研發紀事

        在 Windows 環境下，如果要開發軟體，我們只需安裝微軟的 Visual Studio IDE，接著在這 IDE 編譯我們的程式就能在 x86 的環境下運行。由於 Visual Studio 編譯器是專為 x86/x64 晶片設計的，實際上它編譯出來的機器碼並不能放到 ARM 晶片上執行，所以我們需要找其他編譯器編譯出 ARM 能看得懂的機器碼。 機器碼         目前可編譯 ARM 晶片的編譯器以 GCC 為主，當然有些付費版的 IDE 也能編譯 ARM，如：KEIL 、IAR  (有專人管理的編譯器)，  不過都還是源自 ARM compiler 網站 ，從網站上取得編譯器的原始碼，經過編譯後產生一套能編譯 ARM 晶片的編譯器 (說的有點複雜 !!)。簡單說，最終目的是製造出一個 ARM 編譯工具，但是要先取得原料後，再自行製造出這個工具。所幸現在網上有不少開發環境都能提供這 ARM 編譯的工具了，不需要我們重頭開始打造工具。然而，這類工具大多在 Linux 的環境下，所以想編譯成 ARM 機器碼只能到 Linux 環境下？         在 Windows 環境下，如果也想要 Linux 的環境，需要在 Win 系統安裝類 Unix 環境的軟體，如：cygwin 、MSYS2 、MinGW...等。底下以 MSYS2 軟體為例，其實它就是一個在 Win 系統的命令列，但是和 Win 系統提供的有何不同呢？請看圖一和圖二的環境變數，兩者環境變數完全不一樣，MSYS2 就是模擬一個 Linux 環境的命令列，操作指令也是 Linux 指令，但實際上指令已經轉為 Win 系統能執行了。有了這類 Linux 環境當然是對熟悉 Win 系統的人操作起來比較便利。 圖一：Windows的命令列 圖二：MSYS2的命令列 Unix-like環境         在 MSYS2 環境，我們要先安裝 ARM 相關的編譯工具，從 MSYS2 官網 下載安裝 package ，安裝這幾個套件  arm-none-eabi-gcc 、 arm-none-eabi-newlib 、 arm-none-eabi-binutils ... (執行指令 pacman -S xxx)，我們就能用這套編譯工具編譯成 ARM 機器碼，如下圖三所示。既然安裝

        Megawin 公司 推出的 MG32F02x 系列晶片是以 ARM Cortex-M0 為核心的微控制器，內建至少 32KB flash 存放程式碼與資料，包含常用的介面，如：UART 、 I2C 、 SPI 、 ADC...等，算是具備完整周邊的 MCU。 準備工作：         軟體套件 KEIL uVision5 ARM 版本，注意 ARM compiler 版本必須是5.06 update 7，筆者測試過update 6，會造成 ISP 代碼運行時出現異常。而 KEIL v5.34版本裡面就包含ARM compiler 5.06 update 7，所以下載最新的 KEIL 版本即可避開此問題。此外，開發過程還需要準備一個 M-Link Cortex-M0 的除錯器，以方便我們開發時可以設斷點 、 step by step 、 debug...。         安裝 KEIL ARM 軟體後，需要再載入 Megawin 的工具包。開啟 KEIL IDE，在選單上點選 Pack Installer工具按鈕，從這工具去載入 Megawin.CM0_DFP.2.0.8.pack 或最新版。成功後，這樣的 KEIL 開發環境才能支援 Megawin 晶片。這個 pack 裡面包含晶片所有介面的驅動程式碼，以及範例程式，我們可以從工具的選單複製所需的範例程式碼。 韌體燒錄方式：         在開發韌體時，透過 KEIL IDE 加上 M-Link debugger 便能下載韌體到晶片上，但是一般實用場景下不可能每次都用 KEIL 套件去燒錄韌體。目前 Megawin 提供兩種燒錄韌體的方式： ICP (In-Circuit Programming) 和 ISP (In-System Programming)。         ICP方式就是M-Link除錯器連接到晶片的SCL (PC4)和SDA (PC5)接腳，利用 ICP32_Programmer.exe 軟體工具將韌體燒錄到指定 AP flash記憶體區，如下圖。首先載入我們的韌體(稱為 app)，再按下 “Insert ISP-Code” 插入原廠提供的 ISP 碼，組成完整的 binary code，最後按下 Update Target 鈕，這樣 M-Link debug

        過去開發 TI DSP 韌體時，遇過最詭異的問題就是程式跑到某一行就會出現異常情況，將這行移除後，程式又能正常運行。後來把編譯器的版本更新後，相同的程式碼經過重新 compile 居然能正常運行，很神奇吧？這類問題算是開發時期最難解決的問題之一，因為不容易發現，即使發現異常也不會懷疑與編譯器版本有關，於是自己會陷入一種迷惘的狀況，到底要怎麼 debug 解決。 [源由]           最近在開發 ARM-based MCU 晶片時，也是遇到奇怪現象。我寫一段 ISP 程式碼，每次運行到某一行就會發生晶片硬體出錯。於是，將這段程式碼交給原廠的 FAE 檢查，FAE 說在他的環境重現不出來，不過他把他的編譯產生的 map 也傳給我了。比對了雙方的 map 檔，唯一值得懷疑的是 compiler 版本不太一樣。         如下面的影片所呈現， 相同的 code，在不同的版本的編譯下，居然會出現不同的結果。影片中，先以 ARM compiler update 6 編譯，設定中斷點，當運行到某一行時，系統就出現錯誤。之後，我們將編譯工具升級為 update 7 版本後，相同的代碼就能通過運行，這種與 compiler 版本有關的問題是開發程式最難找的問題之一。 當 compiler 轉譯成機器碼之後，由晶片執行，有可能轉譯的過程有 bug (指令有錯?) 或者晶片本身有 bug (不認機器嗎?)，遇上這類問題，要嘛等待晶片廠商修正，釋出下一版晶片，要嘛更新編譯器，或者自己修改代碼的寫法避開有問題的寫法。 影片： Firmware 開發時, 最難發現的問題之一

開發板介紹         安信可 公司(Ai-Thinker)基於 ESP32 晶片推出一塊具有語音功能的 ESP32 Audio Kit 開發板，簡稱 ESP32-A1S，它與原廠的 ESP32 Lyrat 開發板都使用同一套 ESP-ADF SDK 軟體，但是開發板的電路有些差異，底層的驅動程式需要替換才能順利開發。         首先，最大的差異在 ESP32-A1S 語音編碼晶片採用 AC101 ，不過晶片被封裝在 ESP32 模組上，所以我們在開發板上面看不到這顆晶片，然而 ESP32 Lyrat 板採用 ES8388 晶片，因此在 ESP-ADF 中語音編碼的驅動程式需要更替。另外，其他不一樣的地方都在 GPIO 接腳的連接上，整理後，如下表所示，我們需要調整 ADF 底層的 HAL 和 Board 的配置，SDK 才能正常使用。 表一：ESP32-Lyrat 與 Audio Kit 開發板的差異         第一步，下載 ESP-ADF。在 VS Code 開發環境下[1]，按 F1 後，選取 "Install ESP-ADF"，VS Code 會自動從 GitHub 下載，並安裝 ADF 開發套件。如果是使用 ESP32-Lyrat 板子，可以直接跳到第四步，創建範例開始開發了。使用 ESP32-A1S 板子前，需要調整一下底層代碼，接續前面動作，我們從 GitHub 下載 A1S 的驅動程式， ESP32-A1S-AudioKit  程式碼，其目錄結構與 ADF 一樣，方便我們相互比對兩者差異。         第二步，到  \esp-adf\components\ audio_hal \driver 目錄下，將下載 A1S 裡的 AC101 驅動程式放進來。接著，要將 ac101 目錄和 ac101.c 加到  CMakeLists.txt 文件，同樣也要加到  component.mk 文件裡 ，這樣編譯過程就會把 AC101 驅動程式加進來編譯了。         第三步，我們再到  \esp-adf\components\ audio_board \lyrat_v4_3 目錄下(因為我們沒想要在 menuconfig 裡新增 A1S 配置，打算借用 lyrat 原配置)，將 board.c、board

目標         之前我們實作過 USB 體感搖桿[1]  參考：ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 ，那是一個有線的搖桿，這次我們將有線改為無線方式。以 ESP32 為控制核心，使用其內建藍芽 BLE 功能，再外接 ADXL335 加速計晶片，開啟 ESP32 ADC 的功能，讀取加速計晶片的電壓變化量，如圖一所示。最後，ESP32 Bluetooth BLE 連接到筆電上，現在的筆電幾乎能支援 BLE 連線，因此我們實作的結果能清楚地在電腦上呈現出來。 圖一：系統架構圖 開發過程         我們到 ESP32 官網下載 ESP-IDF，這提供完整的 ESP32 各種範例的原始碼，並在 Visual Studio Code (VS Code)環境上面進行開發[2]。在 ESP-IDF 的藍芽範例很多個，當初因為選錯源碼，一直無法做到搖桿滑鼠的功能，入了不少坑，後來找到合適的範例源碼。我們選用   esp-idf\examples\ bluetooth\bluedroid\ble\ble_hid_device_demo ，源碼可以提供藍芽 BLE 鍵盤、搖桿、滑鼠 、選單...等 功能，只要熟悉一下 API 函數就能做到 BLE 搖桿。         因為新增了 ADC 功能，所以我們必須調整 CMake 的配置，如下圖所示。在編譯過程中，因找不到一些 .h 標頭檔而出錯，於是在配置文件 CMakeLists.txt 裡把參照到的 include 路徑加入，還有我們用到 ADC 函數，所以在 link 階段需要把函式庫 esp_adc_cal 也加進來，這樣才能編譯成功 。 圖二：CMake的配置         在程式碼中，除了原本藍芽 BLE 所創建的 task 之外，我們新增另一個處理 ADC 運算的 task，如下圖所示。留意一點，因為 ESP32 為雙核心的控制器[3]，我們在創建 task 時候可以指定將 task 放在哪一個核心上運行，這是很不錯的功能。 圖三：兩個 Task 分別運行在兩個核心 影片：ESP32 藍芽模組的體感搖桿 參考資料 [1]  ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 [2]  ESP32 在 VS Code 開發環境的編譯與除錯 [3]  整理控制器 STM32 與無線晶片 ESP32

        過去我們研究各種平台上的語音辨識功能，像是雲端服務的一文  雲運算之語音辨識 (Speech To Text)  [1]，或者單晶片的離線辨識一文  LD3320 離線語音辨識晶片與 ESP32 無線傳輸  [2]。這次我們研究安卓系統的語音辨識，在 APP Inventor 2 的多媒體選單中提供語音辨識元件，元件屬性有 "UseLegacy"，如果勾選它，每當調用這個元件時，手機畫面會彈出一個畫面，準備運行語音辨識。這個屬性只能允許一次性的辨識過程，需要再次調用元件才能進行下次辨識，如果要連續辨識的話，我們就必須 uncheck 這個屬性。         底下的積木流程圖採用連續語音辨識的屬性所設計的，不過開發過程中遇到一個問題，系統會不斷地彈跳出錯誤訊息，然後語音辨識過程就中斷了。在網路上也有人遇到同樣的情況[3][4]， 現階段 處理的方式是把這些錯誤訊息抓出來，其中編號 3806 錯誤 (No Match) 出現時，重新呼叫語音辨識元件，讓系統再次進入辨識的狀態，但是每次出現錯誤訊息手機就會發出嗶嗶聲，有點惱人。或許，未來安卓系統會提供這個元件有更好的解決辦法，目前就先用上述的方式 work around 吧！最後一點，這個元件需要用到手機的網路，因為語音辨識的服務放在雲端上，如果沒有公眾網路，辨識是不起作用的。 圖一：APP 語音辨識積木流程圖 影片： App Inventor 語音辨識元件 參考資料 [1]  雲運算之語音辨識 (Speech To Text) [2]  LD3320 離線語音辨識晶片與 ESP32 無線傳輸 [3]  錯誤訊息 3806 [4]  App inventor : SpeechRecognizer 語音辨識

        開發設計任何系統，日誌 logging 是很重要的基礎工作。少了日誌，系統出錯將不容易除錯、分析、解決問題，所以第一步要先學會如何產生日誌。在開發 ESP32 / Arduino 這類系統時，一般常見產生日誌的方法是呼叫 printf 函數將想要紀錄的內容傳到 UART 介面，再從電腦的 COM port 上來查看。         採用 printf 將日誌輸出到 COM port 雖然簡單方便，但是呼叫過多的 printf 會影響運算的 timing，也不適合輸出大量數據到日誌。還有，當遇到系統崩潰的問題時，COM port 方式是很難幫我們解決這類棘手問題的。因此，ESP-IDF 提供另一種方式 apptrace 應用層追蹤函數庫 [2]，日誌資料先存放到記憶體，再透過 OpenOCD 傳送到 PC 端。底下，我們以 blink 範例說明產生 apptrace 日誌的步驟。         首先，在 VS Code 的項目中打開 SDK 配置，如圖一所示。左下角的圖示按下，出現 SDK 配置後，找到 " Application Level Tracking " 選項，將選單設為 Trace memory ，儲存後再編譯 blink 範例。 圖一：開啟日誌系統的配置         第二步，在程式碼中，我們可以設定日誌輸出到 COM port 或者輸出到 OpenOCD 的電腦端。如圖二所示，當呼叫 esp_log_set_vprintf ( esp_apptrace_vprintf ) 時，代表之後的日誌都會輸出到 OpenOCD，所以紅色標示的日誌資料會輸出到電腦端。程式碼需要定期再加呼叫 esp_apptrace_flash 才能將日誌輸出。         當呼叫 esp_log_set_vprintf ( vprintf ) 時，代表之後的日誌輸出到 COM port，我們在電腦端直接打開終端機連線(115200bps 8-N-1)就能看到日誌，下圖所示。 圖二：在程式碼新增日誌         程式碼已經調用了 apptrace 函數庫，但是還沒真正讀取到日誌資料或開啟日誌。我們必須在電腦端打開 telnet 連線到 OpenOCD，連線參數：telnet localhost 4444 。連線成功後，輸入

        整理自己常使用的 MCU 控制器，下表是 STM32 系列晶片，F1/F2 核心是 ARM Cortex-M3，適用在網路或 USB 2.0 等周邊控制。F3/F4 核心為 ARM-M4，核心工作時脈更高， 適用在 ADC 資料擷取等控制 。F7/H7 系列是目前最高等級的控制器，H7 為雙核心，適用於影像或顯示方面的控制。         另外，常使用的無線網路控制器是樂鑫 ESP 晶片，下表是 ESP32 系列晶片，最早推出的晶片是 ESP8266 系列，不包含藍芽功能，網路傳輸速度為 75Mbps。後來推出 ESP32 系列，工作時脈較高，網路傳輸也較快，並且多了藍芽功能。         從 espressif 官網資料來看，ESP32-C3 ADC 具有 DMA 功能，之前 ESP32 和 S2 的 ADC 並沒有 DMA 模式。C3 有 DMA 模式，可以減少 CPU 功耗，在省電方面應能表現更佳。 應用 [1]  以 ESP32 無線網為基礎，存取共享CF卡的FTP系統 [2]  LD3320 離線語音辨識晶片與 ESP32 無線傳輸 [3]  以 STM32 晶片的 ADC 為基礎, 設計一個簡易示波器 [4]  在 STM32 控制器上實現一個 FTP server [5]  ESP8266 WiFi to RS485 (MODBUS TCP to RS232) [6]  STM32F373 控制板之自我測試程式

系統架構         與虎尾科大教授合作開發 "以無線網路為基礎，透過 FTP 的方式存取共享的CF卡" 的系統，本系統由數個主要元件所組成，如下圖一所示，控制的核心為  ARM Cortex-M3  的晶片  STM32F207 ，無線通訊採用外接  ESP32S  的模組，參考 [1][2] ，模組韌體負責處理  FTP socket 連線。 STM32F207  與無線模組之間的介面採用  UART  或  SPI  通訊，負責雙向的傳送資料。         CF 卡介面採用硬碟的  IDE  介面，參考 [3] ，系統規劃兩個不同來源的訊號可以存取  CF 卡，但是同一時間只能允許其中一個訊號可存取，於是設計上規劃一個  bus  切換電路。 圖一：系統方塊圖         CF 卡介面說明： 首先，系統存取需檢查 CF 卡是否插在介面上面，可以透過  CF_nCD1  和 CF_nCD2  腳位訊號得知情況。 CF_nCS0 和 CF_nCS1 腳位用來區分不同位址空間，控制 IDE 的暫存器被定義在不同的位址空間。 CF_SA0~2 就是位址線， CF_D0~15 是資料線。        CF 卡的存取對應到  STM32F207 的 FMSC 介面，在韌體程式裡，將  FMSC 介面規劃為 16-bit Memory I/O 存取介面， 0x68000000 這個位址範圍分配給 CF_nCS0 使用，而 0x6C000000 這個位址範圍分配給 CF_nCS1 使用。 當硬體規劃好線路後，控制 CF 卡需要驅動程式才能進行讀寫，首先要把 CF 卡當成一個 IDE 硬碟來看待，然後設計驅動程式時需要了解如何存取 IDE 硬碟的指令，請參考 [5][6]。 圖二：電路板俯視圖       無線模組 ESP32 的韌體架構使用 FreeRTOS 做為系統的作業系統，韌體創建三個 task ： TaskBlink 、 TaskWiFiConn 、 TaskFtp ，如下圖所示。第一個用來讓模組上的燈號每秒閃爍一次，第二個是 WiFi client 連線到 WiFi AP ，成功後，板子上的 D5 燈號會亮。原始碼提供兩種方式，一種是 WiFi station 模式，另一種是 WiFi AP 模式，端看環境適合哪一種使用方式。 第三

#  ESP32 評比與教學推薦 NodeMCU-32s 的理由 準備工作 1) 安裝 Visual Studio Code (VS Code)，並安裝其他 C/C++ 插件。 2) 安裝 Python 套件 3) 下載並執行 Setup ESP-IDF Tools：檢查電腦系統的環境，並幫我們把編譯的工具鏈 tool chain 安裝起來。 4) 在 VS Code 安裝 ESP-IDF 插件，點選插件後，看到下圖一並設定路徑後，點擊安裝 ESP-IDF。安裝 v4.2 版本後，會詢問是否下載安裝工具鏈，如果系統已經有安裝，那就設好路徑即可。最後，再安裝 python 虛擬環境給 ESP-IDF，便完成整個環境設定。 圖一：ESP-IDF 擴充插件 建立專案 1) 從 ESP-IDF 選範例專案：按 F1 後，上方的選單輸入 " ESP-IDF: Show Examples Projects "，出現下圖二的範例專案列表，我們可以從中選一個範例來創建，例如我從當中選了 blink 或 hello_word。按下右上方的創建，就會在左半邊出現專案。 圖二：ESP-IDF 範例專案的列表 2) 編譯專案：按 F1 後，上方的選單輸入 " ESP-IDF: Build your project "，VS Code 環境就會開發進行編譯的工作，在下方的欄位會顯示編譯的過程。 3)  設定模組型號：按 F1 後，上方的選單輸入 " ESP-IDF: Device configuration "，彈出選項後，我們選擇 EPS32 為裝置的型號。 4) 電腦接上 ESP32 模組：按 F1 後，上方的選單輸入 " ESP-IDF: Select port to use "，在 VS Code 會自動彈出 COM port 讓我們選擇，點選 EPS32 連接的 COM 即可。 5)  燒錄程式碼到 ESP32：按 F1 後，上方的選單輸入 " ESP-IDF: Select Flash Method and Flash "，彈出選項 JTAG 或 UART，我們選擇 UART 為下載燒錄的方式 (前面我們已經設定 COM 了)。下載燒錄的方式設好了，下次只要

#  ESP8266 WiFi to RS485 (MODBUS TCP to RS232) #  環境品質監控系統 實驗說明         使用離線語音辨識晶片 LD3320 ，獲得辨識結果後透過 ESP32S 無線模組傳輸到另一塊無線模組上顯示出結果，如下圖一所示。 無線模組 ESP32         無線模組 ESP 系列是上海樂鑫所開發，經由安信可二次開發後推廣，模組提供 AT command (UART) 的方式進行控制，但這種方式使用起來總是覺得隔了一層紗，有層距離感，操控上反應或速度不夠即時。幸運的是，隨著這塊模組的生態系越來越成熟，使用者也越多了，ESP 模組已經能像 Arduino 一樣，可以在 Arduino IDE 環境下開發編譯並下載，同時不少開發者也分享各類無線模組的案例，方便我們拿來參考 [1][2]。         研究過程中，發現 ESP32S 上面的 FLASH 所屬的接腳不能直接拿來當作 GPIO 使用，因為這樣會影響到 IDE 燒錄，FLASH D0-D3 + CMD + SCK 正好對應到 GPIO 6-11，電路規劃時得避開使用這幾根 I/O。另外，這塊 ESP32S 模組有提供 3.3V 和 5V 輸出，正好 LCD_I2C 模組需要吃 5V 電壓，而語音辨識晶片吃 3.3V 電壓，能同時滿足開發的需求。 圖一：以無線傳輸語音辨識的結果         ESP32S 是同時具有 WiFi 和藍芽功能的模組，實驗中，我們使用模組的藍芽傳輸功能，並參考範例中的 BluetoothSerial 程式，通訊的一端代碼是 Bluetooth Master，另一端為 Bluetooth Slave，下圖二是兩邊代碼的說明。將 Slave 端設定藍芽名稱 (ESP32-ASR) 後，等待 Master 來連接，在 Master 端則對名稱 (ESP32-ASR) 發出連線請求，接著雙方就會自動連接成功。 圖二：藍芽通訊雙方的原始碼 離線語音辨識         LD3320 是十年前的語音辨識晶片 [3]，主要辨識中文，已不是新鮮貨。它不需要連上雲端，只要設定好辨識的字句儲存到晶片的暫存器內，它就能進行離線辨識。優點是辨識過程很快，而且是不特定人的辨識方式，對於設定後的字句，其辨識準確率算不錯的 (在無噪音干擾環境下)。