; /* 手写数字的测试数据28x28灰度图数值范围0-255 */ static const uint8_t digit_1_28x28[784] { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 36, 56,137,201,199, 95, 37, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 45,152,234,254,254,254,254,254,250,211,151, 6, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 46,153,240,254,254,227,166,133,251,200,254,229,225,104, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,153,234,254,254,187,142, 8, 0, 0,191, 40,198,246,223,253, 21, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 8,126,253,254,233,128, 11, 0, 0, 0, 0,210, 43, 70,254,254,254, 21, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 72,243,254,228, 54, 0, 0, 0, 0, 3, 32,116,225,242,254,255,162, 5, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 75,240,254,223,109,138,178,178,169,210,251,231,254,254,254,232, 38, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 9,175,244,253,255,254,254,251,254,254,254,254,254,252,171, 25, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 16,136,195,176,146,153,200,254,254,254,254,150, 16, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,162,254,254,241, 99, 3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,118,250,254,254, 90, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,100,242,254,254,211, 7, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 54,241,254,254,242, 59, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,131,254,254,244, 64, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 13,249,254,254,152, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 12,228,254,254,208, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 78,255,254,254, 66, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,209,254,254,137, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,227,255,233, 25, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,113,255,108, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, }; /* 打印28x28图像到串口调试用 */ void print_image_ascii(const uint8_t *img) { printf(\r\nInput Image (28x28):\r\n); for (int y 0; y 28; y) { for (int x 0; x 28; x) { uint8_t pixel img[y * 28 x]; /* 简单ASCII艺术根据灰度选择字符 */ if (pixel 200) printf(); else if (pixel 150) printf(##); else if (pixel 100) printf(); else if (pixel 50) printf(..); else printf( ); } printf(\r\n); } printf(\r\n); } /* 将uint8图像数据转换为模型输入int8 */ void prepare_input(const uint8_t *src, int8_t *dst, int size) { /* MNIST模型通常期望输入范围[0, 255]的int8 */ for (int i 0; i size; i) { /* 模型归一化 */ dst[i] (int8_t)src[i] / 255; } } /* 反量化并打印推理结果 */ void print_inference_result(int8_t *output) { /* 假设量化参数scale1/255, zero_point0 */ /* 实际参数请查看RHU生成的模型量化信息 */ const float scale 1.0f / 255.0f; const int zero_point 0; float probs[10]; float max_prob -1.0f; int predicted 0; printf(\r\n Inference Result \r\n); /* 反量化和softmax近似 */ /* 注意如果模型输出已经是概率直接归一化即可 */ /* 先找到最大值数值稳定性 */ int8_t max_val output[0]; for (int i 1; i 10; i) { if (output[i] max_val) max_val output[i]; } /* 计算exp并求和 */ float sum_exp 0.0f; for (int i 0; i 10; i) { /* 反量化 */ float val (output[i] - zero_point) * scale; /* exp(x - max) 防止溢出 */ probs[i] expf(val - (max_val - zero_point) * scale); sum_exp probs[i]; } /* 归一化 */ for (int i 0; i 10; i) { probs[i] / sum_exp; if (probs[i] max_prob) { max_prob probs[i]; predicted i; } } printf(Predicted Digit: %d (confidence: %.2f%%)\r\n, predicted, max_prob * 100); printf(\r\nProbability Distribution:\r\n); for (int i 0; i 10; i) { printf( Digit %d: %6.2f%% [, i, probs[i] * 100); /* 绘制条形图 */ int bar_len (int)(probs[i] * 30 0.5f); for (int j 0; j 30; j) { printf(j bar_len ? : -); } printf(]\r\n); } printf(\r\n); } /************************* * main() ************************/ void hal_entry(void) { /* TODO: add your own code here */ err R_SCI_B_UART_Open(g_uart8_ctrl, g_uart8_cfg); assert(FSP_SUCCESS err); printf(\r\n); printf(\r\n); printf( RA8P1 MNIST-12 Inference Demo\r\n); printf(\r\n); printf(\r\n); while(1){ //printf(hello world!\n); //R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); printf(--- Running inference ---\r\n); /* 1. 准备输入数据 */ prepare_input(digit_1_28x28, s_input_buffer, 784); /* 2. 打印输入图像 */ print_image_ascii(digit_1_28x28); /* 3. 执行推理 */ compute_sub_0000(s_compute_buffer, s_input_buffer, s_output_buffer); /* 4. 打印推理结果 */ print_inference_result(s_output_buffer); printf(Waiting 3 seconds...\r\n\r\n); R_BSP_SoftwareDelay (3000, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } }保存代码文件构建工程生成 hex 固件固件上传连接开发板检查设备管理器存在 RA4M2 CMSIS-DAP 设备打开终端应用执行如下指令pyocd load--packD:\31Pre-test\Renesas_RA8P1_Titan\code\Renesas.RA_DFP.6.4.0.pack-f10000000-tr7ja8p1ks D:\RenesasWorkspace\RA8P1_MNIST_UART\Debug\RA8P1_MNIST_UART.hex待进度条走完表明固件上传完成效果演示运行串口调试助手软件配置端口号、波特率等信息打开串口可接收开发板发送的消息连续打印hello world文本数字识别打开串口可接收 RA8P1 的推理结果总结本文介绍了瑞萨 Titan RA8P1 开发套件结合 MNIST 数据集、RUHMI 工具和 UART 串口功能实现手写数字识别的项目设计包括环境搭建、工程构建、固件生成、命令行烧录、效果演示等为相关产品在边缘 AI 领域的快速开发和应用设计提供了参考。