漢亞科技 Han-Ya

目的：以 ADC 模組為基礎，設計一個簡易示波器觀察訊號變化，同時能記錄每筆資料以便數值分析。
設計：使用 STM32 系列晶片內的 ADC 模組，將類比訊號轉換成數位資料，然後將整筆數據從網路傳送到 PC 端，再由 PC 程式接收後繪製成曲線圖。開發過程，利用前面一文「以 STM32 晶片的 DAC 為架構設計一個訊號產生器」所產生的方波當做待測訊號源，此訊號源輸入到 ADC 接腳，如下圖一所示。





圖一：設計完整示波器的方塊圖


       下圖是程式碼設定 ADC 的參數，第一個要先設定 ADC 取樣率的刻度，再來設定取樣率，如下面紅線標示。取樣率跟晶片的 operating clock 有關，從系統的高速時脈降頻到 ADC 的取樣率。第二個是選定 ADC 轉換資料的精密度，精密度越高，資料量則越大。最後，設定 ADC 轉換完畢後產生中斷通知 CPU，每次 ADC 轉換資料後，中斷的 IRQ 便會把數值從暫存器搬到記憶體裡。在設計裡，我們宣告兩塊 buffer 存放數值。





圖二：ADC 參數設定


        下圖是在 PC 端寫一個網路接收資料的程式，並把資料繪製成曲線圖。當 ADC 取樣率為 15.2KHz時，從PC端看到的圖形比較像弦波，當我把 ADC 取樣率提高為 48KHz 時，PC端看到的圖形就像一個方波了。不過，取樣率高低對設計來說是一項架構問題，取樣率越高，代表資料量越高，傳輸速率越大，所需要的網路頻寬要夠，還要晶片的CPU有足夠的效能才行。
 





圖三-1：ADC 取樣率 15.2K 所顯示的方波







圖三-2：ADC 取樣率為 48K 所顯示的方波


問題：DMA資料搬運過程不穩定，當取樣率越高的時候，DMA搬運出現資料錯亂的情況。將這個問題放到 StackOverflow 網站尋求解答，連結如下「ADC 與 DMA 資料搬運的問題」。所以，在上面的測試過程，我們都採用 ADC 中斷的方式搬運資料到記憶體，而不是 DMA。

目的：產生方波或正弦波的訊號
設計：以 STM32 系列內建的 DAC 模組為架構，搭配內部的 Timer 當做取樣率，讓 DAC 輸出週期性訊號。
 
        我們設計訊號產生器靠 DAC 模組將數值轉換成類比訊號，接著產生一個週期性訊號需要使用 Timer，利用它產生的 event 通知我們產生一個訊號數值，簡單說就是一個取樣點，而取樣率就是 Timer 的參數設置。這裡會有個效能的問題，如果取樣速率越高，那麼系統核心每次要 DAC 轉換數值的頻率就會增加，這會占用到系統 CPU 的運算時間。因此，DAC 需要配合 DMA 模組以達到系統效能。
 
        圖一所示為上述三個模組的運作流程圖，第一步 Timer 產生取樣點的事件，驅動第二步的 DAC 模組，因為設定 DAC 與 DMA 搭配合作，第三步 DAC 會對 DMA 發出一個請求，要求 DMA 將波形訊號數值搬到 DAC 暫存器裡面，最後 DMA 執行這個請求。
 





圖一：STM32 DAC 運作的流程圖


 
 
 






圖二：波形資料的定義







圖三：每個模組參數的初始化

        最近遇上一個問題，工業儀器設備越來越多採用USB介面取代RS-232，造成原本RS-232設備無法對接。就介面標準來看，在工業使用上 RS-232 是點對點的通訊協定，沒有主從分別的傳輸介面，傳輸距離數十公尺遠，如果再轉成 RS-485 傳輸距離更遠。相對於USB，具有主從架構的傳輸介面，因為來自電腦介面的標準，傳輸線距離僅數公尺遠。然而，坊間看到的 USB To RS232 轉換線只是 USB slave，必須接到電腦 (USB host)，這種傳輸線無法直接接 USB儀器 (USB slave)，所以我先要找到一個 USB host 轉換中介，再寫一個轉換程式後，才能把 USB儀器的數據轉到 RS-232 設備上。
 

        最近從網上買了兩個Arduino MKRWAN，屬於LoRa開發板的一種，可以拿來研究物聯網的通訊傳輸，一個用來當發送端，另一個用來當接收端。首先瞭解開發板的架構，Arduino MKR WAN 1300開發板是由ATMEL SAMD晶片，再搭配 LoRa 模組所組成，系統方塊圖如下所示。
        在下圖的左邊，ATMEL SAMD就是Arduino Zero開發板的控制器，以Cortex-M0為核心的晶片。而在下圖的右邊，LoRa模組是由Murata公司製作的通訊模組，該模組內部包含一顆STM32L系列的控制器和一顆SX1276 LoRa晶片。在市面上容易買到單獨SX1276/78晶片的LoRa模組，這種必須仔細了解SX1276內部暫存器的設定才能順利開發與運用。另外，也有一類模組還包含一顆控制器，通常這種模組是用 AT command 方式來控制 LoRa 傳輸，很多複雜的控制命令已經被封裝成 AT 指令了，對初次接觸LoRa開發的人來說會方便許多。
 
 
 

Arduino MKRWAN 1300 方塊圖

 

        最近實現在 STM32F207 控制器 (ARM-based) 上面實現一個簡易型的 FTP server，其目的是為了文件的傳輸。原本在一般電腦上的 FTP 是一個再平常不過的網路功能，但是在 embedded system 上如果沒有搭配 Linux 作業系統，通常要自行開發 FTP 才行。圖一所示就是 STM32F207 控制器，上面有網路介面和 SD 卡，我們希望從遠端能將儲存在 SD 卡上的文檔經由網路下載，而這個 SD 卡就類似硬碟的功能。
 

        語音播放器應用在停車場系統、音樂鈴、語音導航...等等。之前曾使用過一款語音IC -(新唐的 ISD15100 系列)- 單晶片內建 FLASH，可以儲存語音資料且音源輸入出的功能齊全，可說非常便利。後來，筆者發現 WT588D 語音模組的價格更為親民 (大約50~100 TWB 與儲存容量大小有關)，而且從網上零售採購非常容易，這是開發者的福音。
 

        最近用 Microchip dsPIC30F4011 的開發板 (APP020 PLUS) 結合藍芽模組，如下圖所示，打算做一個馬達控制的顯示器。之前，接觸的 MCU 都是 STM32 和 NXP LPC 以 ARM 為核心的 32-bit 控制器。有機會首次使用 Microchip 的控制器，於是查詢了一下才了解 Microchip 發展很久了，過去主要以 8-bit 或 16-bit MCU 為主，目前也有 32-bit MCU。搜尋的過程中，大多數找到 8/16 bit 的資料是10年前的，這跟市場主流控制器是 32-bit 有關吧。dsPIC30F4011 系列晶片與 PIC 系列不同的地方在於一個核心有 DSP 運算指令，一個則無。目前使用的這顆 dsPIC30 相當於 ARM M0 等級的控制器，不過價格上，似乎 dsPIC30 比較貴，這就視使用者的應用而決定了。
 

        前陣子在開發安卓系統的 SIP 撥號功能 (參考 "SIP Voip 在 Android 系統上的開發" 一文)，底層 NDK 設計與編譯大致完成，接下來要設計使用者頁面。首先，必須在腦海中約略規劃一個使用者頁面的雛形，再根據這個雛形設計一個符合 Android 系統的 layout。我們可以思考整個頁面該如何的布局，是垂直型排列或者水平的排列？還是類似表格式的布局？
 
        就布局而言，安卓系統的 Layout 分成三大類型，分別是 LinearLayout、RelativeLayout 和 TableLayout。LinearLayout 顧名思義就是內部 Widget 元件必須是直線布局，直線的排列可分為垂直或水平 (這裡可沒有斜線喔！)。RelativeLayout 是指內部的元件屬於不規則型的布局方式，每個元件彼此間靠著相對位置來排列。TableLayout 是指元件排列方式屬於表格類型，由幾行幾列所組成。
 
        使用者頁面可以由上述三種類型混合搭配設計而成，每個大 layout 裡面又可以由小的 layout 組成，類似一種巢狀的架構。用例子說明更容易明白，圖一的左邊所示是一個撥號頁面的使用者介面，圖一的右邊所示則為頁面的布局概念圖。這個 APP 頁面布局是由一個具有垂直排列的大型 LinearLayout 構成，裡面再包含四個小型 layout。由於是垂直排列，所以裡面這四個子 layout 從上到下依序排列。第一個子布局是具有水平排列的 LinearLayout，因此裡面的 Widget 元件由左到右排列。接著底下的子布局有四個方向鍵和兩個按鈕，因為不具有垂直或水平排列的特質，只能用 RelativeLayout 來規劃這六個按鈕的相關位置。撥號盤的排列像是表格 4 x 4 的布局，所以這裡用 TableLayout 很適合。最底下四個按鈕呈現水平排列則使用 LinearLayout 布局。