Arduino應用系統設計 - 導論
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微處理器概論, Arduino Uno開發板, ATmega328P MCU, 資料傳輸介面, 類比訊號處理, Arduino Uno擴充板, 應用系統開發流程
Arduino應用系統設計 - 導論
- 1. Arduino導論 Revised on March 8, 2020 ? 微處理器概論 ? Arduino Uno開發板 ? ATmega328P MCU ? 資料傳輸介面 ? 類比訊號處理 ? Arduino Uno擴充板 ? 應用系統開發流程
- 2. ? 輸入單元(Input Unit) 用來接收外在資料的設備，例如:鍵盤、滑鼠、掃瞄器等 ? 輸出單元(Output Unit) 將電腦內部的資料或運算的結果輸出到外界的設備，例如:螢幕、印表機、喇 叭等 電腦基本結構 1/2 控制單元 算術邏輯單元 主記憶體 外部儲存裝置 輸入單元 輸出單元
- 3. ? 算術邏輯運算單元(Arithmetic & Logic Unit，ALU ) 接收控制單元的命令，從記憶體取得資料作加、減、乘、除等各種算術運算 及大小比較，條件判斷等邏輯判斷工作，然後將處理後的結果存回記憶體 ? 記憶單元(Memory Unit) 用來儲存程式和資料的地方。內部記體體主要為動態隨機存取記憶 (Dynamic Random Access Memory，DRAM)，外部記憶體主要為硬 碟(Hard Disk) ? 控制單元(Control Unit，CU) 負責電腦的輸入、輸出、記憶、運算四大單元的聯繫與控制，由它負責協調 何時、何地，該由哪?個裝置進?工作 ? CU與ALU設計製造上是放在?起的，稱為中央處理單元(CPU Central Processing Unit) 電腦基本結構 2/2
- 4. ? 單晶片微電腦(single-chip microcomputer)，又稱微控制器 (microcontroller unit，MCU)，是把CPU、RAM、ROM、I/O介面等 全都整合在同?顆晶片上。也就是說?顆MCU晶片就可以看作是?部 超迷你型的電腦 ? MCU它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，適合用來設計控制系 統，但儲存容量小，輸入輸出介面簡單 單晶片微電腦
- 5. ? ?款開放原始碼(open source)的單晶片微控制板 ? 2003年義大利伊夫雷雅(Ivrea)互動設計學院研究生Hernando Barragán設計Wiring控制板(採用ATmega128微控制器)，做為互動 設計工具； ? 2005年，Arduino團隊採用更便宜的ATmega8微控制，推出Arduino 控制板 ? 提供數位I/O、10位元ADC類比輸入、PWM輸出 ? 支援UART、SPI、I2C傳輸 ? 可使用C like高階語言或積木式指令開發應用系統 ? 大量的週邊模組及開源函式庫 ? 對非資電專業???言也容易上?，是創客最常使用的平台之? Arduino是什麼? 5
- 6. Arduino開發板 6 UNO NANO Yún mini Lilypad Micro Lead Frame Package Plastic Dual Inline Package ATmega328p
- 7. ATmega328P 1/7 Atmel公司 mega族系 程式記憶體容量(32K bytes Flash ROM) 8位元CPU Pico Power(低功耗)ATmega328P
- 8. ? 8位元MCU Plastic Dual Inline Package (PDIP) ATmega328P 2/7 8
- 9. ? 數位I/O接腳D0~D13 ? PD0~PD7, PB0~PB5 ? 脈波寬度調變PWM輸出(D3, D5, D6, D9, D10, D11) ? 模擬類比信號輸出 ? PD3、PD5、PD6、PB1、PB2、PB3 ? 類比輸入接腳A0~A5 ? PC0~PC5 ? 10位元解析度 ? 預設範圍0~5V，可使用AREF來調整電壓上限 ? 數位接腳不夠用時，也可拿來使用，宣告為D14~D19 ATmega328P 3/7 9
- 10. ? I2C傳輸 ? SDA(A4)、SCL(A5) ? 串列埠傳輸 ? RXD(D0)、TXD(D1) ? SPI傳輸 ? MOSI(D11)、MISO(D12)、SCK(D13) ? 2個8位元Timer/Counters ? 1個16位元Timer/Counter ? 外部中斷INT0、INT1 ? D2、D3 ATmega328P 4/7 10
- 11. ? 131 Powerful Instructions (Most Single Clock Cycle Execution) ? 32 x 8 General Purpose Working Registers ? Up to 20 MIPS Throughput at 20MHz ? On-chip 2-cycle Multiplier ? 32KBytes of In-System Self-Programmable Flash program Memory (程式記憶體) ? 1KBytes EEPROM (資料記憶體，系統斷電後，資料依然能夠留存) ? 2KBytes Internal SRAM (資料記憶體) ? Write/Erase Cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM ? Data Retention: 20 years at 85°C/100 years at 25°C ? Current sinks and sources are 40mA ATmega328P 5/7 11
- 14. Arduino UNO開發板 14 數位訊號接腳 (I/O)，D0與D1也是UART傳輸 接腳；D10~D13也是SPI；~表示支援PWM輸出 電源指示燈 ICSP接頭 類比訊號輸入接腳電源輸出接腳 DC 9V插座 φ2.1mm，內正外負 穩壓IC USB過載保護 (500mA) Type B USB接頭 重置按鈕 LED (D13) 串列傳輸LED ATmega328p 16MHz I2C SDA(與A4相連) I2C SCL(與A5相連) SPI USB Jack Power Jack
- 15. ? 並列傳輸與序列傳輸 ? 並列傳輸 ? 序列傳輸 ? ?個位元接著?個位元傳送 資料傳輸介面 1/8 GND GND Clock Clock D0 : D7 D0 : D7 GND GND Clock Clock Data Data
- 16. ? 同步傳輸與非同步傳輸 ? 同步傳輸 ? 非同步傳輸 ? 送收雙方沒有共用的時序信號 資料傳輸介面 2/8 GND GND Clock Clock Data Data GND GND Data Data
- 17. ? 通用非同步收發器(UART, Universal Asynchronous Receiver & Transmitter) ? RS-232 (限1對1) ? RS-485 (最多接32 devices) 資料傳輸介面 3/8 17
- 18. ? 送收雙方須議定傳輸速率及封包格式 ? 傳輸速率：每秒傳送的位元數(bit per second，bps)，也稱為鮑率 (baud rate) ? 每個資料封包(package)由起始位元、資料位元、檢查位元及結束位 元組成 ? 在開始傳輸資料之前，Tx與Rx接腳都為高電位，要傳送資料時，先送出? 個代表「要開始傳送的通知」的起始位元(start bit，低電位) ? 每組資料位元(data bits)?度可以是5~8位元 資料傳輸介面 4/8 18
- 19. ? 資料位元之後可以送出?個檢查位元 ? 無(None)：不加檢查位元 ? 奇同位(Odd) 當資料位元有偶數個1時，則檢查位元為1，補成奇數；資料位元有奇數個1時， 則檢查位元為0，維持奇數 ? 偶同位(Even) 當資料位元有奇數個1時，則檢查位元為1，補成偶數；資料位元有偶數個1時， 則檢查位元為0，維持偶數 ? 標記(Mark)：檢查位元始終為1 ? 空格(Space)：檢查位元始終為0 同位元僅能辨別出奇數個bit錯誤，無法查出偶數個bit傳輸錯誤 資料傳輸介面 5/8 19
- 20. ? 封包最後是代表「傳送完畢」的停止位元(stop bit)，1~2位元 ? 取樣 ? 通常是以鮑率的16倍頻工作，並在中?點附近取樣三次，三次結果?致才 視為正確，以避免因頻率漂移造成的取樣錯誤 資料傳輸介面 6/8 20
- 21. ? 積體電路匯流排(Inter-Integrated Circuit, I2C) ? 資料線 (SDA, Serial Data Line) A4 ? 時脈線 (SCL, Serial Clock Line) A5 ? 理論上I2C可以連接128個裝置 ? 由Master主導資料送收 資料傳輸介面 7/8 21
- 22. ? 序列週邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI) ? 可以接多個裝置，?且傳輸速度比I2C更快（SD記憶卡就是這個介面）， 與UART/RS-232?樣，發送與接收可同時進? 資料傳輸介面 8/8 22
- 23. ? 類比訊號(analog signal) ? 連續變化的物理訊號，訊號的振幅、頻率或相位可能隨時間變化 ? 溫度、聲音、亮度、位移、壓力… ? 數位訊號(digital signal) ? 只有高電位、低電位兩種狀態 ? TTL電氣訊號為正邏輯 ? 輸入：0.8V以下為LOW，2.0V以上為HIGH ? 輸出：High為2.4V以上，LOW為0.4V以下 ? 微電腦只能處理數位訊號，類比訊號必須經過AD轉換才能處理 類比訊號與數位訊號 23
- 24. ? 脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation， PWM)是?種透過數位的 方式來模擬類比輸出 ? 脈衝寬度調變訊號包含了兩個主要的參數：工作週期與頻率。工作週 期是指在?個訊號週期中，邏輯高準位輸出所佔的時間比例 ? PWM常應用在調光燈具、馬達調速、伺服馬達角度控制等 脈波寬度調變 (PWM) 24
- 25. ? 微處理器是數位裝置，類比訊號必須經由ADC(Analog-to-Digital Converter)轉換為數位訊號 ? ADC程序 ? 取樣 ? 量化 ? 編碼 類比轉數位訊號處理 1/3 25
- 26. ? 取樣 ? 每隔多久時間檢測訊號?次 ? 取樣頻率愈高，取樣波形愈能精準跟隨類比訊號變化情形，但產生的取樣 資料筆數愈多。例如取樣頻率1kHz表示每秒會儲存1000筆資料 類比轉數位訊號處理 2/3 取樣 取樣 26
- 27. ? 量化 ? 將類比訊號需振幅區分成多少等份，若工作電壓5V，10位元ADC表示解析 度是5V/1024 = 4.88mV ? 解析度愈高，取樣量化值與類比訊號實際值愈相近(誤差愈小)，但每筆取 樣資料佔用更多資料位元。例如16位元解析度表示每筆取樣資料佔2bytes 類比轉數位訊號處理 3/3 解 析 度 解 析 度 27
- 28. Arduino Uno擴充板 (shields) 1/3 28
- 29. ? S4A Sensor Board for Arduino (慧?科技) Arduino Uno擴充板 (shields) 2/3 29 紅色LED D10 綠色LED D11 蜂鳴器 D9 開關 D2光敏電阻 A1 可變電阻 A0 N/A TX RX GND 3.3V N/A D12 D4 D8 D7 D6 D5 麥克風 A2 A5 D2 D3A4 A3 A5 A4 外接電源
- 30. ? IoT maker board (普特企業) Arduino Uno擴充板 (shields) 3/3 30 ESP8266