Circuit Cellar嵌入式科技 國際中文版 No.6

本書特色
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》主題涵蓋嵌入式軟硬體、電子工程及電腦應用等領域。《Circuit Cellar》英文版不但擁有多元化的國際性讀者群，包括長年從事嵌入式及微控制器(MCU)相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，旗下作者群也來自世界各地，包括美、英、加、比利時等地。本雜誌的編輯宗旨在於協助讀者成為全方位跨領域的從業人員，進而能充滿自信地將創新與尖端前瞻的工程構想運用在各種相關任務、問題及技術上。
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》是當前台灣乃至亞太地區唯一一本藉由專案實作報導形式，兼顧理論與實際、趨勢與實作地從專案主題背後的市場趨勢、技術要點，到元件準備，更擴及設定調校、程式設計規劃等各個面向的注意重點與訣竅，企業可以從中了解各種新興嵌入式技術靈活搭配與整合的技巧，長此以往，並能培養出開發各種實用智慧應用的能耐與實力。
本書專案主題涵蓋領域包括：
1. 類比技術：涵蓋降低EMI/RF問題、高速訊號完整性、訊號調節、A/D或D/A轉換器、類比可程式邏輯，以及低功耗、單供電及混合電壓設計等熱門主題。
2. 通訊：涵蓋網路協定、乙太網路、USB、I2C（Inter-Integrated Circuit）協定、同步序列資料協定( Serial Peripheral Interface, SPI)及Firewire等熱門主題。
3. 資料擷取：周邊介面、感測器、感測器網路、訊號調節、A/D或D/A轉換器、資料分析及後置處理等熱門主題。
4. 嵌入式應用：車用、測試設備、模擬器（Simulator）、消費性電子、即時控制及低功耗技術等熱門主題。
5. 嵌入式開發：原型及模擬、仿真器（Emulator）、開發工具、程式語言、硬體描述語言（HDL）、即時作業系統、除錯工具及有用技巧與訣竅等熱門主題。
6. 嵌入式程式設計：程式語言、即時作業系統、嵌入式Linux、檔案系統、驅動程式、網路協定、演算法及最佳化等熱門主題。
7. 網際網路與連接：網路晶片、協定堆疊、裝置伺服器與實體層介面等熱門主題。
8. 測量與感測器：環境感測器、智慧感測器、單線感測器（1-wire sensor）、微機電系統（MEMS）感測器及感測器介面技術等熱門主題。
9. 可程式邏輯：直接進行設計（Design-in）的技巧與竅門；核心智財Core-IP(例如處理器、DSP、週邊等)；針對傳統設計挑戰的創新解決方案（例如初始化、動態可重組dynamic reconfiguration及安全等）；即時發揮作用之軟硬體工具等熱門主題。
10. 機器人：馬達驅動器、近接感測（Proximity Sensing）、電源控制、電池技術／管理、電子羅盤及加速計等熱門主題。
11. 訊號處理：DSP晶片及演算法、類比可程式邏輯、訊號調節、A/D或D/A轉換器、濾波器、訊號壓縮技術，以及RISC、DSP及VLIW之比較等。
12. 無線通訊：無線數據機、Wi-Fi/IEEE 802.11x、藍牙、ZigBee/IEEE 802.15.4、蜂巢、紅外線/IrDA，以及安全應用。

書籍簡介
本期內容相對以往更顯得多元化，所探討內容五花八門、無所不包，從平衡式兩輪機器人實作，到電阻電測，再到IC設計與FPGA元件實作，乃至物聯網相關技術與應用的探討盡皆涵蓋。其中封面故事《運用PIC32打造低成本自我平衡式兩輪機器人-平衡式機器人實作攻略》探討如何運用PIC32微控制器從陀螺儀及加速度計接收到傾斜資料，然後產生脈波寬度調變的方向訊號來驅動底座的兩個馬達。

特報1《量測方法(2) -最少接線之大量電阻量測實作》中作者透過上期文章的介紹，讓大家知道如何用最少接線量測大數目的電阻性元件，在期作者將會展示從模擬系統及真實裝置所得到的實際結果。特報2《探究類比ASIC (1)- 簡化所有階層設計的複雜性度》中作者特別將本文作為類比式ASIC基礎系列文章的第一篇，並以淺顯易懂的說明介紹類比ASIC概況，進而示範如何透過整合以達到節省成本的目的。特報3《IC設計要訣(3)- 採180奈米CMOS技術的8位元計時器設計實戰》中筆者將聚焦在微控制器內建8位元計時器的設計過程上。這一切會稍作修改地根據使用者的要求進一步複製到Timer1、Timer2、Timer3等等之上。

再者，本期「社群人物1」單元資策會智慧網通系統研究所副所長何文楨博士，以深入探討基於深度學習之神經網路模型所帶動的人工智慧。此外，「社群人物2」單元則專訪印刷電路板設計藝術家Saar Drim，分享其打造創意十足電子學習與設計社群的感想與使命。

本期「疑難終結者」專欄共有兩篇文章，其中一篇是《MCU實戰前基礎(4)- 記憶體基礎特性認知》，作者在前面章節中介紹過接腳、介面與感測器等基本知識，接下來本文將進一步說明與介紹記憶體。另一篇則是《來玩靜電放電吧！》，作者Robert將詳述幾種「靜電放電事件」並提供幾種技巧提示，以作為讀者保護自我專案的參考。本期「可程式邏輯實作」專欄將會報導《挖掘FPGA的極速應用》，由於FPGA能輕鬆使用USB 3.1等較高頻寬來傳送軟體定義的無線電波到邏輯分析儀等裝置上，作者因而將簡介使用此介面在市面上的現有選擇，並深入說明Cypress FX3晶片。

本期「悠遊物聯網」一樣會報導兩篇文章，分別是《物聯網長距離無線射頻技術(1)- LoRa技術大直擊》及《智慧家居- 透過TCP/IP控制家居彩色燈泡》，前者作者Robert首先會在本期介紹LoRa技術，LoRa是一個特別適用於物聯網應用的低功耗、長距離無線射頻技術，作者會透過客製化設計來展示其可應用的技法；後者則會藉由WS2812B RGB LED模組，配合小而強大的Pieceduino開發板，來開發媲美飛利浦市售智慧LED燈炮的智慧家居彩色燈炮。
在「元件追新族」專欄裡本期將介紹《IoT初體驗- 用 Node-RED上傳資料到雲端》，作者會在樹莓派上運行Node-RED軟體套件，並且以範例說明其用途，接著讓樹莓派連接感測器，並透過Node-RED將資料上傳到雲端。在「科技大未來」專欄中，本雜誌特別為讀者報導《超低功率訊號處理的未來》，作者將會介紹穿戴式裝置中符合極少功率預算要求訊號處理實作的心得與感想，同時闡述由穿戴式裝置本身所內嵌超低功耗訊號處理等新興應用所帶動的諸多效益。

Circuit Cellar
Circuit Cellar Inc.是一家專門提供國際嵌入式設計社群相關產品與服務的媒體，為了扮演專業工程師與程式設計師所信賴的內容提供者，該公司除了發行Circuit Cellar雜誌外，亦推出許多工程/程式開發相關書籍、網站及新聞發佈。Circuit Cellar亦負責舉辦嵌入式設計與程式規劃/燒錄方面的國際性設計競賽。

Circuit Cellar長年進行嵌入式軟硬體與電腦應用方面必知訊息的蒐集、篩選與傳播，並融合實體印刷刊物與電子內容交付平台，來接觸更多元化的國際性讀者群，尤其是長期從事嵌入式及微控制器（MCU）相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，進而共同為嵌入式領域相關的創新突破貢獻心力。

譯者簡介
林斯睿：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與多家產業分析師之職，現為某IT公司內部產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

郭復誠：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與產業PM等職務，現為產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

林泰宇：長久從事產業分析師工作，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

李書安：萬能技術學院電機系畢業，現任某半導體公司Presale，並兼職各IT雜誌翻譯及企業英文白皮書製作等工作。

IRIS：現就讀成功大學資工系博士班，並從事各類外文書及雜誌專職翻譯工作。

編輯札記

People
社群人物1：深度學習狂潮起 引爆獨領 AIoT 風騷之機
專訪資策會智慧網通系統研究所副所長何文楨博士
社群人物2：創意十足的電子學習與設計社群
專訪印刷電路板設計藝術家Saar Drime

CoverStory
運用PIC32打造低成本自我平衡式兩輪機器人—平衡式機器人實作攻略

Features
特報1：量測方法(2) - 最少接線之大量電阻量測實作

特報2：探究類比ASIC (1) - 簡化所有階層設計的複雜性度

特報3：IC設計要訣(3) - 採180奈米CMOS技術的8位元計時器設計實戰

Columns專欄
疑難終結者：MCU實戰前基礎(4) - 記憶體基礎特性認知

疑難終結者：來玩靜電放電吧！

可程式邏輯實作：挖掘FPGA的極速應用

悠遊物聯網：物聯網長距離無線射頻技術(1) - LoRa技術大直擊

悠遊物聯網：智慧家居 - 透過TCP/IP控制家居彩色燈泡

Future
超低功率訊號處理的未來

Industry
新品直擊
產業要聞
元件追新族

<封面故事>平衡式機器人實作攻略
其他考慮因素
控制迴圈的執行率影響很大。在超過100赫茲的情況下，機器人平衡的很好。在大約50Hz下，可注意到反應時間變得比較長。10赫茲的話，機器人不能維持平衡超過0.5秒。因此控制迴圈之周期長短將有所限制，所以在TFT顯示工作上花了太多時間則會造成毀滅性的結果，因為花掉的時間沒有小到可忽略不計。

PWM信號週期在整個專案期間都保持固定。我們使用40M赫茲的定時器（預除率為64的除頻器及1000的發生週期）。最後得到的PWM頻率是625赫茲。平衡機器人有個安全措施，就是在測得傾斜角大於20度時會把馬達關掉。

設計建議
建造機器人時採取的策略是能快速地迭代重試。現在回頭去看的話，可能藉由更細心的分析整個機械動力裝置，就可以決定所需的馬達特徵曲線以及控制演算法增益。我們建議在建造自己的平衡機器人時，首先考慮馬達所需的功率，再取得符合規格的電子元件。

目前來說，平衡機器人要從電源供應器取得電力。若改用電池組，能提供移動自由度，並增加機器人單擺的特性時間及系統的穩定性。移動更自由之後，可以用遙控器更主動地控制俯仰角度的設定。這樣使用者就能沿著移動軸駕駛機器人。再加上一個載物平台，平衡機器人就能前後移動載運重物了。

在此誠摯希望讀者真的能試作出一個自平衡機器人！所需要的零件隨手可得，還有很豐富的PID控制相關文獻可供參考。相信最終結果能令人非常滿意，而且一旦機器人能動了，還有許許多多可以改進的空間喔。

<薄片擷取開發>物聯網長距離無線射頻技術(1) - LoRa技術大直擊
讓我先從基礎概念開始講起。首先請讀者想像一下你正在設計一個想用來連接網際網路的自主式無線裝置（例如，感測器或智慧手錶），那麼你將會有三個基本選項（如圖1所示）。

第一個可用的選項是智慧型手機，其可用來當作連接網際網路的閘道器。使用裝置通常會透過藍芽(Bluetooth)或所謂低能耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)別稱的Bluetooth Smart來與智慧型手機互連，同時智慧型手機上的小程式會擷取並發送資料到雲端上。雖然這很容易並且價格低廉，但它仍需要藉助智慧型手機。

另一種解決方案則是依賴個人固定式閘道器來完成，進而避免使用智慧型手機。通常標準無線Wi-Fi基地台會是常見選項，再不然使用者也可使用任何基於像是ZigBee、6LowPan、Thread或Z-Wave之類協定的RF-to-Internet閘道器，但這些都是相對採用短波技術的方案。

至於第三個選項則是讓裝置直接與長距離無線協定相容。這會在使用者裝置與遠端閘道器之間建立一個直接的連結，進而會涵蓋廣泛的區域與大量潛在的用戶。傳統上，這樣的解決方案會基於蜂巢系統標準（GSM、CDMA、LTE等），而且要較大的電池與較貴的門號申請資費。然而近幾年裡，被稱為低功耗廣域(Low Power Wide Area, LPWA)網路的新興解決方案開始受到關注而變得可行。其理念是提供長距離連接性的同時，又能戲劇化地降低功耗與成本。LoRa即為其最顯著的範例。