Circuit Cellar嵌入式科技 國際中文版 No.9

本期內容主軸主要圍繞於微控制器與各類型感測器與轉換器(電路)在不同應用層面，例如手套控制繪圖介面、觸控感測電子系統、電子荷重元、物件追蹤、免電源顯示技術、無線連網等多元化應用的實作技巧與注意細節上。除此之外，本期並特別為讀者報導一年一度全台最大的Maker盛會 – Maker Faire Taipei 2017台北創客嘉年華，讓讀者快速掌握最新Maker界趨勢走向、設計主軸、創意能量與整個生態系狀況。再者本期報導觸角並延伸至測試優先嵌入式軟體開發、如何DIY輕量型作業系統等精彩議題中。

本期封面故事《穿戴式神奇畫板改造術 - 全功能手套控制繪圖介面實作攻略》中，一群康乃爾大學的工程師決定打造有55年歷史之神奇畫板此一經典玩具的數位穿戴版本，並在文中詳細解說如何設計此創新系統的軟、硬體。

特報1《Maker Faire Taipei 2017台北創客嘉年華會後報你 - 為Maker創意灌注設計美學新能量》中將為讀者直擊介紹一年一度台灣Maker界的最大盛會Maker Faire Taipei 2017台北創客嘉年華，今年此盛會特別於11月3日到5日假華山1914文化創意產業園區盛大舉辦，並匯集了來自國內外Maker社群、相關產業、教育機構、官方組織等專家、技術、成果與產品，更首度領先全球推出以「創客藝術」為主題規劃的創客藝術展覽特區。特報2《簡化應用程式的控制 - 輕量型作業系統DIY》作者Fabio特別介紹如何在Renesas的RL78微控制器上寫了一個先佔式工作排程器。特報3《客製化電容式觸控感測》作者Nick解釋了如何利用多重的可程式及隨機狀態來設計一個有觸控感測功能的節日裝飾品。特報3《輕鬆擷取電子荷重訊號 - 打造荷重元轉換電路》特別闡述何建構一個荷重元轉換電路並從中添加一個LCD螢幕的竅訣與方法。

再者，本期「社群人物」單元特別專訪Matrix公司執行董事John Dobson，這是一家專門推出適用於教育界與工業界使用的流程圖導向電子整合開發環境軟體的廠商，此外並推出各種電子學教具、可程式邏輯控制器及機器人。本文特別針對該公司營運方向與Maker市場相關技術及需求走向做深入淺出的報導。

本期「完美工程師」專欄《位移/位置感測器(1) - 距離/位置相關之電子輸出量測技術》中將會帶領讀者一同檢視各種可產生距離或位置等相關電子輸出的量測技術。在「創客工作台」專欄裡將報導《免電源顯示技術(1) - MCU與E-Ink顯示模組之界接》，將探討如何將微控制器連接到2.7吋e-Ink顯示模組，並顯示出選單的技巧。至於本期「疑難終結者」專欄中作者將嘗試從另一個層面來專文介紹《ESP8266基礎技術認知》。

另外「悠遊物聯網」專欄將延續上期主題進入《物聯網面面觀(3) - 透過微控制器無線連網》，作者將進一步詳細介紹將簡易裝置無線連接到網際網路上的方法。在「元件追新族」專欄裡本期將介紹《開源電路輔助設計軟體KiCAD(2) - 電路板佈局設計與輸出》，本期重點會放在如何透過KiCAD指定電路零件的包裝以及電路板的佈局設計。本期「科技大未來」專欄中，本雜誌特別為讀者報導《測試優先嵌入式軟體的未來》，作者在文中筆者並認為未來測試優先開發將被嵌入式軟體開發人員更廣泛地採用，所特別開闢專文嘗試該開發技術與軟體的重要性與投入上需要注意的環節及可資運用的相關資源。
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。

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
讓初學者與工程師不斷精進的學習利器
專訪Matrix公司執行董事John Dobson

CoverStory
穿戴式神奇畫板改造術 - 全功能手套控制繪圖介面實作攻略

Features
特報1：Maker Faire Taipei 2017台北創客嘉年華會後報 -為Maker創意灌注設計美學新能量

特報2：簡化應用程式的控制 - 輕量型作業系統DIY

特報3：客製化電容式觸控感測

特報4：輕鬆擷取電子荷重訊號 - 打造荷重元轉換電路

Columns專欄
完美工程師：位移/位置感測器(1) - 距離/位置相關之電子輸出量測技術

創客工作台：免電源顯示技術(1) - MCU與E-Ink顯示模組之界接

疑難終結者：ESP8266基礎技術認知

悠遊物聯網：物聯網面面觀(3) -透過微控制器無線連網

悠遊物聯網：流程雲端化(2) - 將人工驗收作業轉化成條碼掃描

Future
測試優先嵌入式軟體的未來

Industry
元件追新族：開源電路輔助設計軟體KiCAD (2) - 電路板佈局設計與輸出

<封面做事>穿戴式神奇畫板改造術 - 全功能手套控制繪圖介面實作攻略
我們在康乃爾大學ECE4760課程的期末專題中，設計並打造了一個在2.2吋Adafruit LCD螢幕上模擬經典玩具神奇畫板，並且利用手套操作的系統（如主圖所示）。當初決定專題題目時，目標是打造一個利用到課堂上教過的技術、有趣又有創造性的裝置。1960年登場的神奇畫板是可以跟人互動以展現某些藝術能力、很容易上手的玩具。專題的設計利用了Microchip的PIC32微控制器，最後成功地實作了容易操作的模擬神奇畫板。圖案會顯示在LCD螢幕上，還有多種顏色可以選擇。必須先聲明的是，雖然此專案發想自有專利的神奇畫板，但是我們跟神奇畫板或類似產品並無任何關聯。

硬體設計
專案使用一系列的軟硬體技術以處理使用者即時的類比輸入，還包括I2C等通信功能。資料由手套產生，手套本身有5個Spectral Symbol的彎曲感測器，及一個InvenSense的MPU-6050陀螺儀/加速度計。彎曲感測器就像一個可變電阻，當手指彎曲時電阻就會增加。利用分壓器得到的類比電壓再被輸入PIC32，接著利用內部的ADC（類比數位轉換器）轉成數位信號。MPU-6050產生x、y、z軸的加速度及角速度值輸出，這些值再經由I2C通信協定傳給PIC32。操作手套產生的資料讓繪圖函式得以在LCD上畫出使用者的輸入圖形。圖1是硬體的資料流程圖。

<創作工作台>免電源顯示技術(1) - MCU與E-Ink顯示模組之界接
很顯然的，「電子墨水」中並沒有真正的墨水。當環境光增加時，該反射技術會增加對比度。至於其畫素概念則類似於繪圖型液晶顯示器(Graphic LCD)。由使用者負責確定每個畫素的狀態。其與字元型液晶顯示器(Character LCD)不同，後者畫素會用於固定（通常為5×7）的畫素陣列中，以建立簡單的英數字元(Alphanumeric Characters)，該顯示器的整個畫素陣列會被當成一個圖像。至於純文字的顯示，使用者就必須將純文字繪製成圖來加以顯示。這通常會在外部完成，結果會以圖片來顯示。當使用繪圖型LCD時，實際上可以更改LCD上的個別畫素來改變所顯示圖像的一部分。透過電泳顯示(Electrophoretic Display, EPD)，會讓局部圖像的更新變得不甚容易。

接下來讓我們先來檢視一下在此所採用的技術吧！使用者最有可能見過高速公路上提供警示訊息的可攜式與固定式看板。這種專門設計成電子更新的顯示系統不需要為靜態狀況提供電力。它是一個透過對比色的表面來翻轉畫素的機械系統。每個畫素由電磁鐵(Electromagnet)來控制，該電磁體可以翻轉畫素以顯露其暗面或亮面。與字元型LCD相類似的是，畫素是以5×7畫素群組來加以配置。因此，可以透過選擇適當的畫素組合來顯示純文字訊息。

EPD在靜態模式下具有相同的特性。他們不需透過電力來保持在某個設定狀態下。電子墨水畫素會對位於外部透明前電極(Front Electrode)與內部背電極(Back Electrode)之間的正負電荷做回應，而不是電磁體。

電極對(Electrode Pairs)之間是含有許多微小黑白球體的微膠囊。其中，白色球體帶正電，黑色顆粒則帶負電。這些球體懸浮在黏性液體中，這使得它們能夠基於電極的外部電荷而在膠囊內移動（參見圖1）。