研發紀事

        最近，我取得了一塊 NXP LPC55S69 開發板，我計劃使用它來開發 USD + SD 存取功能。這塊開發板被精心包裝在一個盒子中，盒子的封面印有這塊開發板的官方網路連結。根據技術文件的介紹，這套開發板大約於2020年推出，並且已經穩定到達一個版本。官方計劃將這塊微控制器單元(MCU)主要應用於工業物聯網(IoT)、自動化、診斷設備等多個領域。 圖一：LPC55S69 開發板的包裝盒         下圖二是開發板的正面原貌，板子中間是 MCU LPC55S69 ，晶片核心是ARM Cortex-M33 ，具有雙核心的封裝，內部最高時脈為 150MHz。基本上，晶片都包含了一般 MCU 該有的周邊，比較特別的部分有雙 USB 介面﹑雙 SD 介面﹑以及語音介面。在圖的右上方有語音的 codec 晶片，能將語音轉成數位化後接到 LPC55S69 處理。左邊有兩個 micro USB 接口，分別支援 Full speed 和 High speed 的規格，另外有兩個 micro USB 接口分別是供電和 debug 之用。 左下方的區塊是 Link2 on-board debugger，它支援除了 NXP 自家的 Link2 除錯器之外，也支援外接 J-Link 的除錯器。         接著，要開發這顆 MCU 的程式前，我們必須先準備好底下幾樣東西：第一個 MCUxpresso IDE ，開發環境套件專門開發恩智浦的晶片。第二個 MCUxpresso SDK ，到官方網站上下載該晶片的 SDK，才能載到 IDE 裡面。 圖二：LPC55S69 開發板正面圖         到恩智浦的官方網站  mcuxpresso.nxp.com  下載 SDK，先選擇晶片，再點選下圖三的右下方按鈕，產生相關的 SDK 連結。然後，進到下圖四的選單，依據我們的開發需求，選擇需要的程式碼與函數庫，網站會生成一個 SDK 壓縮檔，下載保存這個壓縮檔，之後會在 IDE 工具時用到。 圖三：產出 LPC55S69 SDK 圖四：SDK 程式碼與函數庫的選單     ...

        隨著開源的 RISC-V 架構開始熱絡起來，市場上逐漸出現以此架構設計的晶片，搭配類似 Eclipse 的開發環境 IDE，參考前文 https://han-ya.blogspot.com/2022/02/rt-thread-studio.html 。於是，購買了幾個 RISC-V 核心的開發板，正可對比 ARM Cortext-M 架構的 MCU。在晶片短缺之際，RISC-V 架構的晶片或許可做為另一項選擇。 CSM32RV20         南京中科微電子的 CSM32RV20 低功耗控制器，最高時脈 32MHz，操作電壓範圍 1.8 ~ 5V，內建 Flash 最多 40kB 和 4kB SRAM。這樣的運算等級相當於 ARM Cortex-M0 的控制器，如下圖。周邊介面包含 GPIO 、 I2C 、 SPI 、UART 、高精度的 ADC (up to 16-bit)...等等，這規格看起來滿吸引人的。         這塊開發板需要安裝自家的開發軟體 (CSM Studio) ，其實也是類似 Eclipse 的開發環境，專門接上自家的 debugger (或 JLink)並搭配這套軟體使用，如下圖一所示。安裝後，提供 BSP 驅動程式和範例，使用者就能測試看看晶片的功能。 圖一：CSM Studio 開發軟體 CH32V103         沁恆微電子的 CH32V103 控制器， 最高時脈 80MHz，操作電壓範圍 2.7 ~ 5.5V ，內建 Flash 最多 64kB 和 20kB SRAM，他們的 CH32V2x 系列的時脈可達到 144MHz。這樣的運算等級相當於 ARM Cortex-M3 的控制器，如下圖所示。其 周邊介面包含 GPIO 、 I2C 、 SPI 、UART 、 12-bit  ADC 、DMA、USB...等等，這規格正可對比意法半導體的 STM32F103 系列。 這塊開發板需要安裝一套名為 MounRiver 開發軟體 (MounRiver Studio) ，也是基於 Eclipse 平台所設計的 RISC-V 集成開發環境，我們還需...

        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

        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。         WT588D 語音模組稱為 WTW-16P ，其外觀如圖一所示，模組上包含兩顆晶片：一顆是 WT588D，另一顆是 FLASH 晶片。WT588D-20SS 是語音撥放IC，需要外掛一顆 FLASH IC 用來儲存語音資料，兩者之間用 SPI 介面通訊。這個語音模組並沒有把 WT588D 所有 pin 都接出來，只有接出重要的 pin 腳，共 16 支接腳，如圖二所示。 圖一：WT588D語音模組外觀 圖二：語音模組方塊圖與接腳分配 << 語音燒錄方式 >>         燒錄 WT588D 模組需要一個 USB 燒錄器，如圖三所示，再搭配電腦上的燒錄軟體將音檔下載到模組的 FLASH 裡面。在這裡要特別留意一點， 模組放置到燒錄器上的基座方向與位置必須正確，否則語音模組會真的燒壞 。 圖三：燒錄器與語音模組使用方式          打開燒錄軟體後，建立一個新文件。左邊區塊載入打算燒錄的音檔，如圖四所示，而右邊區塊用來編輯每個地址序號內的音檔 。每個地址序號代表播放語音的編號，每個編號裡的語音可以由一個左邊區塊內的音檔組成，或者由多數的音檔所組成。下圖四中，地址0裡面只會撥放一個音檔 "請按鈕取票"。地址序號旁有個 +/- 符號可用來編輯下個地址，我們將左邊區塊的音檔拖曳到右邊區塊，表示該地址序號會撥放此音檔，如圖五所示。編輯 完成後，我們再下載並燒錄到語音模組上。 圖四：使用WTW軟體載入音檔，右邊是地址存放的音檔。 圖五：將左邊音檔拖曳到右邊區塊，代表燒錄到地址序號。 <...

        近期設計一套七彩 LED 燈與 MP3 音樂播放系統，兼具照明與音樂功能。基本功能是照明，類似壁燈的概念，當光感應偵測到白天或有其他光源時，自動關閉 LED 照明。一旦處於黑暗或低光源的環境，LED 燈便會開啟。此外，遇上停電時，鋰電池會提供一段時間的照明指示。除了照明功能之外，透過模式按鈕的切換，將系統切到 MP3 音樂播放模式，同時開啟 彩色 RGB LED 燈條的控制。         圖一是系統的方塊圖，主要包含一顆控制器晶片和 MP3 晶片，與鋰電池的充電電路，再加上一些 GPIO 的控制電路。在設計中，LED 燈要做到七彩顏色變化與明暗的差別，必須選具有 PWM 功能 的微控制器。這裡，我們採用 NXP LPC1111 控制器，當然啦！用其它控制器也行，只要晶片取得容易且開發環境熟悉，一般人都能實現出上述的系統。另外一點，設計時 LPC1111沒有用外部震盪器，而是使用控制器內部的振盪器，這樣省掉一顆震盪器零件。 圖一：LED燈與音樂系統方塊圖 影片：照明與音樂系統操作過程

#  ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 #  三軸重力加速計 Accelerometer (GY-61 ADXL335) 前言         前一篇 " 三軸重力加速計 " 介紹 ADXL335 晶片的重力加速計 (也稱加速規)，主要能偵測出三軸的重力變化，便能得知物體轉動方向方位。有一個特殊情況可解釋陀螺儀的作用，當加速規放置水平時，此時轉動轉動 Z 軸，我們會發現 X/Y 軸的重力值變化量其實並不大，請參考底下的實驗影片。這樣的變化量可能被誤以為是雜訊，不容易判斷物體是否方向方位在改變。如果能再多計算每一軸轉動的速度，由轉動的角速度輔助，便能計算物體位移量。於是，陀螺儀正是用來計算角速度的，配合重力計一起使用。因此，若加速規再輔以陀螺儀的功能，這樣能更精準算出物體的移動與轉動方向 (我覺得這是很複雜的數學)。 設計流程         Arduino 官方網站 中提供好多種重力加速計與陀螺儀的模組，我便找了一顆 MPU6050 晶片來測試。這顆晶片不只具有三軸重力加速計，還有陀螺儀的功能，對外的通訊介面為 I2C 方式。首先，實驗過程我採用恩智浦的 LPC1114 控制器來比較一下 MPU6050 與 ADXL335 的重力數值，如圖一所示。圖一的 LCM 第一行顯示的是 MPU6050 X, Y, Z 軸的重力值，第二行顯示的是 ADXL335 的三軸重力值，我已經把兩塊模組的 X/Y 軸方向調整為一致了 (兩塊模組的三軸定義方向其實不太一樣，用軟體方式調整)，如圖右下角所示。圖中，X 軸的重力值約為 -0.023g 和 -0.018g，Y 軸的重力值約為 -0.016g 和 0.018g，Z 軸的重力值約為 0.964g 和 1.112g。兩者數值的誤差，我的解釋是實驗過程並沒有做校正的動作，因此兩者模組存在一些誤差。撇開誤差，如果我們的實驗對精準度沒有要求太高的話，倒是很快取得三軸重力數值並計算出大概方位。 圖一：MPU6050 與 ADXL335的加速規數值 (單位 mg) 規格分析         下圖二是 MPU6050 晶片的陀螺儀規格，這顆可提供四種精度，...

#  ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 #  三軸陀螺儀與加速規 Gyro & Accelerometer 模組介紹         三軸重力加速計是一種重力感測器，也稱為加速規或加速計。三軸指的是 X, Y, Z 軸，重力加速度就是我們高中理化曾學過的地心引力 (g)。由於這個重力加速度是地球的天然資源 (就像磁力線的指南針)，所以當我們身體傾斜或翻轉時，透過地心引力的影響讓身體內部機構可感受到其傾斜或翻轉。於是，將此概念應用到科技工業上，像電玩的 體感遊戲 (Wii, Kinect...) 、 飛行器 、 懸臂旋轉 、 震動感測 ...等都使用到相關元件，本文針對三軸重力加速計的晶片做測試研究，希望能獲得更多的應用靈感。首先，找一顆晶片試試吧！Arduino 開發套件常見的三軸加速計，使用的是 ADI ADXL335/345 晶片，因此我買了一個來測試玩玩看，並用 NXP LPC1114 晶片來設計系統。         三軸重力加速計晶片是 MEMS 設計工藝，能將這種感測技術設計到小晶片裡面，不得不佩服這群工程人員。由於地表的重力加速度有方向性，晶片又根據該重力為基準來測量三軸的變化，所以晶片與三軸的方向座標必須先定義好，如下面圖一所示，晶片面朝上為 Z軸。以圖一為例，晶片放置水平，量測到的重力數值為 X 軸 0g, Y 軸 0g, Z軸 1g。然後，該晶片內部再將這三軸的物理量轉換成電壓值輸出。實驗中，我手上拿到的是 ADXL335，它是輸出三軸的電壓值，所以設計系統時需要選用具有 ADC 功能的 MCU ，才能將這三個電壓值轉換回重力值。此外，ADI 還開發另一顆 ADXL345 晶片，與 ADXL335 晶片有些不一樣的地方，前者內部已有包含 ADC 功能，能將重力值直接轉換成數位值，並使用 I2C / SPI 介面和外部通訊，提供使用者不同的選擇。 圖一：晶片的三軸方向座標 規格分析         三軸重力加速計晶片在使用前先要找到 0g 的電壓值，這也是校正歸零的步驟。雖然每顆晶片出廠前都經過測試，但是每顆晶片之間的物理特性還是存在一點點差距，這種差距...

前言        這是一個超音波測距和溫濕度系統，MCU 當作系統的核心，整合超音波模組 、溫濕度模組 、和 LCM 顯示模組。系統的電源為 5V，耗電量約 26mA，使用三顆四號電池供電。可應用的範圍，如：自走車 、掃地機器人 、停車場車位偵測...等。我們先在麵包板上把各個模組的電路功能設計出來，並驗證韌體程式可以正常運作，接下來再製作成 PCB 電路板。 元件介紹        超音波模組  HC-SR04 ：如下圖所示，一般常使用在  Arduino  系統上，做為自走車的距離感測器，利用發射超音波與接收其反射波的時間差計算出前方物體的距離，再根據距離遠近做出適當的動作。        溫濕度零件  DHT11 ：這是溫度與濕度整合的零組件， 其工作電壓在  3~5.5V ，具有  8-bit  的解析度，溫度範圍  0~50 度 C ，濕度範圍  20~90% ，可應用的領域像是家電 、空調、數據紀錄器、自動控制 … 等等。     NXP LPC11xx 系列的 MCU ：這是ARM  Cortex-M0 為核心的控制器，運算速度約  50MHz ，用來控制超音波模組和溫濕度模組，包含控制一個 2x16 LCM 顯示模組，如下圖所示。除了讀取溫濕度數據之外，同時  MCU  計算超音波傳輸的時間，再將數值轉換成反射物的距離，並將所有資訊顯示在 LCM 上。 圖一：超音波與溫濕度系統 圖二：超音波測距模組 原理說明        LPC1114 MCU  對超音波模組的 Trig 腳發出一個  pulse ，突波的時間需超過 10 us 以上，如下圖所示。超音波的反射信號會回應在模組的  Echo  腳上，當低電位升到高電位的時間是音波發射的時間點，而當高電位降到低電位是接收反射波的時間點。       ...

        三~四年前，當開發恩智浦的 LPC11xx (ARM Cortex-M0) 韌體時，設計者必須在名為 LPCXpresso 的套裝軟體下執行，它提供各系列晶片的周邊驅動程式與原始碼，方便使用者 compile & link。如果要除錯程式的話，這套軟體必須再搭配使用名為 LPC-Link 的除錯器，我們用它來除錯也可燒錄代碼。幾年前，LPC 並不支援在 KEIL C 的環境開發 (當時很多 ARM 晶片都用 KEIL 環境開發)，所以只能安裝 LPCXpresso，後來 LPC 已經成功整合到 IAR / KEIL 等環境了。有關的開發軟體與除錯器可以連結到 LPCware 的網站上。         最近我的 LPC-Link 好像壽終正寢，USB 完全偵測不到它。原本想再買一個 LPC-Link，不過因工作需要我也常常使用 ULINK2 在開發與除錯意法半導體 STM32 晶片 (ARM Cortex-M3)，於是想要將 LPC 開發環境移植到 KEIL C上面，這樣就只要維護一套開發軟體和一個除錯器，也能開發設計 STM32 和 LPC11x 韌體了。圖一就是移植到 KEIL 所需的重要檔案，原本的驅動程式原始碼移過來，並替換掉下列的檔案，基本上就大功告成了。                core_cm0.c                system_LPC11xx.c                startup_LPC11xx.s   (原 cr_startup_lpc11.c in LPCXpresso) 圖一：LPC11xx 整合到 KEIL環境         除錯的方面，因為不用 LPC-Link 後，首先要將 ULINK2 除錯器接到晶片接腳上。我的 ULINK2 一端連著一條 20-pin JTAG 排線，而...