MCU

意法半導體(ST)推出了兩款即用型LoRa開發套件，讓所有使用者，從大中小型企業到個人工作室、技術愛好者和老師學生，都能利用LoRa的遠端低功耗無線IoT連網技術開發追蹤、定位、測量等各種互聯網應用。 這兩款開發套件提供使用者一個完整的LoRaWAN開發鏈，其中包括閘道板和端點板，以及韌體和工具。兩款板子皆採用使用方便、經過檢驗的意法半導體STM32 Nucleo開發板。這兩款開發套件分別支援868MHz/915MHz/923MHz和550MHz ISM頻段，包括專有的閘道軟體和意法半導體的I-CUBE-LRWAN端點軟體。端點板和閘道板皆配備天線和除錯器。 每款開發套件的LoRa閘道均採用STM32 Nucleo-144 NUCLEO-F746ZG開發板，這是一塊搭載STM32F746ZGT6微控制器(MCU)的開發板。這個閘道與商用閘道不同，使用者可輕鬆控制腳位並協助開發。閘道器具有資料轉發器的功能，將開發端點資料上傳到LoRaWAN網路伺服器。意法半導體已與LORIOT、Actility和The Things Network等三家LoRaWAN網路服務器租賃商簽署協定，讓使用者的閘道可以連接至三家公司的伺服器，以免費使用一些基本功能。此外，使用者還可使用LmyDevices Cayenne for LoRa IoT Builder 看到感測器資料並控制裝置。 端點板採用NUCLEO-L073RZ開發板，這塊板子整合一個STM32L073RZT6超低功耗微控制器，並附上電池座，可方便移動。每款開發套件皆提供一個LoRa端點擴充板，板上通訊模組搭載超低功耗STM32模組，以執行一個AT指令棧。使用者還可以選擇板子上的動作感測器和環境感測器。

資策會宣布推出「微控制器IoT上鏈管理技術」解決方案，將和兩家台灣晶片大廠實證合作，以期達到低算力、高頻量、跨鏈資料識別之效益，大幅降低區塊鏈+物聯網的整合門檻，以物聯網晶片擷取資訊上鏈並因此強化信賴機制，未來可望進一步應用在健康醫療、交通物流、零售等更廣泛的應用領域。 資策會數位服務創新研究所(服創所)主任何偉光表示，區塊鏈物聯網深具應用發展潛力，但也存在許多瓶頸，例如萬物上鏈將使得物聯網裝置運算需求過高、難以承受大量IoT裝置數據傳輸需求，還有IoT介面格式不相容導致跨系統資料交換不易等，都是亟須克服的難題。 因此，「微控制器IoT上鏈管理技術」解決方案包含三項關鍵技術：IoT裝置端的Porting kit上鏈技術（區塊鏈化），結合IDEAS Chain平台佈建裝置上鏈，並以多階層資料授權管理智能合約，綜合達到低算力、高頻量、跨鏈資料識別的效益。 資策會將和台灣兩家晶片大廠進行實證合作，以關鍵技術協助台灣IC業者整合自家單晶片產品，運用分散式稽核技術搭配Cortex-M等級晶片，達到產品出廠即上鏈的功能；再結合資服業者分散式代理人引擎（Dapp），將大量高頻的IoT數據切片壓縮分層上鏈；再輔以分散式身分識別（DID）為基礎的交易網路框架，來發展多階層資料授權管理智能合約。 整體而言，「微控制器IoT上鏈管理技術」解決方案可望補足台灣物聯網IC業者區塊鏈化的技術門檻，驅動服務模組化創新設計，為產業生態系營造更有利的發展環境，爭取切入物聯網新應用領域。 先前區塊鏈技術因虛擬貨幣聲名大噪，但其實區塊鏈除金融外，也可應用在醫療病歷、生產履歷、智能合約等領域。以健康照護區塊鏈帳本為例，健保資料、就醫資訊以及具備物聯網功能的體重計、血壓計、智慧手環等裝置數值均上鏈後，便能有效紀錄並永久驗證資料，創造更具信任的流程，當跨院轉診時，這些個人健康資訊能提供給醫師或藥師診斷，甚至可提供給保險公司驗證並直接進行核保。 區塊鏈的技術特色是分散式帳本、去中心化、防止資料竄改等，因此當區塊鏈遇上物聯網，以擷取自機器的數據進入區塊鏈，便不需要擔心人為輸入的造假疑慮，更能從源頭強化信賴機制。 資策會將於10月16日至18日台北國際電子產業科技展期間，在南港展覽館1館展出「微控制器IoT上鏈管理技術」解決方案，期望進一步促成區塊鏈與物聯網的技術整合，擴大未來應用商機。

因此，為了了解生存的土地與善盡保護所居住的土壤環境，進而設計此智慧型土壤感測與物聯網系統。其中，結合LoRa與NB-IoT通訊協定，以及整合多種感測器，如土壤感測器與溫溼度感測器。此外，為了讓各個節點可以不受到地域的影響，透過太陽能電池供電，布建出可偵測大範圍面積的適量LoRa節點。最後，進而達到讓整體系統可快速安裝與監測的目的，並可延伸至農漁牧產業等多方面的產業應用。 物聯網感測從消費走向農業 隨著目前的資訊產業與通訊技術不斷地快速發展，將各項消費性產品、智慧感測產品、農業等應用廣泛結合物聯網(Internet of Things, IoT)應用於各大領域，並收集大數據(Big Data)用於改善與突破產品的全方向性能。 這使得產品在安全、可靠度、節能與環保等各方面都有了相對大幅度的進步。但隨著控制單元與智慧單元的增加，需讓裝置的複雜度降低又具有長距離通訊以及保持長續航力發展。其中，NB-IoT就以低功耗廣域網路(LPWAN)規範，能夠在極度節省電力消耗的情況下，進行長距離資料傳輸，以利布署蜂巢式網路的物聯網裝置。 而原本僅在通訊產品或是消費性產品的相關電子技術切入到環境與農漁牧業產業是一個相當重要的課題。目前隨著通訊網路與半導體技術不斷地發展，並加上新的NB-IoT通訊協定被制定與開發出來，使得環境監控系統亦不斷地擴充，並逐漸衍生出各式不同智慧感測設備。 因此，如何使智慧感測產品與環境感測搭配，不論是土壤監測系統、溫度監測系統、溶液PH監測系統值能整合並實現在整個環境監測場域，那麼就須建置與規劃一套完善的通訊協定與雲端資料庫，並讓所有感測資料或是環境資訊可以在雲端內以最完整的網路相連接，進而使單純的環境感測產品發展成為完整的智慧土壤環境監測與聯網系統。 此系統運用LoRa無線網路來實現整個觀測區內的土壤、環境資訊的擷取，並運用NB-IoT的技術將該區土壤感測資訊的資料上傳。其中，運用HT66F2390單晶片來實現LoRa與NB-IoT閘道器與訊號收集與傳輸的核心功能。 物聯網技術可確保農漁牧環境品質 民以食為天，農業產業在日常生活中扮演著不可或缺的角色。而在這高科技工業快速進步的社會裡，如果能將相關高科技電子資訊技術帶入農業產業中，除可節省人力與物力的成本外，亦可在無形中增加土壤種植與農漁牧成長的環境品質。以下列出本系統創新性，完整性與可用性。 ．自行開發設計環境監測的物聯網系統以符合使用者需求。 ．利用NB-IoT和LoRa低功耗的特性，大幅延長節點待機時間，增加系統續航力。 ．系統透過太陽能供電，易於安裝與布建系統。 ．用多種感測器建立物聯網環境監測點。 ．架資料庫即時更新存取環境測點資料。 ．用GPS定位讓使用者易查詢節點位置。 ．系統可依照使用需求增減LoRa節點，減少資源浪費。 ．隨時查詢土地最新資訊，快速掌握土地環境。 智慧型土壤感測工作原理 本系統使用盛群旗下的HT66F2390與土壤感測器、GPS模組、土壤感測器與LoRa模組等元件所設計而成。主要的工作原理包含：GPS、I2C、UART、ADC、物聯網、NB-IoT、LoRa、太陽能發電等設計原理。 MCU核心元件 本系統主要為物聯網技術應用，透過環境測點將數值傳入主機端匯入資料庫。在環境監測點的建立上使用盛群的MCU進行收值，並透過LoRa子節點模組傳送至LoRa主節點模組。最後，再透過NB-IoT模組上傳至雲端資料庫。其中，所有的LoRa與NB-IoT模組都是由MCU以UART介面來控制與驅動。 GPS工作原理 GPS稱之為全球衛星定位系統，為美國國防部研製和維護的中距離圓型軌道衛星導航系統。GPS系統具有多種優點，其包含使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性。 而高達98%的全球覆蓋率，且具備高精度三維定速定時，以及快速、省時與高效率。全球定位系統可滿足位於全球地面任一位置或近地空間的用戶端連續且精確的確定三維位置、三維運動和時間的需求。 該系統包括太空中的31顆GPS人造衛星；地面上1個主控站、3個資訊注入站和5個監測站，以及作為用戶端的GPS接收機。除此之外，最少只需其中3顆衛星，就能夠迅速確定用戶端在地球上所處的位置以及海拔高度；如果所在位置能接收到的衛星訊號數越多，那麼解碼出來的位置就會越精確。 在此系統中，所採用的GPS模組型號為NEO-7m，其功能是定位LoRa節點目前位置，以利得知所要感測的土壤資訊。 I2C工作原理 I2C字面上的意思是積體電路之間。如圖1所示，為I2C匯流排示意圖。它是一種串列通訊匯流排，使用具備容錯機制的主從架構，其由飛利浦公司在1980年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速週邊裝置所發展的匯流排規格。 圖1　I2C匯流排示意圖 I2C只使用兩條雙向漏極開路(Open Drain)(串列資料(SDA)及串列時脈(SCL))，並利用電阻將電位提升。I2C允許相當大的工作電壓範圍，但典型的電壓準位為+3.3V或+5V。 I2C參考設計使用一個7位元長度的位址空間但保留了16個位址，所以在一組匯流排最多可和112個節點通訊。而常見的I2C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式(100Kbps)與低速模式(10 Kbps)，但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I2C匯流排可以和更多的節點(支援10位元長度的位址空間)以更快的速率通訊，像是快速模式(400Kbps)與高速模式(3.4Mbps)。雖然最大的節點數目是由位址空間所限制住，但是實際上也會被匯流排上的總電容所限制住，一般而言為400pF。 此外，I2C被應用在簡單且其製造成本較傳輸速度更為要求的週邊上。I2C的另一個強大用途在於微控制器的應用，利用兩條通用的輸入輸出接腳及軟體的規劃，可以讓微控制器控制一個小型網路。 最重要的是，週邊元件或是IC可以在系統仍然在運作的同時，加入或移出匯流排。這代表對於有熱插拔需求的裝置而言是個理想的匯流排。 UART工作原理 UART為串列傳輸縮寫，串列傳輸為CPU與周邊裝置，或者是CPU與CPU間的資料傳輸方法之一。最簡單的串列傳輸只需兩條傳輸線，使用時的方式每次傳輸一個位元的資料，所以具有傳輸線少的優點，並且容易防止雜訊干擾，適合較遠距離的資料傳輸。然而由於資料傳輸一次僅送一個位元，因此傳輸資料的速度慢是其最大的缺點。 串列傳輸的結構雖然簡單，但也由於太簡單所以產生許多問題，必須藉由傳輸協定的設定來解決。其中，最基本的一種非同步式串列介面常被用於一般的串列傳輸應用中。 圖2為UART串列傳輸示意圖，傳輸時間順序由左至右。其中，串列傳輸在傳送一個位元組時，必須以位元的方式來傳遞，至少需要傳送8次以上。而UART的串列傳輸方式是在傳送8個位元資料之前加上1個起始位元，並在傳送8個位元資料之後加上1個停止位元。 圖2　UART傳輸示意圖 串列傳輸協定為傳輸速度，通常以鮑率，即每秒傳輸的位元數來表示。一般UART常使用的鮑率有1,200、2,400、4,800、9,600、19,200bps等，最大的鮑率可到115,200bps。兩種裝置在進行串列傳輸時，必須先定好兩邊要以那一種鮑率來進行資料的相互傳輸。當兩邊的裝置使用同一鮑率時，才能確保資料傳輸正確無誤。 物聯網工作原理 物聯網是網際網路或傳統電信網等資訊承載體，其可讓一般不具獨立運作能力的裝置具備互聯互通的網路，甚至是智慧感知的功能。物聯網一般為無線網路，透過物聯網可以用電腦對機器、電腦對裝置、電腦對人員進行資料收集與監控，進而達到智慧感知的功能。此外，物聯網應用範圍十分廣泛，涵蓋運輸和物流領域、健康醫療領域範圍、智慧環境(家庭、辦公、農漁牧、工廠4.0)領域、個人和社會領域等，已經涵蓋目前各個產業領域。 NB-IoT工作原理 NB-IoT是依據3GPP國際標準規範所研發的新技術，基於授權頻譜的頻段，可直接部署於LTE網路，更可說是5G的前導技術與低功耗廣域網路中最好的解決方案。由於NB-IoT的鏈結僅使用很小的頻寬，因此，能以低功耗實現長距離通訊。 此外，窄頻再加上運作於GHz以下頻帶，意味著NB-IoT擁有極佳的訊號穿透力。而不同於其他競爭的IoT協定需要依賴閘道器，只要當地的網路供應商支援，設計人員僅需在裝置中加入NB-IoT無線電模組就能連接至網際網路。在此系統中，採用遠傳電信公司推出的SIM卡與Sim7020模組實現NB-IoT資料傳輸功能。 LoRa工作原理 LoRa為低功耗廣域網路通訊技術的一種，Semtech公司於2013年發布的超長距離低功耗數據傳輸技術。以往，在LPWAN產生之前，似乎只能在遠距離以及低功耗兩者之間做取捨。而LoRa無線技術的出現，改變了關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，不僅可以實現遠距離傳輸，並且同時兼具低功耗、低成本的優點。 在此系統中，採用RYLR890模組，其具備優異的隔絕干擾抑制、低接收電流、高靈敏度等特點。當用於節點資料的傳輸時，不僅可減少資料遺失，亦可提高資料的完整性。 太陽能發電原理 太陽能發電是把光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。主要是透過太陽能作為偏遠地區電力的設備或是以綠色環保為供電的來源。在此，我們將提供單一物聯網節點的供電來源。在此系統中，於每一個節點配置一太陽能板型號Bb06-04，規格功率為1w，電池型號Ai04-04，額定電壓3.7v，輸出規格2,000mAh。 智慧型土壤感測系統結構剖析 如圖3所示，為本系統之架構圖。其中每一個方框則為一個LoRa子節點。此系統運用HT66F2390為主要節點，以及子節點部分則連接土壤感測器與溫溼度感測器。為了使子節點的分布可以更加地分散，並且不會受到地域的影響；因此，本系統透過太陽能電池供電，並可布置出適量的節點數目。 圖3　系統架構圖 而透過此系統的設計，可將所要監測區域內的所有土壤資料經由HT66F2390處理，再將資訊藉由LoRa模組傳到主節點。最後，將所有資訊藉由NB-IoT模組上傳至資料庫儲存。主節點部分同步顯示各節點資料，供使用者觀看，亦可透過網頁從電腦端即時監看，或使用APP在手機上即時瀏覽。 如圖4所示，為本系統之硬體方塊示意圖。其中，標示出每一個模組或是感測器的通訊介面。例如，運用I2C匯流排讀取溫濕度感測器，運用RS-485介面讀取GPS模組所內含資料，以及運用UART介面讀取土壤感測器的數值。 圖4　硬體方塊示意圖 軟體部分 如圖5所示，為本系統之應用程式流程圖。在程式初始化完成後會先與子節點上的LoRa模組進行連線，連線完成後主節點會開始接收子節點端回傳的感測值。若收到的值有超標或是異常，本系統就會立刻在網頁顯示異常數值提醒使用者該注意到監測場域的環境狀況。 圖5　系統流程圖 智慧型土壤感測系統測試方法 如圖6所示，為節點傳輸資料格式，其由左至右分別是定位判斷、緯度、經度、土壤溫度、土壤濕度、電導度、溫度與濕度感測數值。 圖6　感測器傳輸格式示意圖 系統實體設計 如圖7所示，則為實際戶外測試的實體圖。透過多組的LoRa傳輸將可擷取該區農地土質的相關資訊，便於後端的分析處理。 圖7　子節點系統實際安裝實體圖 感測數據收集與呈現 如圖8所示，則為遠端量測的數據值。透過本系統，將可了解農地的土質之大數據分析，並作為監測農地完整的數據呈現。資料庫會將其收到的節點情況資訊(例如，土壤溫度與土壤濕度)與即時分析，並以圖形化的方式呈現，供使用者做後續的追蹤分析。而使用者即可一目了然地掌握土地資訊情況。 圖8　數據呈現圖 GPS衛星定位測試 如圖9所示，為使用者登入後的首頁畫面。除了將各個節點的最新資料顯示於網頁上方，節點所在位置以Google Map顯示之外，也提供進一步的資料查詢，提供更友善的資料查詢。 圖9　衛星定位示意圖 節點耗電量測試 目前子節點耗電數據，透過電力分析儀測試後，可分別測得待機時，消耗0.37mA與運作時，消耗84.7mA。而電池實際可用容量約為2,800mA/h，若系統以10分鐘傳輸一筆資料，且每一次工作時間為10秒的運作時間下，去做每日總耗電量的計算。 與此同時，在經過每日總耗電量的計算之後，我們可以得到以下的數據：                                       (84.7/3600)*10+(0.37/3600)*590=0.295mA/h(每10分鐘總耗電量=待機時間*待機耗電+工作時間x工作耗電)。每日總耗電量=每10分鐘耗電量*每日傳輸資料筆數，則為0.295*144=42.48mA/h。 換句話說，在理想情況，不受外在因素影響下，整體系統完全可以依靠太陽能發電自給自足。即便是連續天日照不足的氣候，也能持續運作超過一個月。 LoRa數據傳輸測試 如圖10所示，為LoRa連線距離傳輸測試。經過我們的傳輸距離測試，至少超過800m，而透過增益天線與電路的匹配設計，傳輸距離可能達數公里之遠。也即是除了減少測試環境對本系統布置的限制外，更能協助我們獲得更完整與大面積範圍的土地資訊。 圖10　LoRa連線距離測試示意圖 NB-IoT數據測試 表1為NB-IoT模組在不同電信公司與地區下的連線測試表。因此，本系統在實際場域周圍的NB-IoT收訊是沒有問題。 導入物聯網技術有效減輕人力負擔 隨著科技化時代的來臨，許多電子產品或智慧生活方面等產品推陳出新，但電子產品應用於農漁牧業的相關場域上，則是較不為人所知的。 而農產品相關的食品安全與環境污染中，如重金屬汙染等問題則是不斷地需要人們更加重視的。在此前提下，本作品實作出一套可應用於目前農業場域的智慧型土壤感測與物聯網系統。 而近年來農漁牧產業的人力嚴重短缺，除了人力不足的問題外，農場場域較大不易管理也是一大需解決的方向，所以更需要大量人力投入管理與監測土地的品質狀況。也因此，需要透過此一環境監測系統來長時間的監測土壤狀況，以達到節省人力成本，以及方便人員監測與管理土壤之效果。 最後，透過在雲林縣農地的實測中，驗證本系統的可行性與應用性。未來將結合農民與相關產業來推廣此系統，以建立智慧農業物聯網的最後一哩路。 (本文作者戴千鈞、謝松展、藍鈞譯、章誌軒皆為國立虎尾科技大學學生，指導老師為許永和教授)

盛群(Holtek)推出全新射頻晶片BC66F2342 Sub-1GHz超外差OOK RF接收器Flash MCU，同樣具有高性價比優勢。搭配Holtek RF團隊無線技術支持，可快速切入例如鐵捲門、電動門、燈控、吊扇、吊扇燈、無線開關、無線插座、安防、無線門鈴、集成吊頂、智能家居等之無線接收產品應用。 BC66F2342的資源包含4K×15 Program Memory、128×8 RAM、32×15 Emulated EEPROM、6通道10-bit ADC、13個內建大電流I/O可直推LED、電流4段可調。RF接收頻段為300MHz~935MHz Sub-1GHz ISM頻段，射頻特性符合ETSI/FCC規範。只需外掛一顆16MHz晶振，具有低接收功耗：3.2mA@433MHz；高接收靈敏感度：-112dBm@10ksps，最高傳輸速率20ksps。BC66F2342工作電壓：2.5V~5.5V、工作溫度範圍 -40℃~85℃，採用24SSOP-EP封裝。 相較於先前推出之BC68F2332，增加ADC、大電流I/O等功能，方便客戶開發不同需求的系列性產品。

笙泉科技(Megawin)發表第二個32-bit Cortex-M0 MCU產品，命名為MG32F02A032。MG32F02A032提供32KB Flash與4KB SRAM，依不同的封裝有不同數量可程式化的腳位，共有44~17個I/O，具有豐富的周邊與高速的運算能力。 MG32F02A032工作速度高達48MHz，工作電壓為1.8V~5.5V，工作溫度為-40℃~85℃的工業規格，可參數化的cyclic redundancy check(CRC)硬體線路，可支援IEC60730(家用電器的安全發展標準)。並有1組Direct Memory Access(DMA)，可直接存取內/外部的周邊，Flash與SRAM。並有各種的周邊如，2組的UART(可設定為ISO7816、LIN、SPI slave或IrDA)、1組I²C、1組的SPI、4通道PWM(多變型防死區脈寬調制模塊)、12通道12-bit ADC。高達5組的計時器(2組16-bit與3組32-bit)。整體而言，MG32F02A032有快速的運算能力，豐富且多樣的介面I/O，可符合各種情境與各樣應用，笙泉特別專長的工業控制領域，如電動工具、自動重合閘、無線充電、舞台燈以及家電應用，如霧化器、油煙機、熱水器、電飯煲、美容儀器等。 MG32F02A032提供的封裝有TSSOP20、QFN32 (5mm×5mm)與LQFP48(7mm×7mm)，並提供開發套件。

瑞薩電子宣布開發RX72M工業網路解決方案，以使用RX72M產品組這款32位元的工業乙太網路微控制器(MCU)，來加速工業從屬端設備的開發。 全新的RX72M解決方案，包括評估板、作業系統、中介軟體與範例軟體，並支援工業網路應用產品中，將近70%的通訊協定。這讓使用者能夠立即啟動從屬端設備的開發，這類的設備像是小型工業機器手臂的馬達控制方塊、PLC(可程式邏輯控制器)設備，還有遠端I/O系統。範例軟體包括：有做為工業乙太網路軟體的EtherCAT、PROFINET RT、Ethernet/IP、Modbus TCP和OPC UA，還有做為場域匯流排(Field Bus)通訊軟體的PROFIBUS DP、Modbus、RTU/ASCII、CAN open和DeviceNet。 瑞薩已經確認全球工業乙太網路市場中最主要三種協定(EtherCAT、PROFINET RT和Ethernet/IP)的符合性測試，。這可讓開發人員將整個開發時間(包括開發、評估和驗證步驟)縮短六個月，進而縮短產品上市時間。 瑞薩物聯網平臺業務部行銷副總裁Daryl Khoo表示，我們預期連接工業網路的工業設備市場，在未來三年將以大約10%的CAGR(年複合成長率)來成長，這將提升對從屬端設備的需求，而這類設備可以快速的開發出來，並支援各式各樣的工業網路，因此這項需求也成為關鍵任務。專為支援多重協定而設計，全新的RX72M工業網路解決方案，將加速我們的客戶在全球的產品部署工作。 工業網路通訊協定在各個國家和地區之間，存在著很大的差異，要在全球部署工業網路設備，必須支援各式各樣的協定。RX72M解決方案包括每個區域使用的主要協定，讓使用者可以馬上評估工業網路連線設備。客戶可以聚焦在自己的應用產品開發工作，同時加強其在全球產品部署上的競爭優勢。 瑞薩在全新的RX72M解決方案中，還提供範例軟體，並與夥伴合作，提供可銷售和支援量產的協定，來支援客戶從開發到量產的過渡。

盛群(Holtek)推出全新二款晶片BC45F7930/BC45F7940 Sub-1GHz超外差射頻接收12V High Current Flash MCU，具有高穩定性及絕佳的效能優勢，搭配Holtek RF團隊無線技術支持，可快速切入，例如智能晾衣架、車庫門、智能家居、管狀電機等之無線接收產品應用。 BC45F7930/BC45F7940 MCU皆內建12V高壓電路，可直推12V繼電器及12V蜂鳴器用來產生美音輸出；1個5V LDO輸出，可提供小家電顯示板電源。BC45F7930的資源包含2K×16 Program Memory、128×8 RAM、64×8 True EEPROM。BC45F7940具備4K×16 Program Memory、256×8 RAM、128×8 True EEPROM。RF接收頻段為300MHz~935MHz Sub-1GHz ISM頻段，射頻特性符合ETSI/FCC規範。只需外掛一顆16MHz晶振，具有低接收功耗：3.2mA@433MHz；高接收靈敏感度：-112dBm@10Ksps，最高傳輸速率達20Ksps。BC45F7930/BC45F7940工作溫度範圍-40℃~85℃，採用46QFN封裝，高集成度能精簡PCB外部高壓驅動零件及LDO，有效降低BOM Cost。  

因此，如果有了踩腳的壓力大小就可以分辨出在遊戲的過程中，是否以正常的走路亦或是躡手躡腳方式前進；再者，如果有了腳底各點的力大小，亦可形成一個方向的標示，也就可以得知使用者的行徑方向。 而作為一個熱衷於遊戲的玩家，多了一個感測器就像是多了一顆按鍵的鍵盤，只要有越多的不同的訊號輸入就可以越來越貼近人體操作。換言之，只要多了一對腳部感測裝置，就可以使VR裡的角色做出更多符合現實人體所做出的相對應動作。這也意味可讓遊戲往下一個真人模擬世代前進。 添加肢體感應強化VR遊戲體驗 隨著科技的進步，人們漸漸地意識到身體健康的重要性，但是工作的繁忙，使得大部分的人只有少數的假日，以至於沒有多餘的時間去安排一些運動活動。而這少數的假期又因為工作的勞累或是需要待在家裡陪伴親愛的家人，甚至是因為天氣太熱，變成了不想出門運動的理由。 因此，本文想利用薄膜壓力感測器製作可偵測腳底壓力的互動VR裝置，再配合遊戲的互動操作。這樣不僅可以和家人一起遊玩，也可以抒發工作所累積的壓力，更不用擔心因為天氣太熱而中暑，或是因為下雨而掃了興致。 同時，以往的遊戲是利用鍵盤滑鼠在螢幕上做操控，現在則是轉為手把及搖桿來當輸入裝置，並且螢幕輸出改為虛擬實境頭戴裝置，進而將遊戲產業提高的一個不同的層次。 不過，對遊戲玩家來說，虛擬實境遊戲雖能夠讓使用者以肉眼感受到遊戲世界，但跟現實的感知相比還是略有不足。例如，玩家只能在定點上玩遊戲，被追趕時，不能用使用現實雙腳來驅動遊戲內的角色跑步。因此，此設計將腳底壓力感測裝置加入操控器的一部分，藉此來實現可以與遊戲內的角色同步腳部動作，增添遊戲的樂趣。 換句話說，現在的VR遊戲日益增加，但市面上的遊戲使用介面大多以雙手感應來體驗遊戲，較少有其它的肢體感應。因此，為了追求更完善的體驗感覺，因而做出可以讓使用者使用雙腳的壓力與互動操控方式來提升遊戲樂趣的作品。以下列出本產品之相關特色： ．以往的VR裝置都是手部或頭穿戴裝置，腳部裝置很少。 ．腳部感測裝置體積小且輕，可方便使用者穿戴。 ．使用的感測器體積較薄，穿戴時不易有感覺異物。 ．透過HID技術將感測結果轉為鍵盤的指令，不必再安裝其他程式分析指令。 ．藉由九軸和腳底壓力感測器來感測使用者行走的方向、速度或模式。 ．Unity遊戲內的角色透過接收裝置的指令作出與使用者相似的行動。 ．腳部感測裝置能充電並非一次性使用。 ．安裝腳底壓力感測裝置的鞋墊可藉由裁剪符合使用者的腳部大小。 ．腳部感測裝置利用RF傳輸資料，方便架設與使用。 腳底互動裝置設計要素 本產品使用盛群旗下的HT66F2390與UART、SPI、I²C、HID、FSR與九軸感測器等元件與技術，以下將一一說明。 UART串列介面 UART是一種通用非同步收發傳輸器，通常稱作UART，是電腦硬體的一部分，可將資料由串列通訊與並列通訊間作傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232)的連結上。在串列傳輸通訊協定的格式內容，每一個符號由四種資料共11個位元所組成，共分為： ．起始位元(Start Bit) ．資料內容(Data) ．奇偶同位元檢查碼(Priority Bit) ．停止位元(Stop Bit) 如圖1所示，資料透過FIFO(First Input First Output)的方式，由最低有效位元LSB(Least Significant Bit)開始傳輸直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)，但奇偶同位元(PB)可以選擇忽略不使用。 圖1　UART資料傳輸格式示意圖 SPI 串列介面 SPI為一主從式架構，通常有一個主機端(Master)和一或多個隨從端(Slave)，連接方法及內部硬體構造如下圖2所示；而SPI工作模式一共4種，其詳細的時序圖可參考圖3所示： 圖2　SPI硬體構造圖 圖3　各種工作模式下的SPI時序圖 其中，圖3的SCLK可藉由軟體定義CPOL=0或1，並分別使SCLK在不工作時，準位保持在0或1。而CPHA可控制Master的SPI暫存器讀值或傳值在SCLK的正緣或負緣觸發。 在一般的情況下，Slave只會支援一種工作模式。因此，Master端必須要把工作模式設定成與Slave端一樣，並且事先確認Master與Slave是使用相同的模式進行操作。 目前較常用的操作模式為1或3。此外，還須注意SS訊號負緣對於大多數的Slave晶片使用來識別Master送來的第一個bit，所以盡量不是直接把SS接地。 I2C串列介面 I2C串列傳輸包括四個部分：起始訊號、設備位址發送、數據傳送和停止訊號。相關特性如下所列： ．只能Master<->Slave，無法Slave<->Slave，每個Slave都要有一個特定且唯一的位址。 ．START狀態：SCL=High且SDA為負緣。 ．STOP狀態:：SCL=High且SDA=為正緣。 由Master發送起始訊號來開始通訊，所有的Slave Device接收到起始訊號後會進入接收數據模式。緊接著，Master需要發送通訊目標設備的位址及R/W資訊。目前的規範是提供兩種位址模式：7-bit和10-bit。 此外，須注意的是，只能Master<->Slave，無法Slave<->Slave，每個Slave都要有一個特定且唯一的位址，且由Master發送起始訊號來開起通訊，所有的Slave裝置接收到起始訊號後會進入接收數據模式。緊接著，Master需要發送通訊目標設備的位址及R/W資訊。 Unity軟體 Unity軟體是一套跨平台的遊戲引擎，可開發執行於PC、Mac OS單機遊戲，或是iOS、Android手機或平板電腦的遊戲。Unity也可開發線上遊戲，只需在網頁瀏覽器安裝外掛程式後即可執行Unity開發的遊戲。此外，Unity亦可用於開發PS3、XBox360、Wii遊戲主機上的遊戲。 本團隊利用免付費的模組及資源來設計能與本系統配合之遊戲。其中，Unity能藉由C#抓取鍵盤所傳送的按鍵值，藉由模擬鍵盤來操作遊戲中的角色，並將遊戲中的溫度、振動與電擊等，回傳到具備互動操作的手套，實現超越一般「虛實」體驗與體感互動系統設計的功能。 USB HID人機介面裝置 USB HID設備是直接與人互動的設備，例如鍵盤、滑鼠與搖桿等，具有以下功能。 ．模擬鍵盤、滑鼠輸入指令。 ．不需加裝其他特殊驅動程式，裝置插上即可使用。 ．能遊玩眾多使用鍵盤及滑鼠操作之遊戲。 ．可提供跨平台之操作，方便安裝與移植。 腳底壓力感測器 圖4為力敏電阻(FSR)工作原理，腳底壓力感測器是由3片FSR組成，其功能為： 圖4　FSR 工作原理圖 ．是一個可以根據受力大小產生不同電阻變化的元件。 ．隨著力量的增大，電阻會逐漸變小。 ．力量和電導(conductance=1/r)成正比。 九軸感測器 九軸感測器共包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計，其中，三軸加速度計與三軸陀螺儀說明如下。 根據牛頓第二定律，物體加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比，與其質量(kg)成反比，而加速度方向與合力相同。值得注意的是，加速度計的作用力檢測機制擷取了作用力產生的加速度，所以加速度計實際測量的是力，而不是加速度。也即是加速度計是藉由檢測施加在其中一個軸向的作用力來間接測量加速度。 加速度計也是一種包括孔、空腔、彈簧和通道等以MEMS微型製造加工的機電裝置。而加速度計採用多層晶圓製程，以物體重心相對於固定電極的位移來測量加速力。 陀螺儀是一種用來感測與維持方向的裝置，基於角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子所構成，陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。而陀螺儀多用於導航、定位等系統。 無線收發晶片NRF24L01 NRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM頻段的收發晶片模組，最大0dBm發射功率，在空曠的地方進行傳輸時，則可以達到100公尺的傳輸距離，並且支援六通道的資料接收。以下，為此模組的基本規格： ．工作電壓(Vcc)：1.9~3.6V，建議3.3V。 ．發送模式下，電流耗量(0dBm時)：11.3mA。 ．接收模式下，電流消耗(傳輸率2Mbps時)：12.3mA。 ．內置2.5G天線，體積輕小。 ．當工作在應答模式通訊時，快速的空中傳輸及啟動時間，極大的降低電流消耗。 ．具有自動重發功能，可由軟體控制重發次數及重發間隔時間。 ．在接收到有效資料後，模組自動發送應達訊號，減少單晶片進行程式檢測時間。 腳底互動裝置結構解析 如圖5所示，是本產品方塊示意圖。本產品採用盛群的HT66F2390 MCU作為腳部感測裝置的核心元件，且在腳部(左腳與右腳)感測裝置有鋰電池可以供電給HT66F2390和NRF24L01模組。 圖5　整體系統方塊示意圖 其中，分別使用HT66F2390的ADC、I2C、GPIO及SPI的介面功能，並且分別讀取腳底壓力感測器、控制九軸感測器與NRF24L01。 如圖6所示，為本系統之硬體架構圖。發送端的腳步裝置包含左右腳部分，都是由HT66F2390、九軸感測器、壓力感測器及NRF24L01元件所組成。 圖6　整體硬體架構示意圖 其中，HT66F2390將會透過I2C介面讀取九軸感測器的數值，以及使用ADC的方式讀取壓力感測器的數值。最後，將這些資料整理存入陣列後，由SPI將資料送給NRF24L01，再由NRF24L01將資料發送給接收端。相對地，接收端則利用NRF24L01來接收從腳底壓力感測裝置所傳出的資料並加以進行判斷，爾後再將相符的鍵值透過USB HID介面傳送至遊戲中控制。 如圖7所示，為腳部感測裝置的電路Layout圖。將NRF24L01置於最右側執行無線傳輸，並將開關、LED、micro USB放置於左下角，便於操作，而實際整體電路板則是放置在鞋墊邊緣，以方便操作。圖8為本作品軟體流程圖。當遊戲一開始，首先判斷玩家所踩踏出之壓力數值來模擬遊戲上的動作，使玩家在遊戲裡的角色得以移動，經過層層闖關及完成挑戰。 圖7　腳底壓力感測裝置的電路layout圖 圖8　腳步感測裝置之NT66F2390系統流程圖 驗證/測試確保腳部感測裝置順利運作 本產品是透過NRF24L01之間互傳資料，並使用HID技術將資料轉為鍵盤的指令，而相關的執行結果先由UART觀察是否正確以避免錯誤的數據傳輸，實際測試方法如下所列。 腳部感測裝置是將九軸感測器與腳底壓力感測器透過NRF24L01傳給PC主機的接收端。而為了確保資料正確接收，於是透過UART將NRF24L01所收到的資料利用XCTU顯示。 圖9為NRF24L01之間互傳資料示意圖，其中，傳送的資料共11bytes，依順序為九軸感測器的加速度計X、Y、Z軸、陀螺儀的X、Y、Z軸、腳底壓力感測器的壓力數值以及左右腳符號與換行符號。 圖9　NRF24L01之間互傳資料示意圖 如圖10所示，使用I2C傳輸協定來對九軸進行讀取與寫入暫存器的動作。首先，要先傳九軸的地址並加上是要讀取還是寫入，緊接著，九軸會回傳一個ACK的訊號，代表它接收到了。緊接著，就可以繼續之後的動作，看是要寫入或是讀取暫存器，並使用孕龍分析儀檢測傳輸的資料是否正確。 圖10　MPU9250傳輸格式示意圖 當PC主機的接收端收到資料後，將進行資料的判斷，並依照判斷的結果透過USB HID將相符合的鍵值送入到遊戲軟體中。其中，如圖11所示，利用XCTU來顯示由USB HID傳入的鍵值。 圖11　USB HID技術模擬鍵盤的指令畫面圖 當腳部感測裝置沒電時，可利用micro...

盛群(Holtek)針對行動電源領域，新推出BP45F4MB Flash微控制器，完整支援行動電源所需功能。BP45F4MB提供單節鋰電池充電及放電功能與電量指示，OVP、OCP提供電池在充電及放電時，過電壓、過電流之保護；互補式PWM輸出直推外部PMOS及NMOS，實現同步整流升壓或降壓的功能，轉換效率最高可達94%。非常適用於單節鋰電池行動電源的應用。 BP45F4MB內建2.4V±1%基準電壓源作為ADC、過電壓保護(OVP)、過電流保護電路(OCP)的參考電位，並內建分壓電阻供ADC讀取電池電壓與輸入/輸出電壓，也提供Pull-High、Pull-Low電阻給PMOS、NMOS使用，節省外圍零件，縮小產品PCB尺寸面積。 BP45F4MB其他MCU資源包含2K×16 PROM、128×8 RAM、工作電壓2.5V~5.5V，I/O方面具有18個多功能引腳，內建HIRC 30MHz與LIRC 32KHz、7個通道12-bit ADC、1個10-bit PTM、1個16-bit STM，並提供16-Pin NSOP以及20-Pin SSOP兩種封裝形式。

由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷推陳出新，且功能不斷的增強；同時各種控制方法與理論也不斷出現，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，也開始新一輪的研究開發。本篇文章嘗試使用盛群半導體的HT32F52352微控制器(MCU)作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 IC技術提升有助氣壓馬達發展控制 氣壓系統在產業自動化中，屬於低成本自動化的領域，在各製造業中被廣泛應用，如自動進料退料系統、包裝機械、塑膠射出機、IC插件機、高速研磨機等，對於省力化、少人化的自動生產系統，扮演著極重要且基本的角色，同時氣壓系統若搭配適當的機構、感測器及電動機控制即是機電整合(Mechatronics)。 氣壓系統致動器依其運動方式之不同，可分為產生直線運動之氣壓缸、產生旋擺運動之氣壓旋擺器與產生迴轉運動之氣壓馬達。其中氣動馬達(Air Motor)與電氣馬達相較，氣動馬達有如下特性： 1.可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。 2.起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。 3.轉速的選擇範圍大。 4.受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。 5.超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。 6.重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。 雖然氣動馬達有上述之優點，但是由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣動馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。 然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新，與功能不斷的增強；此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，如今也可以來研究開發。 目前國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少，有學者使用DSP based之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制，有的則採用參考模型適應性控制(Model Reference Adaptive Control)進行氣動馬達轉速伺服控制。 上述研究分別採用價格昂貴之DSP與PC作為氣動馬達控制器之硬體，同時其控制器法則通常為複雜結構(Complex Structure)且需複雜演算，不易安裝於一般之工業控制器內。所以本研究以實際工業控制應用為考量，嘗試使用盛群半導體公司微控制器HT32F52352 MCU作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。 氣動馬達種類與原理 本篇文章將以實際商品研發為目標，研究開發氣動馬達伺服控制系統，其中包括： 1.氣動伺服馬達系統設計與製作。 2.以HT32F52352晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器設計與製作。 3.HT32F52352 MCU Based氣動馬達精密伺服。 其與電氣馬達伺服控制作一對應比較，示意圖如圖1所示。 圖1　氣動與電氣馬達伺服控制系統比較圖 氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成旋轉的機械能的裝置，在氣壓傳動中使用最廣泛的是葉片式和活塞式氣動馬達。葉片式氣動馬達主要由1為轉子，2為葉片，3為進出氣孔，4為氣缸體等零件構成(圖2)。上有進、排氣用的配氣孔槽，轉子上銑有長槽，槽內有葉片。定子兩端有密封蓋，密封蓋上有弧形槽與進、排氣孔及葉片底部相通，轉子與定子偏心安裝。這樣由轉子的外表面、葉片(兩葉片之間)、定子的內表面及兩密封端蓋就形成了若干個密封工作區。 圖2　葉片式氣動馬達的構造示意圖 圖3為一小型活塞式氣動馬達，是一種通過曲柄或斜盤，將若干個活塞的直線運動轉變為回轉運動的氣動馬達。按其結構不同，可分為徑向活塞式和軸向活塞式兩種。活塞式氣動馬達適用於轉速低、轉矩大的場合。其耗氣量不小，且構成零件多，價格高。其輸出功率為0.2~20kW，轉速為200~4,500r/min。活塞式氣動馬達可用作傳送帶等的驅動馬達，圖4為活塞式氣動馬達的構造示意圖。 圖3　小型活塞式氣動馬達 圖4　活塞式氣動馬達的構造示意圖 氣動馬達控制系統架構 MCU Based氣動馬達轉速伺服控制器主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTO MPYE-5-1/8)、輪葉式氣壓馬達(TONSON V1-L)、光學旋轉編碼器(HTR-W-500)、伺服控制器(核心為HT32F52352晶片)、個人電腦及相關運動控制電路所構成。其系統架構圖，如圖5所示。 圖5　氣動馬達控制系統架構圖 氣動馬達伺服控制，其工作原理(MCU Based閉路控制)詳述如下： 使用者使用調速旋鈕(VR1)設定之氣動馬達轉速值，HT32F52352 MCU Based伺服控制器計算相對應之控制量，經伺服控制器內運算放大電路送出0~5V電壓至比例閥，比例閥依照輸入的電壓大小控制高壓空氣進入氣動馬達之流量，使得氣動馬達按照期望之轉速運轉。最後，經由光學編碼器的量測送出方波訊號至速度轉換器轉換為類比電壓訊號0~3V傳輸至伺服控制器，伺服控制器再根據此回授轉速值以及內建控制法則(Control Law)，調整輸出類比電壓訊號，進而達到氣動馬達轉速閉迴路控制。 其中位於氣動馬達出入口之兩只快速排氣閥，其功能是使氣動馬達排氣不再經由5/3氣壓比例閥排氣，而是經由快速排氣閥較大口徑排氣口排氣，由於氣動馬達排氣是經由最短路徑排放，阻力最小，氣動馬達背壓減小，因此氣動馬達轉速大幅增加。氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖，如圖6所示。 圖6　氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖 在對氣動馬達系統進行伺服控制器設計之前，本文將以實際實驗資料對氣動馬達進行開路系統鑑別，其目的是將氣動馬達轉動動態方式，此一非線性函式以一線性回授控制系統型式表示之，以便後續伺服控制分析與設計。本文設計之氣動馬達系統鑑別方塊圖如圖7所示。 圖7　氣動馬達系統鑑別方塊圖 此一MCU Based的氣動馬達轉速伺服控制器，乃是使用兩顆盛群HT32F52352的微控制器作為運動控制核心，其主要功能有二項： 1.第一顆微控制器對氣動馬達，進行功能控制，包括LCM操作功能顯示、讀取功能鍵訊號。 2.第二顆微控制器根據功能設定，對氣動馬達進行轉速伺服控制。 MCU位居氣動馬達控制核心 主要是由HT32F52352晶片與運算放大電路所構成，方塊圖如圖8所示，功能分述如下： 圖8　MCU 控制驅動電路方塊圖 1.HT32F52352晶片擔任主控制器的任務，根據功能選擇開關輸入(1組4連動開關)，讀取輸入電壓值(ADC1~4)，進行不同功能氣動馬達控制。 2.放大電路，使用741運算放大器將0~3V電壓放大0~5V，送至比例閥。 MCU速度顯示器電路 主要是由HT32F52352晶片、與一LCM顯示器電路所構成，其工作原理詳述如下。因本氣動馬達最大轉速為6,000rpm，所以採用一LCM顯示器來顯示轉速，此LCM顯示器之8bit資料匯流排與PortB連接，4bit控制匯流排與PortC連接，HT32F52352晶片讀取速度轉換器送來之電壓並計算相對應之轉速並顯示轉速。 MCU Base馬達測試結果 本文將作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與HT32F52352晶片部份進行個別實機測試，最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。 首先是氣動馬達系統組裝與測試，氣體壓力設定為4bar，由電源功供應器提供0~5V直流電壓給5/3比例控制閥，改變氣體壓力，量測氣壓馬達的轉速特性。 接著是速度轉換器校正與測試，使用波形產生器產生不同頻率之方波給轉速轉換器(Frequency to...