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tags: 單晶片助教
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# Arduino講義：藍芽模組、Keypad密碼鎖

## Intoduction of UART
* **UART** 全文為 **Universal Asynchronous Receiver/Transmitter** ，即**通用非同步收發傳輸器**，是一種硬體介面。

* 通用非同步收發傳輸器是一種異步收發傳輸器
* **單工、半雙工與全雙工**

| 單工 | 半雙工 | 全雙工 |
| -------- | -------- | -------- |
|| ||
|只支持信號在一個方向上傳輸(正向或反向)，任何時候不能改變訊號的方向。 EX:計算機和印表機之間的通信、B.B.Call。 | 允許信號在兩個方向上傳輸，但同一時間只允許信號在一個信道上單向傳輸。EX:傳統的對講機。 |允許數據同時在兩個方向上傳輸，即有兩個信道，因此允許同時進行雙向傳輸。 EX:電話、手機、RS232。 |
* 原文網址：https://kknews.cc/zh-tw/other/y2av3rj.html
* **串列 v.s 並列**
* 串列
* 一次傳送一個 bit，傳輸速率較慢、成本較低、可遠距離傳輸。
* EX :滑鼠、鍵盤、USB、HDMI、RS-232 介面。
* 並列
* 一次傳送多個 bit，傳輸速率快、成本高、易受雜訊干擾，僅限短距離使用。
* EX :25Pin D-Type印表機、顯卡PCI介面。

* 注意:並列傳輸的線路較多，但傳輸速度不一定比較快(因為接收端要同時將傳進來的資料整合及排列，虛耗額外的位元及處理時間)
* **非同步 (Asynchronous) v.s 同步 (Synchronous)**
* 非同步

* 雙方有各自的時脈， 在傳送資料時插入額外資訊，表示資料起始、結束。優點是設定時間短、硬體成本低、機器時脈不同也能傳資料，缺點是單次傳輸的資料量較少。
* EX : RS-232 (實現方式簡單低廉)、 RS-422 (較長距離的傳輸)、RS-485 (較多的裝置連接數目)。
* 同步

* 雙方共用時脈(一次只做一件事)，額外提供時脈訊號，使兩端機器在溝通時能夠藉此同步收發資料。比起非同步傳輸，同步傳輸不需要 start/stop bit ，因此能夠一次傳較多的資料。
* EX : I2C 、 SPI 。
* **UART**
* 全雙工
* 串列
* 非同步
* 由2個獨立的接收 (RX) 、發送 (TX) 緩衝器構成，可同時發送和接收資料。
* 鮑率即每秒鐘多少位元bits per second (bit/s，EX：1鮑即指每秒傳輸1個符號。
* 若 baud 為 9600 (bits/sec)，表示每秒可以傳 960 Bytes 的資料量。
* UART 傳送1 Byte (=8 bits)資料，加上頭尾共為10 bits。

$$\frac{9600(bits)}{startbit(1 bits)+data(8 bits)+stop bit(1 bits)}= 960Bytes$$

[參考資料](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%A2%E7%89%B9%E7%8E%87)

## UART Protocol
* 每個符號由三種資料共10個位元所組成，共分為：
1. 起始位元 (Start Bit)
2. 資料內容 (Data)
3. 停止位元 (Stop Bit)
* 平時沒用時UART的TX、RX腳都是處於高電位，每個資料在傳送前都會有一個低電位的起始位 (start bit) ；資料傳完之後會接著一組停止位元 (stop bit)通常為1位元，少數為2位元。
* 因此，若假設資料長度為 8bits，加上頭尾，每傳 1byte 至少需要 10bits。

* [UART參考](http://makerpro.cc/2016/04/understand-what-is-uart/)

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## UART register description
* **Receive buffer** : 只能讀出不能寫入。
* **Transmitter buffer** :只能寫入不能讀出。
* **Interrupt Enable Register** : CPU寫入暫存器告訴UART何時中斷。
### UCSR0A(USART Control and Status Register 0 A)
* 它是一個暫存器，用於指示串行通信的控制和狀態。
* **RXC0** ( USART Receive Complete ) : 當**接收緩衝區**中存在未讀取的數據時，旗標設為1。用來知道何時能收到一個位元組。
* **TXC0**( USART Transmit Complete ) : 當**發送緩衝區**中發送數據時，**TXC0**（ USART 發送完成 ）變為1。
* **UDRE0** ( USART Data Register Empty ) : 當數據可寫入**傳輸緩衝區**時，**UDRE0**（USART數據暫存器為空）變為1。
### UCSR0B(USART Control and Status Register 0 B)
* 它同樣是一個暫存器，用於指示串行通信的控制和狀態。
* **UCSR0B** 暫存器比較重要的是 **RXEN0** 和 **TXEN0**，這兩個位元用來啟用接收器 (receiver) 和發射器 (transmitter)，一般來說，我們會啟用這兩個元，可以用來開啟傳送、接收的位元。
* **UDRIE0** (USART Data Register Empty Interrupt Enable 0) : 決定要不要啟用中斷的位元。如果 **UDRIE0** 設置為 1，則允許UDRIE0標誌中斷。
### UDR0(USART I/O Data Register 0)
* 它是用來存放資料的暫存器。
* **TXB** 和 **RXB** 具有相同的 I/O address (共用UDR0)。
* 當寫入資料到 **UDR0** 時，資料會寫入**TXB register**。
* 當要讀取 **UDR0** 的內容時，實際上是從 **RXB register** 讀取內容。

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## Bluetooth

* 藍芽模組 HC-05、HC-06，使用 UART 介面與 Ardunio 溝通。
* 藍芽模組也可以視為一塊 MCU 並且可以透過 UART 介面進行設定。
* 設定方式:
* 透過 USB to UART 轉換電路 ，從電腦開啟 Serial Port 做寫入動作。
* 利用 Ardunio uno 開發板本身就有的 IC 來做轉換即可寫入 AT 指令。
#### 藍芽開發環境設定：

* 接線:
| Arduino | 藍芽模組 | 備註 |
| -------- | -------- | -------- |
| 5V | VCC |注意電源不可接錯 |
| GND | GND |注意電源不可接錯 |
| RXD(pin10)| TXD | |
| TXD(pin11)| RXD | |


* 程式碼:

#include  <SoftwareSerial.h> 
SoftwareSerial BTSerial(10, 11); // 宣告10腳位為Arduino的RX 、11為Arduino的 TX
char val;  //儲存接受到的資料變數
 
void setup() {
	Serial.begin(9600);  
	BTSerial.begin(9600); //注意，HC-05要設定成38400
}
void loop() {
  // 若收到「序列埠監控視窗」的資料，則送到藍牙模組
  if (Serial.available()) {
	val=Serial.read();
	BTSerial.print(val);
  }

  // 若收到藍牙模組的資料，則送到「序列埠監控視窗」
  if (BTSerial.available()) {
  val=BTSerial.read();
  Serial.print(val);
  }
}

### 進入AT模式的方法說明：

注意：若要進入AT模式則，要先確保不能有任何裝置與藍芽模組連線。
以下分為HC-05與HC-06說明：
### HC-05：

* **同時按住紅框鈕及接上 5v 即可進入 AT 模式。**
在尚未與裝置連線之前，HC-05板子上的LED快速閃爍，成功進入AT模式後，LED將兩秒閃爍一次。

* **Serial Port設定：**
* 打開 Serial Port。
* Serial Monitor 的鮑率選**9600**，另外一個選項要選 **NL&CR**，即可下 AT 指令。
* 輸入 AT 指令第一次會出現 ERROR:(0)，第二次輸入 AT 出現 OK ，即可進入 AT 模式。
* 詳細AT指令請參考以下AT指令表。


### HC-06：

* HC-06與任何裝置連線之前，只要有通電，都是在AT模式的狀態。因此要進入AT模式，只須**確保HC-06沒有與其他裝置相連即可。**

* **Serial Port設定：**
* 打開 Serial Port。
* Serial Monitor 的鮑率選**9600**，另外一個選項要選 **沒有結尾行**，即可下 AT 指令。
* 輸入 AT 出現 OK ，即可進入 AT 模式。
* 詳細AT指令請參考以下AT指令表。


### AT指令表：

* **AT指令版本HC-05：**

| 指令 | 序列埠回應 | 功能 |
| -------- | -------- | -------- |
| AT | OK | 確認藍芽與序列埠溝通正常 |
|AT+UART? | +UART:XXXXX,0,0| 得知目前Baud rate設定 |
|AT+ADDR? | +ADDR:98d3:b1:fd6ece| 查詢address |
| AT+VERSION| 版本資訊 | 查看韌體版本 |
| AT + NAME=XXXX | OK | 設定藍芽名稱 |
| AT + PSWD=XXXX | OK | 設定密碼 |
| AT + UART=38400,0,0 (鮑率 , 停止位元 , 同位位元) | OK |設定鮑率為38400 |

* **AT指令版本HC-06** :

| 指令 | 序列埠回應 | 功能 |
| -------- | -------- | -------- |
| AT | OK | 確認藍芽與序列埠溝通正常 |
| AT+VERSION| 版本資訊 | 查看韌體版本 |
| AT+NAMEXXX | OKsetname | 設定藍芽名稱 |
|AT+PINXXXX | OKsetPIN | 設定密碼 |

### 將手機與藍芽模組連接：
* 若是**HC-05**，請先確認不是在AT模式，在AT模式將無法配對。
* 將手機藍芽開啟，點選搜尋附近裝置，找到自己的藍芽名稱後進行配對。

* 確認配對成功後，利用 Android 手機下載“Serial Bluetooth Terminal”。


* 進入該應用程式，點選左上方多功鍵，點選"Devices"。
* 確認自己手機的藍芽有開啟後，選定裝置後按下裝置，即可連線。
* 連線後呈現以下圖示：

* <font color="red">成功連線時，藍芽模組上的警示燈呈快閃兩次循環。</font>
:::info
藍芽燈狀態:
1. 不停閃爍:正常模式/等待連接模式
2. 2秒亮2秒滅(HC-05): AT 模式/配置模式
3. 每秒閃爍2次:連接成功
:::
### 確認藍芽與手機溝通正常：

* 在serial port 輸入test，則手機上會顯示：
* 在手機上輸入test，serial port會顯示：

### 若顯示出現亂碼：

* 進入AT模式設定更改鮑率設定。
* 確認Serial port 介面是否正確設定。
* 確認程式藍芽連線速率是否正確設定。

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# Lab1:
### 藍芽實作
* 實驗目的：學習使用藍芽控制。
* 實驗目標：透過手機藍芽來控制led明滅燈。

* 結果:
<iframe width="916" height="458" src="https://www.youtube.com/embed/Th8U-sRj4uk" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

# Lab2:
### 藍芽實作
* 實驗目的：學習使用藍芽控制LED跑馬燈。

* 實驗目標：使用五顆LED燈與藍芽模組，
輸入0：停止目前動作。(除非輸入0，否則以下動作必須不斷重複執行)
輸入1：LED跑馬燈。
輸入2：LED燈由左而右點亮，全部點亮後由左而右依序熄滅。
輸入3：全部LED燈一起點亮。
* 結果:
<iframe width="916" height="458" src="https://www.youtube.com/embed/8ZcgkfJ3loE" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

# Lab3:
### 密碼鎖實作

* 密碼鎖涵式庫ZIP檔：[Password Library](https://drive.google.com/drive/folders/1brIT2wvlJBPT8Vh8zl58tQ71kJK1dL0V?usp=sharing)

* 函式庫說明： https://playground.arduino.cc/Code/Password/

* 實驗目的：學習使用Keypad及製作密碼鎖。(不一定要使用函式庫)
* 實驗目標：自訂一個密碼(如1234)，使用Keypad來輸入值，輸入完成後按Ａ送出，若輸入值與密碼相同則印出Unlock!，錯誤則印出Wrong passwords!。

* 程式碼:

# 加分題:
### 加分LAB1：藍芽控制碼錶
* 實驗目的：使用藍芽模組以及四位七段顯示器，實現藍芽控制碼錶。
* 實驗目標：設計一個四位數的碼錶，按下1則計時暫停，按下0則計時歸0。
* 結果:<iframe width="916" height="458" src="https://www.youtube.com/embed/I8OHp1oCR8o" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### 加分LAB２：進階密碼鎖
* 實驗目的：使用Keypad及密碼鎖函式庫，完善密碼鎖功能。
* 實驗目標：增加以下功能，
1.輸入兩次正確密碼才能解鎖。
2.可重設密碼。
按A為送出輸入的值，按B為重設密碼。
* 結果:

### 加分LAB3：進階密碼鎖藍芽版
* 實驗目的：使用藍芽模組及密碼鎖函式庫，完善密碼鎖功能。
* 實驗目標：承上題，但將鍵盤輸入改為使用手機藍芽輸入。

## 課後問題 (3個)
:::info
* **Q1.** 請說明非同步傳輸中的"RS-232","RS-422"以及"RS-485"，並討論這三者的差別為何?
* **Q2.** 請說明 **HC-05** 作為 **master** 以及 **slave** 的功用是什麼?
* **Q3.** 下方為Password.cpp，請為其做完整的註解。

#include "Password.h"

//construct object in memory, set all variables
Password::Password(char* pass){
	set( pass );
	reset();
}

//set the password
void Password::set(char* pass){
	target = pass;
}

//evaluate a string, is it equal to the password?
bool Password::is(char* pass){ 
	byte i=0;
	while (*pass && i<MAX_PASSWORD_LENGTH){
		guess[i] = pass[i];
		i++;
	}
	return evaluate();
}

//append a char to the guessed password
bool Password::append(char character){ 
	if (currentIndex+1==MAX_PASSWORD_LENGTH){
		return false;
	}else{
		guess[currentIndex++] = character;
		guess[currentIndex] = STRING_TERMINATOR; //ensure a valid c string
	}
	return true;
}

//reset the guessed password, one can guess again
void Password::reset(){ 
	currentIndex = 0;
	guess[currentIndex] = STRING_TERMINATOR;
}

//is the current guessed password equal to the target password?
bool Password::evaluate(){ 
	char pass = target[0];
	char guessed = guess[0];
	for (byte i=1; i<MAX_PASSWORD_LENGTH; i++){
		
		//check if guessed char is equal to the password char
		if (pass==STRING_TERMINATOR && guessed==STRING_TERMINATOR){
			return true; //both strings ended and all previous characters are equal 
		}else if (pass!=guessed || pass==STRING_TERMINATOR || guessed==STRING_TERMINATOR){
			return false; //difference OR end of string has been reached
		}
		
		//read next char
		pass = target[i];
		guessed = guess[i];
	}
	return false; //a 'true' condition has not been met
}

bool Password::check(){
	int i=-1;
	if(strlen(target)==strlen(guess)){
		do{
			i++;
			if(target[i]>guess[i]) return 1;
			else if(target[i]<guess[i]) return 0;
		}while(target[i]==guess[i]);
	}
	else if(strlen(target)>strlen(guess)) return 1;
	else if(strlen(target)<strlen(guess)) return 0;
}

:::
:::success
## 作業繳交格式

**W4結報_第XX組.zip**
壓縮檔裡包含:
1.W(週數)結報.pdf
2.資料夾:W(週數)
Lab1.ino
Lab2.ino
...

:::