單晶片lab4結報

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實驗日期 : 2021/10/14

上課教材

• I²C、LCD、四則運算

lab1

SPEC

利用I²C進行Arduino間通訊。

實現方法

完整I²C原理參見lab4課後習題 Question 1，Wire.h的使用實例參見lab2課後習題 Question 4。

• master.ino

Wire.begin();

初始化Wire.h，未指定7-bit slave地址則為加入者為master。

if (Serial.available()) {
    Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS);
        while (Serial.available()) {
            Wire.write(Serial.read());
            delay(10);
        }
    Wire.endTransmission();
    }

當serial port有資料時，開啟slave地址，並讀入serial port的資料並送出資料到I²C的bus，最後再結束傳輸。

• slave.ino

Wire.onReceive(handler)

當slave接收到master的傳輸觸發中斷程序，會被呼叫的由使用者自定義的函數。根據源碼void onReceive( void (*)(int) );，handler是使用function pointer實踐。

void myHandler(int numBytes){
    Serial.println("Receive Data:");
    while (Wire.available()) {
        Serial.print((char)Wire.read());
    }
    Serial.println("");
}

在這中斷程序，一開始會接受到從master讀入byte的個數int numBytes。Wire.available()會回傳可讀byte數，由於布林函數0以外的數字皆為正，因此Wire有資料會依序讀入Wire的資料到serial port並印出，直到Wire.available()回傳0，代表可讀的byte為0，才結束中斷程序。

lab2

SPEC

自己的學號字串以LCD跑馬燈顯示。

實現方法

熟悉16×2 I²C LCD模組使用，與<LiquidCrystal_I2C.h>函式庫成員函數的調用。參閱函式庫介紹How to control a character I2C LCD with Arduino。

函數	作用
LiquidCrystal_I2C lcd(addr, col, row)	創建物件
lcd::init()	初始化
lcd::backlight()	開啟背光
lcd::begin(cols, rows);	定義LCD的長寬(n列×n行)
lcd::clear()	清空LCD
lcd::setCursor(col, row);	設定輸入值起始位置
lcd::print(text string);	在螢幕上顯示資料
lcd::scrollDisplayRight();	將畫面向右捲動，可搭配delay()使用
lcd::scrollDisplayLeft();	將畫面向左捲動，可搭配delay()使用
lcd::home()	使光標移至左上角
lcd::cursor()	顯示光標
lcd::noCursor()	關閉上一個功能
lcd::blink()	顯示一整塊長方形方格的光標
lcd::noBlink()	關閉上一個功能
lcd::display()	顯示所有print到LCD的東西
lcd::noDisplay()	關閉上一個功能
lcd::write()	與print()不同點在於是直接寫進LCD，而非人所看到的資料，例如lcd.write(64);是印ASCII Code 64號的@符號到LCD上
lcd::autoscroll()	下一位輸入值會把前一位輸入值往旁邊一個推
lcd::noAutoscroll()	關閉上一個功能
lcd::leftToRight()	之後的文字會從光標右邊開始寫
lcd::rightToLeft()	之後的文字會從光標左邊開始寫
lcd::lcd.createChar(custom characters, byte[]);	先自定義5 x 8 led matrix的像素點陣列，並重新定義字元

• 自定義LCD字符範例

// Make custom characters
byte Heart[] = {
    B00000,
    B01010,
    B11111,
    B11111,
    B01110,
    B00100,
    B00000,
    B00000
};

// Create new characters
lcd.createChar(0, Heart);

//use the number of the custom character that we want to display
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.write(0);

lab3

SPEC

利用keypad與LCD實現二項加減乘除。

實現方法

此部分為lab4功能的子集合。

lab4

SPEC

利用keypad與LCD實現四則運算計算機。

輸入值	功能
A	$+$
B	$-$
C	$\times$
D	$\times$
#	$=$
*	清除

實現方法

1. 讀值

if (enter == '#') {
    infix[count] = '\0';
    break;
} else if (enter == 'A') {
    infix[count] = '+';

當有輸進值enter != NO_KEY時，對輸入字串進行替換，以符合原始資料，並顯示在LCD上lcd.print(infix[count]);，當出現#則代替為終止字符，並跳出無窮迴圈。

2. 計算

double pfix_parser(char *ifix);

四則運算為資料結構(DS)介紹stack功能章節實作。

• infix轉postfix
  

  • 目的 :
    不用處理運算子先後順序問題，只要依序由運算式由前往後讀取即可。
  • 方法 : 取出中序式的字元
    1. 遇運算元直接輸出。(在字元結尾插入'n'因此可接受多位數值)
    2. 堆疊運算子與左括號(。
    3. 堆疊中運算子優先順序若大於等於讀入的運算子優先順序的話，直接輸出堆疊中的運算子，再將讀入的運算子置入堆疊。
    4. 遇右括號)輸出堆疊中的運算子至左括號(。

• postfix轉value
  把運算元push進或pop出stack直接計算。

課後習題

Question 1

簡述I²C如何藉由SCL與SDA傳送資料 ?

Answer 1

I2C 是序列式的傳輸，只有兩條線，一條叫做SDA送資料，另一條叫做SCL傳clock。

Wire.begin(); 
//初始化Wire.h並作為master or slave加入I2C bus
//如未指定7-bit slave地址(函數重載)，則為加入者為master
Wire.beginTransmission(SLAVE_ADDRESS); 
//傳slave地址

1. 傳slave地址，決定跟哪個slave溝通
   • Start condition：SCL=high + SDA falling。
   • 傳7-bit地址，因此最大可以有128個slave(但實際上有16個系統擴充位址是保留的)。
   • 第8個bit傳R/W bit，指定要讀(0：write)或寫(1:Read)資料。
   • Stop condition：SCL=high + SDA raising。
2. Slave ACK一次確認
   
   • SDA主動權由master交給slave控制。
   • 如果有成功收到先前的訊號slave要把SDA拉低。

Wire.write(INNER_REGISTER_ADDR); //指定slave內部寄存器地址

3. Slave內部暫存器地址
   • Start condition：SCL=high + SDA falling。
   • 傳送8-bit地址。
   • Stop condition：SCL=high + SDA raising。
4. Slave ACK一次確認
   • SDA主動權由master交給slave控制。
   • 如果成功有收到先前的訊號slave要把SDA拉低。

Wire.write(0); //寫入1個byte的數據
Wire.endTransmission(false);
//If false, endTransmission() sends a 
//restart message after transmission.
Wire.requestFrom(SLAVE_ADDRESS, DATA_SIZE, true);
if (Wire.available()) {
    Serial.print("Data returned: ");
    while (Wire.available()) {
    //return the number of bytes available for reading.
        Serial.print( (char)Wire.read() );
    }
  Serial.println();
}
Wire.endTransmission(); //結束傳輸

5. 傳送data
   • Start condition：SCL=high + SDA falling。
   • 由前面R/W bit去判斷資料要傳送還是發送，每次傳送8-bit資料。
   • 如果未傳輸完，則由下一次再繼續傳8-bit。
   • Stop condition：SCL=high + SDA raising。
6. Slave ACK一次確認
   • SDA主動權由master交給slave控制。
   • 如果成功有收到先前的訊號slave要把SDA拉低。
7. 結束傳輸
   • SCL先拉高，隨後SDA跟著拉高。

• 資料來源 : How I2C Communication Works and How To Use It with Arduino

Question 2

上課的時候提到可以有多個master，請問若同時有兩個以上的master送出訊號會發生什麼事？並且描述該如何解決。

Answer 2

在各種bus arbitration機制中，最基本的禮貌就是"先聽再說"：當你要說話時，先聽聽有沒有別人在說話，如果有的話就閉嘴，如果沒有別人在說話，你才可以說話。根據 I²C 的規格說明，需要兩個機制：時脈同步(clock synchronization)和匯流排仲裁(bus arbitration)。

• 時脈同步(clock synchronization)
  時序可分為兩種master clock和slave clock，而在時脈同步系統中，master經由網路伺服器、GPS接收器等裝置得到準確時序，再將此時序連接到各個slave端，以確保整個系統的時序是精準且同步的。master一天之中會多次更新時脈訊號給slave，避免slave時序延遲。

• 匯流排仲裁(bus arbitration)
  在匯流排中用於初始化資料傳輸的裝置稱為主匯流排(bus master)。當一個系統會有超過一個主匯流排時，這些裝置間會互相分享匯流排系統，即當目前的主匯流排已經交出主導權時，其餘的匯流排可以獲得處理器的控制權，bus仲裁即為主匯流排間互相交換主控權的過程。
  其中有兩種Bus仲裁方式，分別為 :

  1. 集中式仲裁(Centralised Arbitration)
     只有一個匯流排會負責執行仲裁，這個匯流排有可能是處理器或是連接至匯流排的控制器，集中式仲裁主要有三個方式：
     
     • 菊鍊(Daisy Chaining)：
       
       所有主匯流排裝置都使用同一條線路去向仲裁裝置(在此圖為控制器)請求控制權，假設匯流排是空閒的情況則仲裁會回傳允許控制匯流排系統(bus grant) 的資訊，此資訊會從線路回傳並經過沿路的主匯流排裝置，直到遇到第一個發出控制權請求的裝置。此時這個主匯流排裝置會阻擋bus grant訊號的傳遞，並且啟動bus busy線路後獲取控制權。
       
       
     • 輪詢法(Polling Method):
       
       仲裁裝置(在此圖為控制器)在此方法中主要用於為主匯流排產生address，而位址線路(address line) 的數量取決於連接至此系統的主匯流排數量。舉例來說，假設有8個連接至系統的主匯流排，則至少需要3個位址線路。
       
       仲裁裝置會根據發出請求的匯流排產生一組的主匯流排位址，而若發出請求的主匯流排認得此位址，則他就會啟動bus busy線路並開始使用匯流排系統。
       
       
     • 獨立請求(Independent Request):
       
       在此方法中每組主匯流排都有各自獨立的請求線路和獲取線路，其中每組匯流排系統都有各自分配的優先權，仲裁裝置(在此圖為控制器)會有內建的優先權解碼器，並且會選取最高優先權的請求，然後允許此主匯流排控制匯流排系統。
       
       
  2. 分散式仲裁(Distributed Arbitration)
     所有裝置會被列為可能選擇的下一個主匯流排，並被各自分配4-bit的識別數字，假設有一或多個裝置請求匯流排系統的控制權，則他們會斷言(assert)開始仲裁(start-arbitration) 的信號並且把識別數字輸出到仲裁線路上(由ARB0到ARB3)，由於4條仲裁線路都是Open-Collector，因此即便有一個以上的裝置也一樣可以輸出自己的4-bit識別碼。若有一個裝置要把1輸出到bus line上、另一個要輸出0到同個線路時，bus line的狀態會為0。
     
     裝置會透過inverter buffer讀取每個仲裁線路的狀態。(因此若讀取到bus line狀態為0，則會轉為1)假設同時有兩個或以上的裝置放置識別數字在bus line上時，則需要透過bus line的狀態辨別出最高順位的識別數字。
     
     舉例來說：假設裝置A的數字為1 (0001)，裝置B的數字為6 (0110)且兩裝置同時請求使用匯流排，將兩者訊號輸出後會發現bus line的狀態為1000，但透過inverter buffer兩個裝置會看到狀態為0111。此時兩個裝置會自己比較這個code和自身辨別數字的不同(從最高有效位開始)，若裝置發現有哪個部分不同(A:0001 <-> bus:0111)，則會關閉從這個bit到最低位bit的輸出，將這些部分全部輸出0(以圖片而言，即為A裝置從ARB2關閉至ARB0)，因此A裝置會輸出0000(invert後變成1111)，則此時bus line狀態變為1001(兩裝置看到的為0110)，因此最後判定裝置B獲得主控權。
     
     這種去中心化的仲裁系統擁有很高的可靠性，因為他不會取決於任何一個單一裝置。

• ref :

1. 【Maker電子學】I2C 界面解密 — PART 6 仲裁協定
   
2. What is bus arbitration? Explain any two techniques of bus arbitration. OR Explain Bus Contention and different method to resolve it
   
3. SYNCHRONIZED CLOCK SYSTEMS EXPLAINED

Question 3

電算機為何總和超過32767時字串會溢位?如何解決?

Answer 3

Arduino中，int的資料型態為signed 16bits，因此當數值超過

$2^{15}=32,768$時，會發生overflow。解決方法是變更資料型態為float、double、long。

---

Arduino中常見的資料型態 :

資料型態	說明	記憶體長度	數值範圍
boolean	布林	8 bits	true (1, HIGH), false(0, LOW)
byte	位元組	8 bits	0~255
char	字元	8 bits	-128~127
short	短整數	16 bits	-32768~32767
word	字	16 bits	0~65535
long	長整數	32 bits	-2147483648~2147483647
float	浮點數	32 bits	±3.4028235e+38
double	倍精度浮點數	32 bits	±3.4028235e+38

double與float皆相同，根據官方doc定義

Double precision floating point number. On the Uno and other ATMEGA based boards, this occupies 4 bytes. That is, the double implementation is exactly the same as the float, with no gain in precision.

On the Arduino Due, doubles have 8-byte (64 bit) precision.

雙浮點精度由3個部分包含 :

組成	功能
sign bit (符號)	正負號
exponent (指數)	次方數
mantissa (尾數)	精確度

心得

劉永勝

I²C傳輸協定，在之前用MPU6050時，已有簡單的討論，其優點在於接線數較少，實作中遇到了一些內建函數回傳值的問題，輸出回傳值後即了解，slave端接收訊號時，會計算接收位元組數進行回傳。

LCD的部分，相較於七段顯示器，LCD較好操作。LCD模組配有掃描式驅動IC，並配合每pixel之電容，可讓面板上的數值持續顯示，不像七段顯示器要用迴圈的方式才能使數值常駐顯示。而四則運算的原理，在資料結構中有學過，先將輸入字元重新排列後，再以push、pop的方式處理。直接使用資料結構之程式碼，在調整LCD顯示問題即可完成。

李宇洋

此次實驗為操作LCD與利用I²C進行Arduino間通訊，使用的是Wire.h函式庫，比較上次實驗是利用SPI進行通訊，主要使用的函式庫式是SPI.h。因為LCD本身有自定義的函式庫，只需要事先利用LiquidCrystal_I2C.h函式庫設定LCD位址，再把需要顯示的字元print出就可以顯示在螢幕上。

陳旭祺

做個小整理。
延續lab2學UART(Serial Monitor)、lab3學SPI(傳字串)，這次lab4學I²C(傳字串)三大傳輸協定是算是告一段落，原理介紹文章可參閱【Maker 電子學】作者Bird，而對應相關模組 :

介面	外接線	模組
UART	RX(接收)、TX(發送)	藍芽HC-05(lab3)
I2C	SDA(資料)、SCL(時脈)	三軸陀螺儀與三軸加速計MPU6050(lab2)、顯示器16*2 I2C LCD(lab4)
SPI	MOSI(主出從入)、MISO(主入從出)、SCLK(時脈)、SS(選擇1)、SS2(選擇2)…	無

3者對應使用到的函式庫 :

• <SoftwareSerial.h> enables serial communication with a digital pin other than the serial port.The native serial support happens via a piece of hardware (built into the chip) called a UART.
• <Wire.h> communicate with I2C / TWI devices.
• <SPI.h> communicate with SPI devices, with the Arduino as the master device.