單晶片lab3結報

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實驗日期 : 2021/10/07

上課教材

SPI、藍芽

lab1-1

SPEC

利用SPI進行2個Arduino板子之間通訊，傳送字串"Hello, world!"。

觀念 - SPI是什麼

請參閱Serial Peripheral Interface – SPI Basics與【Maker電子學】SPI 界面解密—PART 1。

在一對多的模式下，所有 SPI slave的MOSI、MISO、CLK 訊號通通都並聯在一起，才與master相接，但最重要的是master必須為每一個slave準備一個SS訊號，用這個SS訊號來選擇現在是要和哪一個slave溝通。

使用位元暫存器。

觀念 - SPI的暫存器

請參閱The SPI of the AVR。

Register	Function
SPCR (SPI Control Register)	This register is basically the master register i.e. it contains the bits to initialize SPI and control it.
SPSR (SPI Status Register)	This is the status register. This register is used to read the status of the bus lines.
SPDR (SPI Data Register)	The SPI Data Register is the read/write register where the actual data transfer takes place.

• The SPI Control Register (SPCR)

bit	abbr	name
7	SPIE	SPI Interrupt Enable
6	SPE	SPI Enable
5	DORD	Data Order
4	MSTR	Master/Slave Select
3	CPOL	Clock Polarity
2	CPHA	Clock Phase
1,0	SPR1, SPR0	SPI Clock Rate Select

• The SPI Status Register (SPSR)

bit	abbr	name
7	SPIF	SPI Interrupt Flag
6	WCOL	Write Collision Flag
5:1	X	X (reserved bits)
0	SPI2x	SPI Double Speed Mode

• The SPI Data Register (SPDR)
  The SPI Data register is an 8-bit read/write register. This is the register from where we read the incoming data, and write the data to which we want to transmit.
  
  we can relate it to bit 5 of SPCR – the DORD bit. When DORD is set to 1, then LSB, i.e. the 0th bit of the SPDR is transmitted first, and vice versa.

實現方法

• master.ino

1. 初始化

digitalWrite(SS, HIGH); //SPI內部邏輯復位
SPI.begin(); // SPI通訊初始化配置
SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8); //set clock

2. 選擇線SS拉低，enable訊號，傳輸結束再拉高

3digitalWrite(SS, LOW); //enable SPI
SPI.transfer(c);
digitalWrite(SS, HIGH);  //disable SPI

• slave.ino

1. 初始化

SPCR |= bit(SPE); // turn on SPI in slave mode
pinMode(MISO, OUTPUT); //設定主入從出
SPI.attachInterrupt(); // turn on interrupt

2. 中斷程序

// SPI interrupt routine
ISR(SPI_STC_vect) {
    byte c = SPDR;  // read byte from SPI Data Register
    if (pos < sizeof(buf)) {
        buf[pos++] = c;              // save data in the next index in the array buff
        if (c == '\r') flag = true;  //check for the end of the word
    }
}

3. 印出字串
   flag為true則印出字串，並把flag與pos再次初始化等待下次發生中斷。

if (flag) {
    flag = false;
    Serial.println(buf);
    pos = 0;
}

lab1-2

SPEC

利用SPI進行2個Arduino板子之間通訊，2個Arduino板子都分別帶有1個LED和1個按鈕。按下一端的按鈕，使另一端的LED亮起，放開後熄滅。

實現方法

與lab1觀念相同。

• master.ino

digitalWrite(SS, LOW);
Master_receive = SPI.transfer(Master_send);
digitalWrite(SS, HIGH);

master將按鈕觸發高或低的訊息在SS拉低時傳輸給slave。由於SPI有MOSI、MISO兩條訊號線構成全雙工模式，因此SPI.transfer(val)也會接收到從slave傳回來的訊息。

• slave.ino

ISR(SPI_STC_vect) {        //SPI中斷程序
    Slavereceived = SPDR;  //從SPI Data Register獲取資料(byte)
    received = true;
}

slave接收到從master傳來的訊息，會進入中斷處理程序(ISR, interrupt service routine)，每次從SPDR(SPI Data Register)獲取1 byte的資料。

SPDR = Slavesend;  //Sends the x value to master via SPDR

而當slave按鈕按下，會把值傳給SPDR，當master下次將選擇線SS拉低時，就會從Master_receive = SPI.transfer(Master_send);中讀取slave傳回來的值。

• ref : 如何在两个Arduino开发板之间使用SPI总线进行通信

lab2-1

SPEC

Serial Monitor上輸入再透過藍芽傳資料，來控制LED亮暗。

輸入值	LED反應
1	ON
0	OFF
其他	閃爍2次

軟串口觀念

除了HardwareSerial，也就是Arduino Uno預設腳位0是UART的RT、1是UART的TX外，Arduino還提供了SoftwareSerial類庫，它可以將其他數字引腳通過軟體模擬成串口通信引腳。軟串口是由程序模擬實現的，使用方法類似硬體串口，但有一定局限性，像是brand建議不要超過115200bps。相關API文檔請參閱Serial Communications (SoftwareSerial Class)，以下列舉部分語法 :

1. 創建構造函數，指定RX、TX

SoftwareSerial(receivePin, transmitPin)
SoftwareSerial(receivePin, transmitPin, inverse_logic)

2. 指定傳輸速率(braud)

BTSerial.begin(int speed)

3. 結束傳輸

BTSerial.end()

4. 獲取可用於從串口讀取的byte數。

int serial.available()

5. 等待所有"發送緩存"中數據都發送完畢以後，再執行後續的程序內容。(注意 : 並非清除開發板接收緩存區)

BTSerial.flush()

6. 啟用選定的軟體軟串口進行偵聽。一次只能監聽一個軟件串口，並且到達其他端口的數據將被丟棄。除非給定的實例已經在監聽，在調用listen()期間會丟棄任何已經接收到的數據。

bool BTSerial.listen()

• ref

1. Arduino編程進階軟串口通信——SoftwareSerial庫的使用
2. flush - 太极创客

AT模式觀念

藍牙模組的兩種操作模式:

名稱	自動連線(automatic connection)	命令回應(order-response)
又稱	透通模式(transparent communication)	AT模式(AT mode)
功能	只是把RX腳傳入的資料，轉成藍牙無線訊號傳遞出去；或者將接收到的無線資料，從TX腳傳給Arduino，模組本身不會解讀資料，也不接受控制	能操控藍牙模組的指令，只有在AT模式，才能接收AT命令
HC-05模式	與其他裝置連線時	與其他裝置連線外
HC-06模式	一般情況	在通電之前，先把KEY腳位（藍牙模組本身的34腳）接在高電位（通常指3.3V，但是接5V也行）

AT指令列表可參閱HC-05 Bluetooth AT Command List。

• ref : HC-05與HC-06藍牙模組補充說明（三）：使用Arduino設定AT命令

實現方法

if (Serial.available()) {
    val = Serial.read();
    BTSerial.write(val);
    /*led blink*/
}

硬體與軟體實作是錯誤的，硬體部分我們只用一個藍芽模組，這樣藍芽傳出資料，而沒有接收端接收無線訊號，而軟體部分如上是直接用資料進行運算。

應該要使用個別裝上藍芽模組的Arduino板子、分兩份程式碼燒錄至板子進行發射與接收傳輸，並在接收端利用變數val進行判斷，改變燈泡的閃亮。

lab2-2

SPEC

Serial Monitor上輸入再透過藍芽傳資料，控制五顆LED跑馬燈。

輸入值	LED反應
0	暫停
1	跑馬燈
2	每次間隔一顆暗的
3	右->左點亮、左->右熄滅
4	全亮
其他	全部閃爍

實現方法

如lab2-1的問題。

lab3-1

SPEC

手機終端機輸入再透過藍芽傳資料，顯示於四位七段顯示器，實現碼錶功能。

輸入值	功能
1	計時開始/暫停
0	計時歸0

實現方法

安卓手機下載Serial Bluetooth Terminal，在程式的終端機輸入值，並發射無線藍芽訊息，

lab3-2

SPEC

手機終端機輸入再透過藍芽傳資料，實現密碼鎖功能。

輸入值	功能
B	進入密碼重設模式，並自訂一個密碼(ex:1258)
輸入一組正確密碼(ex:1258)	顯示剩錯誤次數，印出Unlock!
輸入一組錯誤密碼(ex:1255)	顯示剩錯誤次數，印出Wrong passwords!，若連續錯誤3次，等待10秒(顯示倒數數字)才能再次輸入

實現方法

BTSerial.begin(38400);

設定藍牙模組HC-05，與AT命令模式時設定或是預設之連線速率保持一致。

if (BTSerial.available()) {
        val = BTSerial.read();
        //Serial.print(val);
    }

若收到藍牙模組的資料，則送到"序列埠監控視窗"。

if (val == 'B')
        reset_mode = true;

分2種case : 第1種case為讀入B則將bool reset_mode這個flag設為true。

while (reset_mode) {
    if (BTSerial.available()) {
        // 讀取傳入的字元值
        while ((val = BTSerial.read()) != '\n') {
            // 確認字元值不等於-1，而且索引i小於4（確保僅讀取前4個字）
            if (val != -1 && count < 4 && val != '\r') {
                password[count++] = val;
            }
        }
    }
}

輸入B後進入reset_mode，檢查藍芽緩衝區有無新輸入的值，若有則讀值，讀到出現換行\n為止。使用換行\n是因為手機藍芽發射端行結束符設定為CR(\r)+LF(\n)的規定，以此判斷中止字串。

最裡層那個if迴圈需要排除前面的回車\r再加上-1的條件，並確保僅讀取前4個字。這是因為當程式察覺到有序列資料進入時，就開始連續讀取4個字元。可是序列資料的傳入速度遠不及程式迴圈的執行速度，所以存入data陣列的第2和第3個元素值都是-1(代表序列埠沒有輸入值)。

while (isDigit(val)) {
    input[count++] = val;
    if (BTSerial.available()) {
        /*讀取並儲存傳入的字元*/
    }
}

第2種case為判斷讀入是否為數字，先將第一個讀到並在val值存到陣列裡面，其餘操作與第一個case相同。

if (BTSerial.available()) {
    BTSerial.read();
}

最後需要注意的點是當錯誤超過3次等待10秒期間，如果使用者在這段時間在手機端亂輸入值，將會存到藍芽模組HC-05的buffer，使得10秒過後，BTSerial.available() == 1，而讀入非預期之數值，因此需要清空這些在buffer的值。

關於密碼鎖功能實踐請參閱單晶片lab2結報lab1、lab2-1，不再贅述。

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• 換行規定需自行設定，常見判斷換行有規則有 :

OS	行結束符
Windows	\r\n
Mac	\r
Unix	\n

控制字符	\r	\n
名稱	CR (Carriage Return)	LF (Line Feed)
譯名	回車	換行
ASICII碼	13	10
功能	使游標到行首	使游標下移一格

歷史典故 : 在計算機還沒有出現之前，有一種叫做電傳打字機(Teletype Model 33，Linux/Unix下的tty概念也來自於此)，每秒鐘可以打10個字元。但是它有一個問題，就是打完一行換行的時候，要用去0.2秒，正好可以打兩個字元。要是在這0.2秒裡面，又有新的字元傳過來，那麼這個字元將丟失。

於是，研製人員想了個辦法解決這個問題，就是在每行後面加兩個表示結束的字元。一個叫做“回車”，告訴打字機把列印頭定位在左邊界；另一個叫做“換行”，告訴打字機把紙向下移一行。這就是“換行”和“回車”的來歷，從它們的英語名字上也可以看出一二。

後來，計算機發明，這兩個概念也就被搬到了計算機上。那時，儲存器很貴，一些科學家認為在每行結尾加兩個字元太浪費了，加一個就可以。於是就出現了分歧。

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• ref

1. 關於行結束符（CR、LF）
2. Arduino序列埠通訊程式Serial.read()讀取到 ÿ 字元的補充說明

課後習題

Question 1

請簡述 URAT、I2C、SPI三介面之優缺點。

Answer 1

介面	優點	缺點
UART	線路簡單，兩條線路TX、RX進行一對一傳輸	因為僅有兩線路，傳輸速度慢，最高僅115.2kbps，不能用高速大量傳輸作業上
I2C	線路簡單，僅兩條傳輸線路，分別為時脈、傳輸所用。不同於UART，可同時連接多個裝置，而且允許多個主控端，且傳輸速度比UART快	傳輸距離短。由於傳輸是同一條線，不能同時傳輸、接收。
SPI	可接多個裝置。傳輸速度比I2C快。可同時傳送、接收。	至少需要4條連接線，且線路會隨裝置增加而增加。僅限一個主控端。

• ref : 【Maker進階】認識UART、I2C、SPI三介面特性

Question 2

SPI mode的用途為何?為何設計4個mode?請詳細說明

Answer 2

SPI的SCLK號線有兩種特性，存在於SPI Control Register SPCR)中，bit3的CPOL(Clock Polarity)、bit4的CPHA(Clock Phase)，分別可以為0、1，組合出4種mode，如下表所示 :

• CPOL : 為clock level，當訊號線SCLK LOW->0、HIGH->1。
• CPHA : 為clock edge，當訊號線SCLK leading edge->0、trailing edge->1。

SPI Mode	CPOL	CPHA
Mode 1	0 (LOW)	0 (leading edge)
Mode 2	0 (LOW)	1 (trailing edge)
Mode 3	1 (HIGH)	0 (leading edge)
Mode 4	1 (HIGH)	1 (trailing edge)

SPI同步傳輸資料可藉由MISO、MOSI這兩條線傳送，其傳輸方式是將master、slave之內部暫存器進行資料交換，當SCLK某個edge觸發，則交換1 bit資料。4個mode的原因，SPI就由SCLK控制，進行高速傳輸，在不同設備要互相通訊，其對應的mode也會不同，會有反邏輯的狀況，需要CPOL的特性，而資料的穩定時間也有所不同，所以需CPHA的特性，綜合而言，SPI給出4個mode是為了增加時序的彈性。

• ref : Back to Basics: SPI (Serial Peripheral Interface)

Question 3

請說明HC-05作為master以及slave的功用是什麼?

Answer 3

在AT模式時，輸入AT+ROLE = 0(slave)或 1(master)，決定此藍牙模組的主從性。

• 設為slave mode時，只能等著被主機(host)搜尋並連接，並不能主動搜尋。與主機連機後，則可互相傳輸訊息。

• 設為master mode時，可以主動搜尋設備，連接其他附近的slave裝置，理論上可以同時連接7個slave，

• ref : What is the difference between the master mode and the slave mode of the Bluetooth serial port module?

心得

劉永勝

實驗內容是學習利用SPI介面，讓主從機傳遞訊息。

• 實驗一為兩塊uno板，一個做為master，另一個做為slave互相控制對方的輸出，理論上slave的電源已經從master端供給，但我們實作時，兩塊uno板皆須個別連接電腦才能使用，我認為可能是uno板在溝通時，必需經過serial port才可以傳輸資料。
• 實驗二是用藍芽模組作為slave，再與uno板傳輸資料，講義上啟動AT模式的方法可能有誤，僅需連接key port就可以啟動，不須額外按按鈕。

李宇洋

這次實驗主要是學會利用SPI介面從主端和從端互相傳送資訊，具體SPI在code上的操作方式還是沒有很了解，會再多熟悉如何使用。藍芽的部分在此次實驗主要遇到的問題是如果沒有把Arduino接上HC-05的key腳位會無法進入AT mode，無論按了HC-05上的按鈕多久都沒辦法進入AT mode，因此我們在這個部分也卡住了一段時間，剩下的部分因為主要是之前lab的內容所以比較沒有什麼問題。

陳旭祺

本次重點為了解SPI傳輸協定與藍芽模組HC-05的使用。 無線傳輸是一個很有趣的主題，主要分為3大類 :

類型	模組
藍芽	HC-05、HC-06
無線電	NRF24L01
WIFI	ESP8266

目前想研究一下WIFI模組ESP8266並透過server傳資料到客戶端line bot，感覺應該會很有趣。

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另外上了工設系2小時的課，老實說自己沒有學到什麼很實質上的收穫，不過還是大致歸納出以下重點 :

• 設計思考

流程	說明
Empathy	以使用者為中心的設計，透過多元的方式了解使用者
Define	經過「架構」、「刪去」、「挖深」、「組合」後（可交互使用），對問題重新的作更深入的定義，更進一步找出使用者真正的需求，並用簡短的一句話定義使用者的需求
Ideate	以廣度為重心發展各種方案的可能性，透過三不五要的原則，激發出腦內無限的創意點子
Prototype	建立原型的過程加強思考和溝通
Test	做測試進以了解這個方案以及用戶

• 發散與收斂
  沒有想法時，發散問題，什麼想法都可以，最後再從中篩選結果，進行收斂。