微處理器概論, Arduino Uno開發板, ATmega328P MCU, 資料傳輸介面, 類比訊號處理, Arduino Uno擴充板, 應用系統開發流程

1. Arduino導論
Revised on March 8, 2020
 微處理器概論
 Arduino Uno開發板
 ATmega328P MCU
 資料傳輸介面
 類比訊號處理
 Arduino Uno擴充板
 應用系統開發流程

2.  輸入單元(Input Unit)
用來接收外在資料的設備，例如:鍵盤、滑鼠、掃瞄器等
 輸出單元(Output Unit)
將電腦內部的資料或運算的結果輸出到外界的設備，例如:螢幕、印表機、喇
叭等
電腦基本結構 1/2
控制單元
算術邏輯單元
主記憶體
外部儲存裝置
輸入單元 輸出單元

3.  算術邏輯運算單元(Arithmetic & Logic Unit，ALU )
接收控制單元的命令，從記憶體取得資料作加、減、乘、除等各種算術運算
及大小比較，條件判斷等邏輯判斷工作，然後將處理後的結果存回記憶體
 記憶單元(Memory Unit)
用來儲存程式和資料的地方。內部記體體主要為動態隨機存取記憶
(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，外部記憶體主要為硬
碟(Hard Disk)
 控制單元(Control Unit，CU)
負責電腦的輸入、輸出、記憶、運算四大單元的聯繫與控制，由它負責協調
何時、何地，該由哪⼀個裝置進⾏工作
 CU與ALU設計製造上是放在⼀起的，稱為中央處理單元(CPU Central
Processing Unit)
電腦基本結構 2/2

4.  單晶片微電腦(single-chip microcomputer)，又稱微控制器
(microcontroller unit，MCU)，是把CPU、RAM、ROM、I/O介面等
全都整合在同⼀顆晶片上。也就是說⼀顆MCU晶片就可以看作是⼀部
超迷你型的電腦
 MCU它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，適合用來設計控制系
統，但儲存容量小，輸入輸出介面簡單
單晶片微電腦

5.  ⼀款開放原始碼(open source)的單晶片微控制板
 2003年義大利伊夫雷雅(Ivrea)互動設計學院研究生Hernando
Barragán設計Wiring控制板(採用ATmega128微控制器)，做為互動
設計工具；
 2005年，Arduino團隊採用更便宜的ATmega8微控制，推出Arduino
控制板
 提供數位I/O、10位元ADC類比輸入、PWM輸出
 支援UART、SPI、I2C傳輸
 可使用C like高階語言或積木式指令開發應用系統
 大量的週邊模組及開源函式庫
 對非資電專業⼈⼠⽽言也容易上⼿，是創客最常使用的平台之⼀
Arduino是什麼?
5

6. Arduino開發板
6
UNO
NANO
Yún mini
Lilypad
Micro Lead Frame Package
Plastic Dual Inline Package
ATmega328p

7. ATmega328P 1/7
Atmel公司
mega族系
程式記憶體容量(32K bytes Flash ROM)
8位元CPU
Pico Power(低功耗)ATmega328P

8.  8位元MCU Plastic Dual Inline Package (PDIP)
ATmega328P 2/7
8

9.  數位I/O接腳D0~D13
 PD0~PD7, PB0~PB5
 脈波寬度調變PWM輸出(D3, D5, D6, D9, D10, D11)
 模擬類比信號輸出
 PD3、PD5、PD6、PB1、PB2、PB3
 類比輸入接腳A0~A5
 PC0~PC5
 10位元解析度
 預設範圍0~5V，可使用AREF來調整電壓上限
 數位接腳不夠用時，也可拿來使用，宣告為D14~D19
ATmega328P 3/7
9

10.  I2C傳輸
 SDA(A4)、SCL(A5)
 串列埠傳輸
 RXD(D0)、TXD(D1)
 SPI傳輸
 MOSI(D11)、MISO(D12)、SCK(D13)
 2個8位元Timer/Counters
 1個16位元Timer/Counter
 外部中斷INT0、INT1
 D2、D3
ATmega328P 4/7
10

11.  131 Powerful Instructions (Most Single Clock Cycle
Execution)
 32 x 8 General Purpose Working Registers
 Up to 20 MIPS Throughput at 20MHz
 On-chip 2-cycle Multiplier
 32KBytes of In-System Self-Programmable Flash program
Memory (程式記憶體)
 1KBytes EEPROM (資料記憶體，系統斷電後，資料依然能夠留存)
 2KBytes Internal SRAM (資料記憶體)
 Write/Erase Cycles: 10,000 Flash/100,000 EEPROM
 Data Retention: 20 years at 85°C/100 years at 25°C
 Current sinks and sources are 40mA
ATmega328P 5/7
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12. ATmega328P 6/7
12

13.  32組8位元⼀般用途暫存器
 其中六個暫存器能組成3個16位元
間接定址暫存器
ATmega328P 7/7
13

14. Arduino UNO開發板
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數位訊號接腳 (I/O)，D0與D1也是UART傳輸
接腳；D10~D13也是SPI；~表示支援PWM輸出
電源指示燈
ICSP接頭
類比訊號輸入接腳電源輸出接腳
DC 9V插座
φ2.1mm，內正外負
穩壓IC
USB過載保護
(500mA)
Type B
USB接頭
重置按鈕
LED (D13)
串列傳輸LED
ATmega328p
16MHz
I2C SDA(與A4相連)
I2C SCL(與A5相連) SPI
USB Jack
Power Jack

15.  並列傳輸與序列傳輸
 並列傳輸
 序列傳輸
 ⼀個位元接著⼀個位元傳送
資料傳輸介面 1/8
GND GND
Clock Clock
D0
:
D7
D0
:
D7
GND GND
Clock Clock
Data Data

16.  同步傳輸與非同步傳輸
 同步傳輸
 非同步傳輸
 送收雙方沒有共用的時序信號
資料傳輸介面 2/8
GND GND
Clock Clock
Data Data
GND GND
Data Data

17.  通用非同步收發器(UART, Universal Asynchronous Receiver &
Transmitter)
 RS-232 (限1對1)
 RS-485 (最多接32 devices)
資料傳輸介面 3/8
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18.  送收雙方須議定傳輸速率及封包格式
 傳輸速率：每秒傳送的位元數(bit per second，bps)，也稱為鮑率
(baud rate)
 每個資料封包(package)由起始位元、資料位元、檢查位元及結束位
元組成
 在開始傳輸資料之前，Tx與Rx接腳都為高電位，要傳送資料時，先送出⼀
個代表「要開始傳送的通知」的起始位元(start bit，低電位)
 每組資料位元(data bits)⻑度可以是5~8位元
資料傳輸介面 4/8
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19.  資料位元之後可以送出⼀個檢查位元
 無(None)：不加檢查位元
 奇同位(Odd)
當資料位元有偶數個1時，則檢查位元為1，補成奇數；資料位元有奇數個1時，
則檢查位元為0，維持奇數
 偶同位(Even)
當資料位元有奇數個1時，則檢查位元為1，補成偶數；資料位元有偶數個1時，
則檢查位元為0，維持偶數
 標記(Mark)：檢查位元始終為1
 空格(Space)：檢查位元始終為0
同位元僅能辨別出奇數個bit錯誤，無法查出偶數個bit傳輸錯誤
資料傳輸介面 5/8
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20.  封包最後是代表「傳送完畢」的停止位元(stop bit)，1~2位元
 取樣
 通常是以鮑率的16倍頻工作，並在中⼼點附近取樣三次，三次結果⼀致才
視為正確，以避免因頻率漂移造成的取樣錯誤
資料傳輸介面 6/8
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21.  積體電路匯流排(Inter-Integrated Circuit, I2C)
 資料線 (SDA, Serial Data Line) A4
 時脈線 (SCL, Serial Clock Line) A5
 理論上I2C可以連接128個裝置
 由Master主導資料送收
資料傳輸介面 7/8
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22.  序列週邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)
 可以接多個裝置，⽽且傳輸速度比I2C更快（SD記憶卡就是這個介面），
與UART/RS-232⼀樣，發送與接收可同時進⾏
資料傳輸介面 8/8
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23.  類比訊號(analog signal)
 連續變化的物理訊號，訊號的振幅、頻率或相位可能隨時間變化
 溫度、聲音、亮度、位移、壓力…
 數位訊號(digital signal)
 只有高電位、低電位兩種狀態
 TTL電氣訊號為正邏輯
 輸入：0.8V以下為LOW，2.0V以上為HIGH
 輸出：High為2.4V以上，LOW為0.4V以下
 微電腦只能處理數位訊號，類比訊號必須經過AD轉換才能處理
類比訊號與數位訊號
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24.  脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation， PWM)是⼀種透過數位的
方式來模擬類比輸出
 脈衝寬度調變訊號包含了兩個主要的參數：工作週期與頻率。工作週
期是指在⼀個訊號週期中，邏輯高準位輸出所佔的時間比例
 PWM常應用在調光燈具、馬達調速、伺服馬達角度控制等
脈波寬度調變 (PWM)
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25.  微處理器是數位裝置，類比訊號必須經由ADC(Analog-to-Digital
Converter)轉換為數位訊號
 ADC程序
 取樣
 量化
 編碼
類比轉數位訊號處理 1/3
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26.  取樣
 每隔多久時間檢測訊號⼄次
 取樣頻率愈高，取樣波形愈能精準跟隨類比訊號變化情形，但產生的取樣
資料筆數愈多。例如取樣頻率1kHz表示每秒會儲存1000筆資料
類比轉數位訊號處理 2/3
取樣 取樣
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27.  量化
 將類比訊號需振幅區分成多少等份，若工作電壓5V，10位元ADC表示解析
度是5V/1024 = 4.88mV
 解析度愈高，取樣量化值與類比訊號實際值愈相近(誤差愈小)，但每筆取
樣資料佔用更多資料位元。例如16位元解析度表示每筆取樣資料佔2bytes
類比轉數位訊號處理 3/3
解
析
度
解
析
度
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28. Arduino Uno擴充板 (shields) 1/3
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29.  S4A Sensor Board for Arduino (慧⼿科技)
Arduino Uno擴充板 (shields) 2/3
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紅色LED D10
綠色LED D11
蜂鳴器 D9
開關 D2光敏電阻 A1
可變電阻 A0
N/A
TX
RX
GND
3.3V
N/A D12 D4
D8 D7 D6 D5
麥克風 A2
A5 D2 D3A4 A3 A5 A4
外接電源

30.  IoT maker board (普特企業)
Arduino Uno擴充板 (shields) 3/3
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ESP8266

31. 應用系統開發流程
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連接硬
體電路
規劃系
統功能
編寫控
制程式
編譯
準備零件及材料 正確
修正
上傳
測試&驗
證
正確
修正
檢查USB連線