嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 設 計 與 建 構 Design and Implementation of an Embedded Remote Electronic Measurement System 研 究 生 : 許 丞 佑 Student : Cheng-Yu Hsu 指 導

天 主 教 輔 仁 大 學 電 子 工 程 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文 指 導 老 師 : 白 英 文 博 士 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 設 計 與 建 構 Design and Implementation of an Embedded Remote Electronic Measurement System 研 究 生 : 許 丞 佑 撰 中 華 民 國 九 十 五 年 七 月

嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 設 計 與 建 構 Design and Implementation of an Embedded Remote Electronic Measurement System 研 究 生 : 許 丞 佑 Student : Cheng-Yu Hsu 指 導 教 授 : 白 英 文 博 士 Advisor : Ying-Wen Bai, Ph.D. 輔 仁 大 學 電 子 工 程 學 系 碩 士 班 碩 士 論 文 A Thesis Submitted to Department of Electronic Engineering College of Science and Engineering Fu Jen Catholic University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electronic Engineering July 2006 Taipei, Taiwan, Republic of China. 中 華 民 國 九 十 五 年 七 月

嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 設 計 與 建 構 學 生 : 許 丞 佑 指 導 教 授 : 白 英 文 博 士 輔 仁 大 學 電 子 工 程 學 系 碩 士 班 摘 要 在 本 文 中, 我 們 提 出 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 設 計 與 建 構, 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 主 要 整 合 了 一 般 電 子 實 驗 常 見 的 儀 器, 提 供 操 作 者 對 於 量 測 電 子 電 路 時 的 設 備 通 常 一 般 的 電 子 量 測 設 備 都 非 常 昂 貴, 一 般 人 無 法 輕 易 地 接 觸 到 這 類 的 電 子 量 測 儀 器 當 使 用 者 想 要 學 習 電 子 實 驗 或 是 工 程 師 想 要 檢 測 電 路 系 統 架 構 的 時 候, 必 須 在 具 有 量 測 儀 器 的 實 驗 室 中 才 有 辦 法 進 行 量 測, 由 於 電 腦 系 統 和 網 路 的 軟 硬 體 技 術 進 步, 遠 端 電 子 測 量 系 統 需 要 使 用 更 現 代 的 技 術 重 新 設 計 以 適 應 不 同 操 作 環 境, 例 如 : 視 窗 化 的 使 用 者 介 面, 有 線 或 是 無 線 的 網 路 傳 輸 以 及 和 嵌 入 式 系 統 本 論 文 分 成 幾 個 部 分 討 論, 遠 端 電 子 量 測 系 統, 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 其 雜 訊 抑 制 效 能 一 個 好 的 量 測 系 統 在 波 形 上 需 要 有 著 較 好 的 雜 訊 抑 制, 所 以 我 們 比 較 不 同 雜 訊 抑 制 的 方 法, 並 且 提 出 一 套 較 佳 的 方 法 來 抑 制 所 量 測 到 波 形 中 的 雜 訊, 以 期 達 到 更 好 的 量 測 波 形 品 質 i

Design and Implementation of an Embedded Remote Electronic Measurement System Student : Cheng-Yu Hsu Adviser : Ying-Wen Bai, Ph.D. Department of Electronic Engineering Fu Jen Catholic University ABSTRACT In this paper, we propose a design and Implementation of an Embedded Remote Electronic measurement system. An Embedded Remote Electronic Measurement System integrates the popular instruments in an electronic laboratory for users to operate. Usually, the electronic instruments are expensive and cannot be easily accessed by a needed patient. When users want to perform electronic experiments or an engineer wants to maintain the circuits, they only can operate this measurement system in a laboratory. Moreover, due to the improvement both of current software and hardware technology of computer systems and networks, a remote electronic measurement system needs to be redesigned by using more modern technologies, such as: a Windows-based GUI, both the Internet and wireless networks, and an embedded circuit board. Hence, our project is separated into several sections: a remote electronic measurement system, an embedded circuit board, and reduced noise. The performance of the measurement system needs to provide a high quality level of reduced noise. We integrate different kinds of reduced noise functions and make a better noise function reduction, and expect to attain a better quality of measured waveforms.. ii

誌 謝 感 謝 曾 經 幫 過 我 的 每 一 個 人, 感 謝 我 的 家 人 以 及 指 導 老 師 白 英 文 博 士 終 於 把 這 本 論 文 寫 完 了, 在 輔 大 的 生 活 一 步 一 腳 印 的 走 來, 感 謝 許 多 朋 友 的 協 助 與 鼓 勵, 這 六 年 陪 伴 著 我 來 一 起 哭 一 起 笑 一 起 努 力, 更 感 謝 白 老 師 的 教 導 與 付 出, 除 了 在 學 業 上 不 吝 嗇 的 給 予 我 指 導 外, 在 待 人 處 事 上 也 提 供 了 許 多 的 協 助 讓 學 生 受 益 匪 淺 在 研 究 所 的 生 活 中 體 會 到 做 研 究 也 可 以 很 快 樂, 雖 然 有 時 候 遇 到 挫 折 會 想 要 逃 避, 但 只 要 努 力 下 去, 很 多 事 情 都 可 以 迎 刃 而 解, 感 謝 身 邊 的 讀 書 的 日 子 真 的 很 快 樂, 雖 然 有 時 候 有 不 如 意, 考 試 考 不 好 事 情 多 到 做 不 完, 但 是 都 慢 慢 的 我 都 熬 過 去 了, 回 過 頭 來 看 這 段 時 光 卻 有 種 驕 傲 的 感 覺 感 謝 鄭 建 勇 學 長 盧 昭 霖 學 長 黃 永 松 學 長 與 陳 柏 安 學 長 經 常 與 我 分 享 許 多 的 經 驗 談, 更 要 感 謝 在 實 驗 室 的 裕 年 瑞 伯 永 森 與 永 得, 大 夥 一 起 度 過 了 許 多 熬 夜 拼 研 究 的 夜 晚, 還 有 許 多 打 球 的 夥 伴 們, 是 你 們 讓 我 體 會 到 團 結 的 重 要 性, 在 這 段 求 學 路 途 上 能 夠 遇 到 你 們 我 真 的 很 幸 運, 謝 謝 你 們 許 丞 佑 2006/07 輔 仁 大 學 iii

目 錄 頁 次 中 文 摘 要......i 英 文 摘 要 ii 誌 謝... iii 目 錄... iv 表 目 錄. vi 圖 目 錄....vii 一 緒 論.. 1 1.1 研 究 動 機 與 目 的. 1 1.2 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 硬 體 規 劃 簡 介..... 2 1.3 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 硬 體 規 劃 2 1.4 使 用 軟 體 數 位 訊 號 處 理 方 法 抑 制 遠 端 電 子 量 測 系 統 雜 訊 3 1.5 論 文 架 構.3 二 遠 端 電 子 量 測 系 統.. 4 2.1 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構.4 2.1.1 硬 體 模 組 簡 介.........4 2.1.2 軟 體 模 組 說 明.........7 2.1.3 網 路 傳 輸 模 組 說 明....10 2.2 遠 端 電 子 量 測 系 統 模 組 製 作 說 明 原 理... 11 2.3 遠 端 電 子 量 測 系 統 模 組 規 劃 與 頻 寬 探 討... 18 2.4 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 架 構... 21 2.5 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 市 面 產 品 比 較... 25 2.6 遠 端 電 子 量 測 系 統 特 色...26 2.7 製 作 成 果..27 三 以 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 30 3.1 遠 端 電 子 量 測 系 統 簡 介... 30 3.2 嵌 入 式 系 統 概 論 31 3.3 系 統 硬 體 模 組... 32 3.3.1 量 測 介 面 板 模 組...... 32 3.3.2 嵌 入 式 開 發 板 模 組...... 36 3.4 系 統 軟 體 流 程... 37 3.4.1 嵌 入 式 開 發 板 資 料 接 收 與 傳 送 程 式 流 程.....38 3.5 整 體 架 構 延 遲 時 間 分 析 與 討 論... 40 3.6 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 各 產 品 比 較 成 果.. 42 3.7 使 用 多 通 道 提 升 示 波 器 頻 寬.45 iv

3.8 系 統 製 作 成 果. 51 四 使 用 軟 體 數 位 訊 號 處 理 方 法 抑 制 遠 端 電 子 量 測 系 統 雜 訊.. 54 4.1 以 軟 體 方 式 實 現 IIR 訊 號 處 理 概 念.....55 4.2 重 複 量 測 取 平 均 抑 制 雜 訊 方 法 概 念.... 56 4.3 平 滑 方 程 式 雜 訊 抑 制 方 法.. 57 4.4 各 種 方 法 處 理 結 果...58 4.5 探 討 Butterworth 濾 波 器 與 平 滑 方 程 式 處 理 結 果....64 4.6 整 合 Butterworth 濾 波 器 與 平 滑 方 程 式 處 理 結 果....65 五 結 論....68 5.1 遠 端 電 子 量 測 系 統 製 作 結 論... 68 5.2 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 製 作 結 論.68 5.3 使 用 軟 體 數 位 訊 號 處 理 方 式 抑 制 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 雜 訊 結 論.........69 5.4 未 來 研 究 方 向...69 參 考 文 獻. 72 附 錄. 78 v

表 目 錄 頁 次 表 1 8255 控 制 晶 片 腳 位 設 定....13 表 2 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 資 料 傳 輸.22 表 3 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 網 路 環 境 規 格.....23 表 4 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 各 地 傳 輸 所 經 過 的 路 由 器 數 量 比 較 表......23 表 5 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 E T (S) 時 間 表. 23 表 6 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 市 面 上 產 品 比 較 表...26 表 7 嵌 入 式 電 子 量 測 系 統 資 料 規 格 表. 42 表 8 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 各 產 品 比 較 表...44 表 9 嵌 入 式 電 子 量 測 系 統 可 完 成 電 子 實 驗 之 統 計 表...45 表 10 雙 通 道 間 差 取 樣 示 波 器 模 組 與 單 通 道 的 規 格 比 較 表.49 表 11 各 項 示 波 器 模 組 最 大 頻 寬 所 需 的 類 比 數 位 轉 換 晶 片 表...49 表 12 本 研 究 提 出 的 雜 訊 抑 制 方 法 與 其 他 波 形 抑 制 方 法 比 較 表... 67 vi

圖 目 錄 頁 次 圖 1 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖......4 圖 2 遠 端 電 子 量 測 介 面 子 系 統 功 能 方 塊 圖.... 5 圖 3 遠 端 電 子 量 測 系 統 視 窗 程 式 流 程 圖 1..7 圖 4 遠 端 電 子 量 測 系 統 視 窗 程 式 流 程 圖 2.. 8 圖 5 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 流 程...10 圖 6-1 8255A 位 元 設 定 / 清 除 命 令...12 圖 6-2 模 組 0 之 組 態 001 輸 出 輸 入 模 式.12 圖 7 8255_2 與 FIFO 線 路 圖....13 圖 8 介 面 卡 解 碼 電 路 圖... 14 圖 9 AD9708 功 能 方 塊 圖....14 圖 10 AD9708 DC 差 動 輸 出 電 路 圖...... 15 圖 11 DAC0808 數 位 訊 號 轉 類 比 電 壓 線 路 圖......17 圖 12 訊 號 放 大 器 與 位 準 移 位 器 線 路 圖......18 圖 13 AD9057 功 能 方 塊 圖....18 圖 14 數 位 轉 類 比 過 程 圖...19 圖 15 波 形 產 生 器 硬 體 模 組 頻 寬 分 析 圖.20 圖 16 類 比 轉 數 位 過 程 圖.....20 圖 17 示 波 器 硬 體 模 組 頻 寬 分 析 圖.......21 圖 18 網 路 通 訊 協 定 示 意 圖.......22 圖 19 遠 端 電 子 量 測 系 統 遠 端 傳 輸 部 分 的 排 隊 網 路 模 組......20 圖 20 遠 端 電 子 量 測 系 統 伺 服 器 端 網 路 觀 測 軟 體 介 面 圖...25 圖 21 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 體 介 面 圖...28 圖 22 遠 端 電 子 量 測 系 統 操 作 實 際 拍 攝 圖.29 圖 23 以 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖... 32 圖 24 量 測 介 面 電 路 功 能 方 塊 圖......32 圖 25 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 - 波 形 產 生 器 頻 寬 限 制 分 析 圖.....35 圖 26 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 - 示 波 器 頻 寬 限 制 分 析 圖.....36 圖 27 嵌 入 式 波 形 產 生 器 操 作 流 程 圖.....39 圖 28 嵌 入 式 示 波 器 操 作 流 程 圖......40 圖 29 嵌 入 式 電 子 量 測 系 統 時 間 分 派 圖......41 圖 30 使 用 雙 通 道 間 差 取 樣 架 構 圖.......45 圖 31 雙 通 道 間 差 取 樣 圖... 46 vii

圖 32 雙 通 道 間 插 取 樣 波 形 拍 攝 圖...47 圖 33 使 用 多 重 通 道 間 差 取 樣 架 構 圖...48 圖 34 使 用 管 線 架 構 設 計 多 通 道 間 差 取 樣 示 意 圖...48 圖 35 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 之 系 統 頻 寬 與 價 格 對 照 圖...50 圖 36 10X 主 動 式 探 棒 設 計 電 路...50 圖 37 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 開 發 實 體 圖...52 圖 38 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 伺 服 器 端 監 控 軟 體...53 圖 39 IIR 差 分 方 程 式 表 示 圖...55 圖 40 IIR 濾 波 器 各 種 方 法 濾 波 頻 率 響 應 示 意 圖....56 圖 41 Butterworth 頻 率 響 應 下 降 速 度 與 階 層 關 係 圖..56 圖 42 理 想 正 弦 波 輸 出 波 形 圖....58 圖 43 示 波 器 模 組 所 量 測 到 正 弦 波 波 形 圖......58 圖 44 6 階 層 Butterworth 濾 波 器 雜 訊 抑 制 結 果 圖.....59 圖 45 重 複 量 測 15 次 取 平 均 結 果 圖........59 圖 46 五 點 平 滑 方 程 式 抑 制 雜 訊 結 果 圖...60 圖 47 理 想 方 波 輸 出 波 形 圖.......61 圖 48 示 波 器 模 組 所 量 測 到 方 波 波 形 圖...61 圖 49 6 階 層 Butterworth 濾 波 器 雜 訊 抑 制 結 果 圖....62 圖 50 重 複 量 測 15 次 取 平 均 結 果 圖.........62 圖 51 五 點 平 滑 方 程 式 抑 制 雜 訊 結 果 圖.......63 圖 52 示 波 器 模 組 所 量 測 到 方 波 MSE 分 布 曲 線 圖.....63 圖 53 Butterworth 濾 波 器 階 層 與 耗 費 時 間 對 照 圖...64 圖 54 Butterworth 階 層 個 數 與 MSE 關 係 圖....65 圖 55 平 滑 方 程 式 與 正 弦 波 波 形 訊 號 MSE 關 係 圖.66 圖 56 整 合 Butterworth Filter 與 Smooth formula 校 整 波 形 流 程 圖...66 圖 57 各 種 濾 波 方 法 抑 制 雜 訊 結 果 圖.67 viii

第 一 章 緒 論 1.1 研 究 動 機 與 目 的 鑒 於 現 今 電 子 資 訊 產 業 發 達, 學 習 電 子 專 業 的 知 識 已 成 趨 勢 而 在 電 子 專 業 的 學 習 中, 電 子 實 驗 占 了 很 重 要 的 地 位, 許 多 電 子 學 皆 須 靠 電 子 實 驗 來 支 持 驗 證, 並 且 引 用 實 驗 的 結 果 來 證 明 其 論 點 無 誤 在 傳 統 的 電 子 實 驗 室 中, 學 生 必 須 到 實 驗 室 中 操 作 多 台 儀 器 才 可 以 完 成 實 驗, 而 實 驗 結 果 通 常 為 許 多 的 波 形 資 料, 往 往 需 耗 費 許 多 時 間 將 波 形 以 手 動 方 式 描 繪 在 紙 上, 不 但 不 方 便 也 不 甚 準 確 此 外 由 於 實 驗 室 開 放 時 間 有 限, 學 生 實 驗 若 未 完 成 而 需 使 用 實 驗 室, 以 及 在 職 進 修 學 習 第 二 專 長 的 人, 皆 無 法 方 便 地 使 用 實 驗 室, 諸 如 此 類 的 限 制 對 於 想 學 習 電 子 實 驗 的 人 將 是 一 個 時 間 及 空 間 上 的 障 礙 如 果 能 將 這 些 儀 器 的 操 作 藉 由 個 人 電 腦 硬 體 介 面 卡 以 及 軟 體 控 制 的 方 式 來 整 合, 將 量 測 波 形 資 料 以 數 位 的 方 式 儲 存, 並 藉 由 網 路 將 所 量 測 到 之 波 形 傳 送 到 伺 服 器 端 提 供 老 師 及 學 生 參 考, 進 而 形 成 操 作 整 合 之 資 訊 化 遠 端 電 子 實 驗 系 統 [1-11] 只 需 要 透 過 個 人 電 腦 數 位 與 類 比 介 面 電 路 人 機 介 面 視 窗 和 網 路 傳 輸 等 操 作, 即 可 替 代 傳 統 的 信 號 產 生 器 示 波 器 電 源 供 應 器 等 獨 立 量 測 儀 器, 形 成 具 有 相 當 實 用 性 之 遠 端 電 子 實 驗 系 統, 將 學 習 電 子 實 驗 提 升 到 全 面 數 位 化 網 路 化, 提 高 學 習 效 率 再 者, 近 年 來 有 越 來 越 多 的 電 子 產 業 公 司 將 生 產 線 設 置 於 第 三 地, 以 求 降 低 成 本, 根 據 保 守 統 計, 在 2005 年 總 共 有 數 千 家 台 灣 公 司 將 生 產 線 設 置 於 中 國 大 陸, 每 年 也 有 數 萬 名 的 工 程 師 往 返 兩 地 進 行 出 差, 大 部 份 皆 為 進 行 設 計 電 路 修 改 的 工 作, 除 了 工 程 人 員 往 返 兩 地 的 交 通 工 具 支 出 外, 所 耗 費 的 時 間 也 佔 了 大 部 份, 各 公 司 無 不 希 望 能 夠 減 少 上 述 的 支 出, 透 過 儀 器 的 量 測 立 刻 將 電 路 波 形 訊 號 的 詳 細 資 訊 提 供 給 兩 地 的 設 計 工 程 師, 使 其 了 解 問 題 的 所 在, 並 在 第 一 時 間 內 著 手 修 改 電 路 設 計 的 工 作, 縮 短 開 發 的 時 程, 提 升 研 發 團 隊 設 計 工 作 全 面 數 位 化 資 訊 化 以 及 監 控 網 路 化 的 能 力, 而 這 也 是 本 研 究 的 動 機, 並 藉 由 設 計 與 實 作 測 量 電 子 實 驗 的 遠 端 電 子 量 測 系 統, 作 為 研 習 電 子 量 測 系 統 的 目 標 而 本 研 究 嘗 試 將 電 路 所 量 測 到 的 輸 出 訊 號 數 位 化 再 配 合 網 路 傳 輸 功 能, 形 成 遠 端 電 子 量 測 系 統 完 成 電 子 量 測 系 統 的 電 路 研 究 與 製 作, 期 許 能 運 用 便 宜 的 成 本 完 成 現 今 昂 貴 的 電 子 量 測 儀 器 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 1

號, 再 透 過 嵌 入 式 開 發 板 以 網 路 傳 輸 訊 號 波 形, 讓 遠 端 設 計 工 程 師 隨 時 都 能 得 到 所 設 計 電 路 的 相 關 資 訊 1.2 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 硬 體 規 劃 簡 介 為 了 要 建 構 出 一 套 完 整 的 遠 端 電 子 量 測 系 統, 我 們 設 計 了 一 個 以 電 腦 配 合 介 面 板 為 基 礎 的 遠 端 電 子 量 測 系 統, 介 面 板 大 致 上 可 分 為 ADC 模 組 [12-15] DAC 模 組 [13-16] 與 控 制 模 組 [17] 三 大 模 組, 使 用 者 可 在 個 人 電 腦 端 設 定 訊 號 參 數, 透 過 ISA(Industry Standard Architecture 簡 稱 ISA)[18] 並 行 傳 輸 資 料 到 DAC 模 組 並 轉 換 成 類 比 訊 號 提 供 使 用 者 操 作 電 路 量 測 的 輸 入 訊 號, 而 在 量 測 輸 出 訊 號 上, 透 過 ADC 模 組 將 所 量 測 到 的 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 資 料 藉 由 工 業 標 準 架 構 匯 流 排 傳 輸 到 個 人 電 腦 上, 在 個 人 電 腦 上 就 可 以 儲 存 並 顯 示 所 量 測 的 波 形, 還 可 以 利 用 有 線 網 路 或 是 無 線 網 路 的 方 式 將 數 位 波 形 資 料 傳 送 到 遠 端 ( 伺 服 器 端 ), 由 於 資 料 量 並 不 大, 傳 輸 資 料 的 時 間 相 當 短 ; 而 控 制 模 組 主 要 協 調 DAC 模 組 與 ADC 模 組 與 個 人 電 腦 傳 輸 上 的 分 配, 避 免 兩 者 互 相 干 擾 造 成 不 可 預 期 的 狀 況 發 生 除 了 硬 體 設 計 外, 在 軟 體 設 計 上 我 們 使 用 Borland C++ Builder[19-24] 來 撰 寫 訊 號 傳 輸 人 機 介 面 與 TCP 網 路 傳 輸 [25-30] 除 了 建 構 整 體 的 系 統 外, 我 們 也 針 對 傳 統 儀 器 與 市 面 上 較 普 及 的 相 關 儀 器 與 本 設 計 系 統 進 行 個 別 探 討 與 比 較 1.3 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 硬 體 規 劃 有 鑑 於 輸 出 與 量 測 電 子 訊 號 使 用 個 人 電 腦 所 花 的 成 本 與 體 積 太 大, 所 以 採 用 了 嵌 入 式 開 發 板 [31-33] 來 取 代 在 電 子 量 測 中 個 人 電 腦 的 位 置, 嵌 入 式 系 統 具 有 許 多 有 助 於 提 升 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 優 點, 如 特 定 功 能 容 易 貼 近 應 用 需 求 即 時 反 應 等 功 能 一 個 嵌 入 式 的 系 統 通 常 反 覆 執 行 一 個 特 定 的 程 式, 出 錯 的 機 會 比 較 低, 並 且 可 以 減 少 其 他 用 不 到 的 硬 體 成 本 而 在 設 計 上 的 需 求, 嵌 入 式 開 發 板 的 成 本 體 積 效 能 與 功 率 等 等 都 符 合 遠 端 電 子 量 測 系 統 要 求 的 條 件, 嵌 入 式 系 開 發 板 成 本 通 常 比 較 低, 處 理 的 速 度 也 夠 快, 功 率 消 耗 低 在 系 統 反 應 即 時 性 上, 因 為 嵌 入 式 開 發 板 容 易 規 劃 成 特 定 功 能, 所 以 會 比 一 般 系 統 有 較 快 的 反 應 以 及 即 時 性 如 果 採 用 此 架 構 會 使 整 各 系 統 所 需 要 花 的 經 費 減 少 許 多 在 資 料 接 收 端 伺 服 器, 採 用 了 以 資 料 庫 管 理 資 訊 以 及 2

網 頁 功 能, 比 較 容 易 管 理 也 比 較 人 性 化 1.4 使 用 軟 體 數 位 訊 號 處 理 方 法 抑 制 遠 端 電 子 量 測 系 統 雜 訊 簡 介 當 一 個 電 子 量 測 系 統 量 測 訊 號 的 時 候, 所 量 測 的 訊 號 往 往 會 參 雜 一 些 非 我 們 所 希 望 量 測 到 的 干 擾 訊 號, 我 們 稱 之 為 雜 訊, 當 在 進 行 波 形 觀 察 的 時 候 雜 訊 往 往 會 造 成 波 形 訊 號 判 斷 上 的 誤 導, 而 雜 訊 主 要 是 量 測 訊 號 與 量 測 系 統 電 路 非 匹 配 電 壓 源 不 穩 定 與 周 邊 訊 號 互 相 干 擾 等 產 生 的, 而 抑 制 雜 訊 的 方 法 可 分 為 硬 體 端 的 雜 訊 抑 制 與 軟 體 端 的 數 位 訊 號 處 理 來 降 低 雜 訊 [34-36], 希 望 能 夠 提 升 所 量 測 到 波 形 的 品 質 與 準 確 度, 我 們 透 過 無 限 脈 衝 響 應 數 位 濾 波 器 (IIR) [37-40] 過 濾 雜 訊 重 複 量 測 取 平 均 計 算 [41] 與 平 滑 方 程 式 [42-44] 計 算 訊 號 等 方 法 來 針 對 雜 訊 做 計 算 與 實 際 量 測, 並 與 原 始 波 形 做 比 較 找 出 各 種 方 法 的 差 異, 以 及 系 統 在 計 算 上 所 耗 費 的 時 間, 並 且 整 合 上 述 方 法 來 找 出 最 佳 的 抑 制 雜 訊 方 法, 提 升 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 量 測 波 形 的 品 質 1.5 論 文 架 構 本 論 文 提 出 了 將 遠 端 電 子 訊 號 量 測 資 訊 網 路 化, 並 使 用 了 數 位 訊 號 處 理 來 進 行 雜 訊 處 理, 本 論 文 的 架 構 如 下 : 第 二 章 是 遠 端 電 子 量 測 系 統 第 三 章 是 以 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 第 四 章 是 使 用 軟 硬 體 訊 號 處 理 方 法 抑 制 遠 端 電 子 量 測 系 統 雜 訊 第 五 章 是 結 論 與 未 來 工 作, 在 最 後 的 附 錄 一 中 將 我 們 所 設 計 的 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 應 用 在 大 專 院 校 的 電 子 實 驗 課 程 上 的 操 作 介 紹 3

第 二 章 遠 端 電 子 量 測 系 統 在 本 章 節 裏, 我 們 首 先 對 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 基 本 原 理 做 介 紹, 由 電 子 量 測 系 統 的 特 性 我 們 可 以 了 解 如 何 將 數 位 與 類 比 訊 號 互 相 轉 換 並 且 放 大 與 輸 出, 接 著 我 們 建 構 出 一 組 包 含 各 種 儀 器 模 組 的 系 統 搭 配 個 人 電 腦, 經 由 介 面 卡 之 控 制 晶 片 將 電 腦 的 數 位 訊 號 透 過 數 位 類 比 轉 換 器 將 訊 號 輸 出 至 待 測 電 路 上, 再 經 由 類 比 數 位 轉 換 器 將 量 測 波 形 訊 號 數 位 化 傳 輸 給 個 人 電 腦, 在 個 人 電 腦 端 可 將 輸 出 預 覽 波 形 與 量 測 到 的 波 形 訊 號 顯 示 在 螢 幕 上, 並 可 以 將 數 位 化 訊 號 的 波 形 訊 號 資 訊 儲 存 成 檔 案, 透 過 有 線 或 是 無 線 與 遠 端 互 傳 檔 案 資 料 的 設 計 2.1 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖 1 為 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 架 構 圖, 可 以 分 為 近 端 操 作 量 測 與 遠 端 監 控 協 助 兩 部 份, 在 近 端 學 生 透 過 所 設 計 的 介 面 卡 透 過 ISA 可 以 傳 送 與 接 收 波 形 進 行 學 習 電 子 實 驗 的 操 作, 而 透 過 網 路 將 波 形 傳 送 至 遠 端 伺 服 器 中 展 示 波 形 圖 2 則 針 對 所 設 計 的 介 面 卡 分 成 各 種 模 組 進 行 詳 細 地 介 紹, 而 整 體 的 操 作 流 程 可 以 分 成 電 源 供 應 器 波 形 產 生 器 與 示 波 器 三 組 操 作 流 程, 在 電 源 供 應 器 與 波 形 產 生 器 的 操 作 流 程 中, 使 用 者 只 需 要 設 定 相 關 的 參 數 如 電 壓 大 小 波 形 種 類 波 形 振 幅 與 頻 率 等 數 據 後, 程 式 會 根 據 所 設 定 的 值 送 出 數 位 資 訊 提 供 介 面 卡 轉 換 成 使 用 者 想 要 波 形 與 電 壓, 而 示 波 器 只 需 要 選 擇 量 測 頻 率 後 便 會 將 示 波 器 模 組 所 量 測 到 的 波 形 展 現 於 螢 幕 上 提 供 使 用 者 觀 看, 圖 3 與 圖 4 會 有 詳 細 的 整 體 的 流 程 步 驟 操 作 圖 1 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖 4

2.1.1 硬 體 模 組 簡 介 Buffer D/A OP Signal PPI Buffer D/A OP Signal Buffer hardware D/A hardware PC ISA BUS Decoding Circuit PPI PPI D/A Current Amplification Voltage D/A hardware Buffer A/D OP Signal 8255 Buffer A/D OP Signal Interface circuit Buffer hardware Peripheral circuit A/D hardware 圖 2 遠 端 電 子 量 測 介 面 卡 子 系 統 功 能 方 塊 圖 1. 遠 端 電 子 量 測 系 統 電 路 (1) 電 源 供 應 器 [45] 與 波 形 產 生 器 模 組 [46-48] (a) 操 作 模 組 選 擇 選 擇 現 階 段 操 作 何 種 模 組, 選 取 該 模 組 與 電 腦 進 行 資 料 傳 輸 與 控 制, 使 用 多 工 雙 向 晶 片 來 設 定 資 料 的 輸 入 與 輸 出, 並 且 分 派 資 料 避 免 造 成 資 料 傳 遞 至 非 選 取 模 組 而 造 成 其 控 制 錯 誤 發 生 (b) 緩 衝 器 (Buffer) 由 於 輸 出 的 訊 號 頻 寬 與 傳 輸 匯 流 排 (ISA) 的 傳 輸 速 度 是 非 常 不 對 稱 的, 若 輸 出 訊 號 的 頻 寬 小 於 ISA 傳 輸 速 度 並 不 會 造 成 問 題, 但 若 輸 出 訊 號 的 頻 寬 大 於 ISA 的 傳 輸 速 度 即 可 能 會 造 成 資 料 遺 失 波 形 失 真 的 狀 況 發 生, 所 以 透 過 暫 存 器 儲 存 從 ISA 端 傳 來 的 數 位 資 料 並 利 用 其 先 進 先 出 (First Input First Output 簡 稱 FIFO) 與 可 不 對 稱 傳 輸 資 料 的 特 性 來 緩 衝 兩 端 的 速 度, 還 有 另 外 一 個 特 點 在 於 暫 存 器 可 重 複 傳 送 資 料, 在 波 形 產 生 器 模 組 中, 所 送 出 的 波 形 是 連 續 且 持 久 的, 透 過 此 特 性 可 避 免 個 人 電 腦 端 必 須 重 複 傳 遞 數 位 資 料 造 成 對 個 人 電 腦 的 負 擔 (c) 數 位 類 比 轉 換 電 路 5

將 數 位 訊 號 轉 換 成 類 比 的 訊 號, 而 其 取 樣 率 也 就 是 模 組 輸 出 的 訊 號 頻 寬 (d) 訊 號 放 大 器 在 DAC 所 輸 出 的 訊 號 振 幅 大 多 只 有 1Vpp, 並 不 夠 提 供 波 形 產 生 器 模 組 輸 出 使 用, 所 以 我 們 在 後 端 安 置 一 個 訊 號 放 大 器, 將 輸 出 訊 號 從 1Vpp 放 大 至 20Vpp(-10V~+10V) 提 供 波 形 產 生 器 模 組 輸 出 使 用 (e) 電 流 放 大 器 由 於 晶 片 所 能 夠 提 供 的 電 流 非 常 小, 大 約 2mA, 所 以 我 們 必 須 在 後 端 加 入 一 個 電 流 放 大 器, 提 升 輸 出 端 的 電 流 避 免 造 成 電 源 供 應 器 模 組 受 到 待 測 電 路 的 影 響 而 造 成 輸 出 電 壓 不 穩 定 (2) 示 波 器 模 組 [49-54] (a) 訊 號 放 大 器 一 般 示 波 器 所 量 測 到 的 訊 號 振 幅 範 圍 大 約 為 -10V~10V 上, 但 常 見 的 類 比 轉 數 位 晶 片 所 能 接 受 的 輸 入 訊 號 範 圍 為 約 在 2V~3V, 所 以 必 須 將 外 部 最 大 的 輸 入 訊 號 轉 換 成 1Vpp 的 振 幅 範 圍, 並 且 將 訊 號 位 移 至 2V~3V 的 範 圍 內 提 供 類 比 數 位 轉 換 晶 片 轉 換 成 數 位 訊 號 (b)adc 轉 換 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 的 訊 號, 其 取 樣 率 也 就 是 模 組 所 能 夠 量 測 到 的 訊 號 取 樣 頻 寬 基 準, 而 其 位 元 數 的 倒 數 與 電 壓 的 振 幅 乘 積 即 為 該 模 組 的 解 析 度 (c) 緩 衝 器 類 比 轉 數 位 晶 片 所 轉 換 的 速 度 與 ISA 的 傳 輸 速 度 並 非 對 稱 的, 若 類 比 轉 數 位 所 產 生 的 數 位 訊 號 若 大 於 ISA 的 傳 輸 速 度, 資 料 封 包 就 會 造 成 遺 失, 從 個 人 電 腦 端 所 看 到 的 波 形 展 示 便 會 損 毀 不 完 全, 透 過 暫 存 器 儲 存 從 類 比 轉 數 位 端 快 速 傳 來 的 數 位 資 料 利 用 其 先 進 先 出 FIFO 與 可 不 對 稱 傳 輸 資 料 的 特 性 來 緩 衝 兩 端 的 速 度, 可 以 避 免 造 成 波 形 資 訊 遺 失 (d)pc 端 ISA 傳 輸 匯 流 排 硬 體 電 路 與 個 人 電 腦 間 以 ISA 當 作 傳 輸 的 介 面, 由 於 個 人 電 腦 上 都 已 有 附 上 ISA 介 面, 只 要 設 定 雙 方 傳 輸 與 接 收 位 置 就 可 以 使 用 了 6

2.1.2 軟 體 模 組 說 明 圖 3 遠 端 電 子 量 測 系 統 視 窗 程 式 流 程 圖 7

C (16)Initiate Oscilloscope No If press receive bottom Yes (17)Set 8255 Mode Buffer and Input from ADC (18)Display data on screen Composite the Waveform advance If advance function? Yes Network E File C F 圖 4 遠 端 電 子 量 測 系 統 視 窗 程 式 流 程 圖 視 窗 程 式 流 程 圖 說 明 (1) 建 立 新 的 畫 面 以 及 重 新 設 定 (2) 選 擇 操 作 的 硬 體 模 組 (3) 設 定 電 源 供 應 器 提 供 的 電 壓 值 (4) 是 否 按 下 SET 按 鍵 (5) 設 定 8255 定 址 與 電 壓 輸 出 (6) 選 擇 波 形 產 生 器 的 基 本 波 形 (7) 編 輯 任 意 波 形 (8) 設 定 波 形 相 關 參 數 (9) 是 否 按 下 OK 按 鍵 8

(10) 將 預 覽 波 形 展 現 在 螢 幕 上 (11) 波 形 是 否 要 重 新 設 定 (12) 是 否 開 始 輸 出 波 形 (13) 設 定 8255 定 址 與 波 形 輸 出 (14) 是 否 要 儲 存 所 預 覽 的 波 形 (15) 檔 案 處 理 (16) 使 用 示 波 器 模 組 (17) 開 始 接 收 外 部 訊 號 (18) 將 量 測 到 的 訊 號 展 示 在 螢 幕 上 (19) 是 否 要 將 波 形 儲 存 或 是 透 過 網 路 傳 輸 至 伺 服 器 端 9

2.1.3 網 路 傳 輸 模 組 說 明 圖 5 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 流 程 圖 10

視 窗 程 式 流 程 圖 說 明 圖 5 左 為 單 一 客 戶 端 Client 與 伺 服 器 端 Server 連 線 之 客 戶 端 軟 體 流 程 圖 (1) 輸 入 使 用 者 名 稱 伺 服 器 IP 位 置 及 連 接 埠 (Port), 並 且 嘗 試 連 線 (2) 是 否 連 線 成 功 (3) 傳 送 使 用 者 名 稱 至 伺 服 器 端 (4) 接 收 電 路 圖 以 及 波 形 產 生 器 波 形 圖 (5) 傳 送 是 否 成 功 (6) 用 戶 端 是 否 要 求 傳 回 示 波 器 量 測 波 形 (7) 傳 回 伺 服 器 端 量 測 波 形 (8) 傳 送 是 否 成 功 (9) 離 線 圖 5 右 為 單 一 客 戶 端 Client 與 伺 服 器 端 Server 連 線 之 伺 服 器 端 軟 體 流 程 圖 (10) 傳 送 是 否 成 功 (11) 接 收 用 戶 端 的 使 用 者 名 稱 (12) 顯 示 連 線 訊 息 (13) 傳 給 用 戶 端 電 路 圖 以 及 波 形 產 生 器 的 波 形 圖 (14) 是 否 傳 送 成 功 (15) 用 戶 端 是 否 要 求 傳 送 示 波 器 量 測 波 形 (16) 伺 服 器 接 收 波 形 (17) 是 否 接 收 成 功 2.2 遠 端 電 子 量 測 系 統 模 組 製 作 原 理 初 步 的 遠 端 電 子 量 測 系 統 硬 體 架 構 設 計 圖 如 圖 2 所 示, 其 中 前 端 的 訊 號 放 大 器, 是 將 外 部 振 幅 較 大 的 訊 號 轉 換 成 類 比 數 位 轉 換 晶 片 所 能 夠 量 測 的 範 圍, 調 整 後 的 訊 號 波 形, 再 透 過 一 連 串 的 濾 波 以 及 位 移, 以 消 除 其 中 所 包 含 的 大 量 雜 訊, 這 部 份 必 須 要 特 別 注 意, 因 為 調 整 後 適 合 類 比 數 位 轉 換 晶 片 的 訊 號 較 小 ( 約 1Vpp), 所 測 得 的 訊 號 會 受 到 外 部 的 雜 訊 干 擾, 必 需 適 當 調 整 並 抑 制 雜 訊, 最 後 才 會 得 到 波 形 圖 的 真 正 訊 號 以 下 針 對 功 能 方 塊 說 明 : 11

模 組 選 擇 1. 8255 控 制 晶 片 與 解 碼 電 路 波 形 產 生 器 電 路 2. 波 形 產 生 器 之 數 位 類 比 轉 換 晶 片 3. 訊 號 放 大 器 電 源 供 應 器 電 路 4. 電 源 供 應 器 之 數 位 類 比 轉 換 晶 片 5. 電 流 放 大 器 示 波 器 電 路 6. 訊 號 放 大 器 與 位 準 移 位 器 7. 類 比 數 位 轉 換 1. 8255 控 制 晶 片 與 解 碼 電 路 由 於 電 源 供 應 器 與 波 形 產 生 器 是 由 個 人 電 腦 傳 送 資 料 訊 息 至 系 統 模 組 端, 而 示 波 器 恰 巧 相 反, 是 由 系 統 模 組 端 量 測 到 訊 號 後 轉 換 再 傳 送 至 個 人 電 腦 端, 所 以 我 們 採 用 具 有 多 組 通 道 輸 出 的 8255 作 為 選 取 各 模 組 與 電 腦 進 行 資 料 傳 輸 與 溝 通 的 控 制 系 統,8255 的 控 制 設 定 具 有 三 組 連 結 的 通 道, 每 組 通 道 皆 是 雙 向 的, 總 共 有 8 種 組 合, 由 圖 6-1 我 們 可 以 知 道 8255 的 D[3:1] 將 決 定 各 組 通 道 的 輸 入 輸 出 設 定, 而 圖 6-2 為 組 態 001 的 各 組 通 道 的 輸 入 輸 出 狀 態, 在 本 系 統 設 計 中 我 們 將 設 定 PortA 部 份 為 第 一 組 通 道 的 傳 輸 線, 而 PortB 部 份 為 第 二 組 通 道 的 傳 輸 線,PortC 部 份 負 責 控 制 訊 號 的 傳 輸, 圖 7 為 各 模 組 8255 控 制 晶 片 的 電 路 圖 6-1 8255A 位 元 設 定 / 清 除 命 令 圖 6-2 模 式 0 之 組 態 001 輸 出 輸 入 模 式 12

From ISA D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 To FIFO1 To FIFO2 F1D0 F1D1 F1D2 F1D3 F1D4 F1D5 F1D6 F1D7 F1D0 F1D1 F1D2 F1D3 F1D4 F1D5 F1D6 F1D7 4 3 2 1 40 39 38 37 14 15 16 17 13 12 11 10 18 19 20 21 22 23 24 25 U3 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RD WR A0 A1 RESET CS 34 33 32 31 30 29 28 27 5 36 9 8 35 6 IOR IOW A0 A1 RST 8255_CS2 8255 圖 7 8255_2 與 FIFO 線 路 圖 表 1 8255 控 制 晶 片 腳 位 設 定 A1 A0 RD WR CS 輸 入 指 令 0 0 0 1 0 Port A Data Bus 0 1 0 1 0 Port B Data Bus 1 0 0 1 0 Port C Data Bus 1 1 0 1 0 Control Word Data Bus 輸 出 指 令 0 0 1 0 0 Data Bus Port A 0 1 1 0 0 Data Bus Port B 1 0 1 0 0 Data Bus Port C 1 1 1 0 0 Data Bus Control Word 13

A4 A5 A6 A8 A9 A7 AEN 1 2 U12A 3 74LS00 4 5 U12A 6 74LS00 1 2 3 6 4 5 A B C G1 G2A G2B Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 74LS138 15 14 13 12 11 10 9 7 8255_CS1 8255_CS2 8255_CS3 圖 8 介 面 卡 解 碼 電 路 圖 解 碼 電 路 是 負 責 選 取 何 種 模 組 與 個 人 電 腦 進 行 資 料 傳 輸 接 收 的 設 計, 在 解 碼 電 路 的 74LS138 晶 片 上,Y0 負 責 控 制 電 源 供 應 器 模 組 的 選 取 與 否,Y1 負 責 控 制 波 形 產 生 器 模 組 的 選 取 與 否,Y2 負 責 控 制 示 波 器 模 組 的 選 取, 程 式 透 過 Address 的 定 址 來 決 定 提 供 何 種 模 組 給 使 用 者 操 作, A[4:6] 決 定 選 用 何 種 模 組,A[7:9] 與 AEN 的 位 址 線 決 定 74LS138 晶 片 是 否 接 受 A[4:6] 的 控 制 訊 號 來 更 改 目 前 的 狀 態 2.DAC 轉 換 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 的 訊 號, 其 取 樣 率 也 就 是 波 形 產 生 器 系 統 的 取 樣 頻 寬 圖 9 中 ADC9708 是 一 顆 較 常 用 八 位 元 D/A 轉 換 器, 它 是 具 有 差 動 式 類 比 輸 出 端 且 含 有 時 脈 產 生 電 路, 其 頻 率 由 外 加 的 震 盪 器 來 決 定, 而 其 主 要 有 下 列 3 點 特 性 [12]: 1. 三 態 閂 鎖 輸 出 2. 轉 換 時 間 10ns 3. 誤 差 最 大 ± 1/4LSB 圖 9 AD9708 功 能 方 塊 圖 14

而 輸 出 的 I OUTA 與 I OUTB 的 電 流 大 小 計 算 如 下 : I OUTA =(DAC CODE/256) I OUTFS (1) I OUTB =(255-DAC CODE)/256 I OUTFS (2) 而 I OUTFS = 32 I REF (3) I REF = V REFIO /R SET (4) I REF 即 為 FS ADJ 端 的 電 流 3. 訊 號 放 大 器 500Ω AD9708 IOUTA IOUTB 25Ω C OPT 225Ω 225Ω 25Ω AD8072 500Ω 圖 10 AD9708 DC 差 動 輸 出 電 路 圖 在 數 位 轉 類 比 晶 片 後 端 接 上 一 組 放 大 器 可 將 數 位 轉 類 比 晶 片 的 差 電 壓 放 大 以 符 合 訊 號 產 生 器 所 能 提 供 的 訊 號 振 幅, 而 放 大 的 計 算 如 下 : V = ( V V ) Gain (5) O IOUTA IOUTB 500 500 50 V + = VIOUTB = IOUTB ( 25// 725) = I OUTB (6) 725 725 3 以 理 想 狀 態 討 論, V + = V = V IOUTB 而 流 過 V - 上 255Ω 電 阻 的 電 流 為 500 725 I 225 V IOUTA 225 V V 500 225 725 IOUTA = VIOUTB (7) 225 V OUT = V I 225 500Ω 2 500 500 500 = VIOUTB ( VIOUTA VIOUTB ) 725 225 225 725 15

20 9 = V IOUTB VIOUTA 9 20 20 9 = ( V ) IOUTB V IOUTA (8) 在 後 端 的 差 動 放 大 器 中, 我 們 利 用 負 回 授 可 以 使 得 電 路 更 加 地 穩 定, 而 在 兩 個 25Ω 中 所 接 的 電 容 C OUTB 為 一 個 高 頻 電 容, 可 以 濾 掉 不 必 要 的 雜 訊, 使 產 生 的 波 形 可 以 更 加 地 平 順 4.DAC 轉 換 當 我 們 在 電 腦 程 式 中 選 定 我 們 要 的 電 壓 值, 電 腦 將 此 8bits 對 應 值 傳 送 至 DAC0808,DAC0808 再 將 8bits 的 數 位 訊 號 轉 成 類 比 電 流 輸 出, 電 流 經 過 放 大 器 轉 換 成 電 壓 訊 號 輸 出, 此 電 壓 可 經 由 下 列 公 式 計 算 出 值 而 其 線 路 圖 為 圖 11 V = I o1 ref R O [ A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 + + + + + + + ] (9) 2 4 8 16 32 64 128 256 and I ref = Vref R (10) 14 and AN = 1 if AN is at high level AN = 0 if AN is at low level V CC MSB A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 LSB 5 6 7 8 9 10 11 12 13 DAC0808 14 15 1 2 4 R 14 R 15 R O V ref V O1 V CC Power Follower V O 圖 11 DAC0808 數 位 訊 號 轉 類 比 電 壓 線 路 圖 16

5. 電 流 放 大 器 在 電 源 供 應 器 電 路 中, 如 果 直 接 將 圖 11 中 放 大 器 端 的 電 壓 (V O1 ) 接 到 下 一 級 的 電 路, 由 於 DAC0808 最 大 的 輸 出 電 流 只 有 5mA, 當 下 一 級 電 路 需 要 較 大 的 電 流 時, 放 大 器 端 的 電 壓 (V O1 ) 很 容 易 被 往 下 拉, 造 成 電 壓 大 量 的 下 降, 甚 至 會 產 生 短 路 的 情 況 發 生, 為 了 避 免 這 個 狀 況 的 發 生, 我 們 在 電 壓 輸 出 的 後 端 增 加 一 個 電 流 放 大 器 (Power Follower), 其 目 的 在 於 提 升 輸 出 端 的 電 流, 其 基 本 原 理 為 利 用 兩 個 PNP 型 的 BJT 電 晶 體 構 成 一 個 戴 寧 頓 對 將 放 大 器 端 的 電 壓 輸 出 (V O1 ) 接 到 基 極 (BASE) 端, 並 且 提 供 一 個 外 部 電 壓 源, 此 外 部 電 壓 源 能 夠 提 供 足 夠 的 電 流, 將 外 部 電 壓 源 接 到 射 極 (Emitter) 端, 而 集 極 (Collector) 接 出 來 當 輸 出, 如 此 利 用 兩 次 的 CE 組 態 疊 接, 當 一 個 BJT 放 大 倍 率 為 β 時, 此 設 計 可 以 使 電 流 放 大 β 2 倍 6. 訊 號 放 大 器 與 位 準 移 位 器 在 示 波 器 模 組 中, 由 於 後 端 類 比 轉 數 位 晶 片 的 電 壓 量 測 範 圍 在 2V~3V 之 間, 而 這 個 範 圍 是 無 法 滿 足 一 般 示 波 器 的 量 測 範 圍, 所 以 我 們 必 須 在 前 端 建 立 一 個 訊 號 放 大 器, 將 原 本 只 能 夠 轉 換 2V~3V 的 輸 入 電 壓 放 大 至 可 以 接 受 輸 入 -10V~10V 的 範 圍, 而 在 這 訊 號 放 大 器 中 由 於 訊 號 必 需 等 比 例 地 轉 換, 也 就 是 說 外 部 電 壓 10V 的 時 候 必 需 在 類 比 轉 數 位 晶 片 的 訊 號 輸 入 前 轉 換 成 3V 的 電 壓, 而 -10V 的 電 壓 則 必 須 轉 換 成 2V 的 電 壓 ; 而 除 了 訊 號 放 大 器 外, 我 們 還 必 須 在 訊 號 放 大 器 與 類 比 數 位 轉 換 晶 片 之 間 建 立 一 個 位 準 移 位 器 的 模 組, 將 已 經 轉 換 好 的 訊 號 位 移 成 數 位 轉 類 比 晶 片 所 能 夠 接 受 的 電 壓 範 圍, 所 設 計 的 電 路 如 下 圖 12 所 示, 第 一 級 的 放 大 器 負 責 將 訊 號 壓 縮 成 1Vpp 的 訊 號, 第 二 級 的 OP741 電 路 則 將 1Vpp 的 訊 號 位 移 至 2V~3V 之 間 提 供 後 級 的 類 比 數 位 轉 換 晶 片 輸 入 使 用 17

圖 12 訊 號 放 大 器 與 位 準 移 位 器 線 路 圖 7.ADC 轉 換 負 責 通 知 類 比 轉 數 位 元 件 做 轉 換, 以 及 接 收 轉 換 後 的 數 值, 並 將 資 料 以 並 列 匯 流 排 的 方 式 傳 出, 如 圖 13 的 AD9057 類 比 數 位 轉 換 晶 片 就 是 常 見 高 速 的 類 比 數 位 轉 換 晶 片 圖 13 AD9057 功 能 方 塊 圖 2.3 遠 端 電 子 量 測 系 統 模 組 規 劃 與 頻 寬 探 討 在 遠 端 電 子 量 測 系 統 中 另 外 一 個 需 要 探 討 的 問 題 就 是 波 形 產 生 器 與 示 波 器 模 組 的 頻 寬 為 何, 頻 寬 直 接 影 響 到 的 就 是 該 模 組 是 否 能 提 供 或 是 量 測 到 速 度 更 快 的 訊 號, 能 夠 做 更 高 階 的 量 測 工 作 在 本 論 文 的 設 計 模 組 中, 波 形 產 生 器 模 組 可 以 提 供 至 4MHz 的 任 意 訊 號, 而 示 波 器 可 以 量 測 到 8MHz 的 訊 號 值, 接 下 來 我 們 將 針 對 此 兩 組 模 組 的 頻 寬 作 進 一 步 的 討 論 18

1. 波 形 產 生 器 模 組 波 形 產 生 器 的 原 理 主 要 是 參 考 數 位 訊 號 處 理 [38] 一 書 中 取 樣 定 理 假 定 一 待 測 的 原 始 訊 號 為 x(t), 而 取 樣 為 n= S ( t) = δ ( t nt ) (11) 取 樣 後 的 訊 號 n= x ( t) = x( t) s( t) = x( nt ) δ ( t nt ) (12) s 數 位 轉 類 比 處 理 過 程 參 考 下 圖 14, 轉 換 原 理 為 Ỹ(t)= sin(2π ( t nt)) y( nt) = 2π ( t nt) n Nyquist rate :2B, T=1/2B. (13) 圖 14 數 位 轉 類 比 過 程 圖 從 上 面 的 數 位 轉 類 比 的 模 式 我 們 可 以 發 現, 當 一 個 取 樣 頻 率 越 高 時, 所 能 夠 取 樣 出 來 的 波 形 最 大 頻 寬 會 越 高, 而 數 位 類 比 轉 換 晶 片 的 取 樣 頻 率 取 決 於 晶 片 上 外 接 的 震 盪 器 頻 率 大 小, 但 是 並 不 是 一 切 都 如 此 順 利, 除 了 會 受 限 於 數 位 類 比 轉 換 晶 片 的 頻 寬 外 (100MHz), 由 於 在 數 位 類 比 轉 換 晶 片 與 PPI 溝 通 之 處 接 了 一 個 暫 存 器 當 資 料 緩 衝 的 暫 存 器 使 用, 而 暫 存 器 的 頻 寬 (83.3MHz) 會 限 制 住 我 們 所 要 輸 出 的 波 形 頻 寬, 暫 存 器 的 目 的 即 為 緩 衝 兩 個 速 度 快 慢 不 一 的 周 邊 電 路, 能 夠 防 止 資 料 的 遺 漏 在 圖 15 中 我 們 可 以 發 現, 頻 寬 的 限 制 主 要 在 於 暫 存 器 的 頻 寬 上 與 數 位 類 比 轉 換 晶 片 的 轉 換 這 兩 部 份, 即 使 數 位 類 比 轉 換 晶 片 的 轉 換 速 度 再 快, 也 必 須 根 據 暫 存 器 所 傳 送 的 數 位 資 料 來 轉 換 成 類 比 訊 號, 暫 存 器 的 頻 寬 約 為 83.3MHz, 由 取 樣 定 理 我 們 可 以 得 知, 取 樣 頻 寬 最 大 必 須 為 轉 換 頻 率 的 一 半, 所 以 波 形 輸 出 頻 寬 約 為 40MHz, 但 一 個 週 期 波 形 所 擁 有 的 取 樣 點 數 量 越 少 波 形 越 會 失 真, 一 個 只 具 有 2 個 取 樣 點 的 波 形 是 無 法 分 辨 是 正 弦 波 或 是 三 角 波, 根 據 經 驗 來 說, 一 個 週 期 的 波 形 大 約 需 要 10 的 取 樣 點 才 能 夠 完 整 地 描 繪 出 波 形, 所 以 本 波 形 產 生 器 模 組 的 頻 寬 則 為 19

4MHz 圖 15 波 形 產 生 器 硬 體 模 組 頻 寬 分 析 圖 2. 示 波 器 模 組 而 ADC 模 組 主 要 是 應 用 在 示 波 器 部 份, 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 號 提 供 嵌 入 式 板 所 辨 識, 根 據 數 位 訊 號 處 理 一 書 中 我 們 可 以 得 知 類 比 轉 數 位 的 方 法 如 圖 16 所 示, 令 輸 入 的 訊 號 為 x(t) 每 隔 1/T 的 時 間 便 抓 取 x(t) 的 值 一 次, 接 著 將 所 得 到 的 x(nt) 值 作 量 化 (Quantizer), 便 可 以 得 到 我 們 所 想 要 的 數 位 訊 號, 而 示 波 器 最 重 要 的 包 含 了 取 樣 的 速 度, 取 樣 速 度 越 快, 代 表 的 時 間 1/T 會 越 短, 以 同 一 段 時 間 同 一 組 訊 號 來 說, 取 樣 速 度 越 快 的 就 可 以 獲 得 較 多 的 取 樣 數, 也 可 以 獲 得 較 詳 細 的 波 形 數 位 資 訊, 在 取 樣 理 論 中 取 樣 速 度 最 少 要 大 於 取 樣 頻 寬 的 兩 倍, 但 是 以 示 波 器 的 設 計 來 說 取 樣 速 度 卻 要 大 於 頻 寬 至 少 10 倍 以 上, 這 是 因 為 示 波 器 的 目 的 是 要 觀 察 波 形, 而 波 形 若 只 有 兩 個 或 是 三 個 點 所 構 成 並 無 法 判 斷 是 何 種 波 形, 以 兩 個 點 來 說 三 角 波 方 波 與 正 弦 波 所 呈 現 的 是 一 樣 的, 所 以 我 們 在 設 計 示 波 器 時 至 少 取 樣 速 度 要 大 於 我 們 的 頻 寬 10 倍 以 上 Analog input x(t) x(t) Sample and hold x(nt) Quantizer Digital output code x(t) x(nt)????????????????????????????????????? 1/T T? 1/T T 2 n-1???????? 7 6 5 4 3 2 1 0 圖 16 類 比 轉 數 位 過 程 與 波 形 產 生 器 相 同 的, 在 示 波 器 的 頻 寬 限 制 上 除 了 上 述 的 取 樣 速 度 外, 暫 存 器 的 取 樣 速 度, 各 晶 片 的 傳 輸 速 度 與 頻 寬 都 和 示 波 器 的 頻 寬 有 著 極 大 的 關 係, 而 與 波 形 產 生 器 不 同 的 在 於 波 形 產 生 器 是 將 訊 號 從 數 位 的 資 訊 轉 換 成 類 比 訊 號 送 出, 所 以 越 靠 近 類 比 訊 號 端 的 模 組 頻 寬 要 較 前 一 級 模 組 的 頻 寬 要 大 才 行, 而 示 波 器 則 是 恰 好 相 反, 越 靠 近 類 比 端 的 模 組 要 比 後 一 級 模 組 的 頻 寬 小, 避 免 在 類 比 數 位 轉 換 晶 片 轉 換 之 前 訊 號 以 20

經 產 生 了 失 真, 轉 換 出 來 的 資 訊 便 不 具 有 可 靠 性, 如 圖 17 所 示, 而 在 緩 衝 器 與 匯 流 排 之 間, 由 於 緩 衝 器 主 要 功 能 就 是 緩 衝 兩 個 速 度 不 同 的 模 組 資 料 的 傳 遞, 傳 輸 的 速 度 可 快 可 慢, 所 以 即 使 匯 流 排 的 頻 寬 再 慢, 都 可 以 慢 慢 的 從 緩 衝 器 中 讀 取 資 料, 不 怕 造 成 資 料 遺 失 情 況 發 生 圖 17 示 波 器 硬 體 模 組 頻 寬 分 析 圖 2.4 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 架 構 在 本 章 節 中 我 們 將 討 論 遠 端 量 測 系 統 的 後 半 部, 也 就 是 網 路 的 部 份, 使 用 者 在 近 端 已 經 可 以 觀 察 到 所 量 測 的 波 形 資 訊, 若 想 要 將 波 形 傳 送 至 遠 端 提 供 他 人 觀 察 或 使 用, 可 以 透 過 遠 端 電 子 量 測 系 統 軟 體 的 網 路 功 能 首 先 我 們 就 先 針 對 是 客 戶 端 與 伺 服 器 端 的 連 線 來 討 論, 我 們 先 簡 化 成 1 個 客 戶 端 對 1 個 伺 服 器 的 狀 態 來 說 明, 對 於 遠 端 電 子 量 測 系 統 來 說, 在 傳 輸 的 資 料 部 份, 主 要 為 波 形 資 訊 與 電 路 圖 兩 樣, 而 在 波 形 方 面 我 們 又 分 成 4Bits 與 8Bits 兩 種 解 析 度, 其 格 式 與 大 小 如 下 表 2 所 示, 而 表 3 為 目 前 我 們 測 量 所 使 用 的 網 路 環 境, 根 據 TCP/IP 的 協 定, 資 料 從 一 台 電 腦 傳 送 到 另 外 一 台 電 腦 中, 大 致 上 的 流 程 如 下 圖 18 所 示 [55],SYN 為 找 尋 伺 服 器 端 電 腦 系 統,ACK 為 送 出 確 認 可 上 傳 資 料 的 指 令, 確 定 伺 服 器 端 可 以 接 收 檔 案 後 才 開 始 傳 送 資 料, 所 以 大 致 上 可 寫 成 下 列 的 公 式 E Total (S)= E T (S) + E P (S) (14) E T (S): 網 路 傳 輸 的 時 間 E P (S): 伺 服 器 端 電 腦 處 理 時 間 E T (S) 中 就 包 含 了 上 述 的 通 訊 協 定 所 耗 費 的 時 間 與 資 料 傳 送 的 時 間, 其 通 訊 協 定 的 設 定 如 圖 18 所 示, 以 目 前 台 灣 的 網 路 環 境 來 說, 網 路 傳 輸 每 經 過 一 個 路 由 器 (Router) 就 必 須 要 花 費 1~100ms 的 時 間, 在 區 域 網 路 內 大 約 花 費 1ms 的 時 間, 若 離 開 了 區 域 網 路 進 入 了 一 般 的 網 路 便 會 增 加 為 40~70ms, 若 是 在 網 路 巔 峰 時 間 (PM6:00~AM0:00) 則 會 增 加 至 100ms 以 上, 如 果 是 在 區 域 網 路 兩 台 電 腦 連 結 所 經 過 的 路 由 器 約 為 1-2 個, 若 是 由 學 術 網 路 或 是 一 般 的 家 庭 網 路 21

連 線 至 我 們 所 設 定 的 伺 服 器 端, 根 據 所 在 地 的 不 同, 所 需 經 過 的 路 由 器 也 會 有 所 差 異, 如 下 表 4 所 表 示, 透 過 表 4 可 以 大 致 的 了 解 當 距 離 伺 服 器 越 遠, 所 需 的 時 間 也 成 接 近 線 性 的 增 加, 而 下 表 5 為 我 們 所 量 測 到 的 網 路 傳 輸 時 間, 也 就 是 E T (S) 的 值, 我 們 可 以 發 現 解 析 度 的 改 變 在 網 路 速 度 越 快 的 時 候 所 造 成 的 影 響 會 越 小, 主 要 是 看 網 路 的 上 傳 速 度 與 資 料 大 小 來 決 定 當 資 料 量 大 小 超 過 網 路 的 每 秒 傳 送 速 度 值 時 由 於 必 須 在 暫 存 器 中 等 待, 會 耗 費 比 較 久 的 時 間, 所 以 資 料 量 的 大 小 對 時 間 來 說 所 佔 的 權 重 比 較 大, 而 當 網 路 速 度 比 起 資 料 量 大 小 大 很 多 的 時 候,4Bits 解 析 度 的 資 料 與 8Bits 解 析 度 的 資 料 都 可 以 快 速 地 送 出, 並 不 需 要 在 網 路 中 的 暫 存 器 中 等 待, 相 對 的 所 需 要 耗 的 時 間 就 會 比 較 少, 這 點 可 以 從 排 隊 理 論 [56] 的 公 式 系 統 總 響 應 時 間 為 服 務 率 減 去 抵 達 率 的 倒 數 (1/(µ-λ)) 中 來 佐 證,µ 為 網 路 的 傳 輸 速 度, 而 λ 為 每 種 資 料 傳 輸 的 大 小, 當 λ 固 定 只 有 兩 個 數 值 的 時 候,µ 的 大 小 便 會 決 定 傳 輸 時 間 的 長 短 圖 18 網 路 通 訊 協 定 示 意 圖 表 2 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 資 料 傳 輸 規 格 格 式 傳 輸 資 訊 波 形 資 料 大 小 (4bits) 1~4K (8bits) 15~30K 圖 形 大 小 JPG 20~78K 單 位 (Byte) 22

表 3 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 網 路 環 境 規 格 格 式 傳 輸 資 訊 區 網 LAN 15~30K 學 術 網 路 20~78K 家 庭 網 路 XDSL (Byte) 表 4 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 各 地 傳 輸 所 經 過 的 路 由 器 數 量 比 較 表 學 術 網 路 家 庭 網 路 台 灣 北 部 路 由 器 數 量 2 9 時 間 <1ms 477ms 台 灣 中 部 路 由 器 數 量 7 17 時 間 13ms 961ms 台 灣 南 部 路 由 器 數 量 13 25 時 間 21ms 2017ms 表 五 遠 端 電 子 量 測 系 統 網 路 傳 輸 之 E T (S) 時 間 表 學 術 網 路 64K 256K 512K 4Bit <1ms 1.725sec 1.25sec 0.47sec 8Bit <1ms 4sec 1.4sec 0.61sec 而 遠 端 伺 服 器 的 電 腦 處 理 時 間 E P (S) 我 們 可 以 直 接 從 軟 體 中 量 測 得 到, 針 對 兩 個 不 同 解 析 度 的 資 料, 我 們 隨 機 傳 送 了 100 次 之 後 取 平 均 時 間, 獲 得 解 析 度 為 4Bit 的 時 候 E P (S) 為 18ms 而 解 析 度 為 8Bit 的 時 候 解 析 度 為 61ms, 所 以 整 體 的 資 料 傳 送 時 間 若 在 區 域 網 路 中 只 需 花 費 61ms(8Bit 的 解 析 度 ) 即 可 完 成,ㄧ 但 進 入 網 際 網 路 ( 以 256K 為 例 ) 時 間 卻 會 大 量 上 升 至 1.461 秒 左 右, 也 就 是 說 伺 服 器 端 所 看 到 的 波 形 資 訊 會 延 遲 大 約 1.5 秒, 慶 幸 的 是 電 子 實 驗 的 波 形 皆 具 有 週 期 性, 我 們 僅 需 要 觀 看 一 些 週 期, 每 5-10 秒 刷 新 一 次 即 可 由 於 電 子 實 驗 並 非 都 一 對 一 的 教 學, 而 是 有 可 能 以 班 級 為 單 位 來 教 學, 所 以 接 下 來 我 們 將 一 對 一 的 傳 輸 擴 展 到 一 對 多 來 討 論, 下 圖 19 為 一 對 多 資 料 傳 輸 的 排 隊 模 型, 在 這 個 排 隊 網 路 模 型 中 µ 1X 為 第 X 個 學 生 的 網 路 上 傳 資 料 量, 等 效 於 排 隊 模 型 裡 面 的 資 料 流 入 量 (λ), 所 以 µ 1X 也 可 以 寫 成 λ 2X, 而 µ S 則 為 系 統 的 服 務 率, 由 上 面 的 E P (S) 可 以 知 道, 電 腦 每 筆 資 料 的 服 務 時 間 約 為 61ms(1/µ S ), 所 以 可 以 得 知 伺 服 器 約 每 秒 可 處 理 16 個 要 求, 也 可 等 效 是 320K( 以 每 個 要 求 的 大 小 為 20K 為 例 ) 的 資 料 量 而 我 們 所 使 用 的 伺 服 器 網 路 頻 寬 為 T1(357K/s) 若 在 理 想 狀 態 時, 伺 服 器 端 每 秒 可 以 同 時 接 受 18 台 電 腦 傳 送 20KB 的 資 料, 若 以 每 五 秒 刷 新 一 次 使 用 管 線 架 構 (Pipeline) 的 技 術 錯 開 每 台 23

電 腦 的 上 傳 順 序, 伺 服 器 就 可 以 接 受 90 台 電 腦 同 時 上 線, 可 惜 事 情 並 不 是 如 此 順 利, 當 電 腦 同 時 處 理 兩 筆 以 上 的 資 料, 所 需 要 的 服 務 時 間 便 會 增 加, 當 伺 服 器 每 秒 同 時 接 收 了 12 筆 波 形 資 料 便 會 造 成 延 遲, 處 理 的 時 間 超 過 一 秒 鐘, 也 會 影 響 到 下 一 個 管 線 上 等 待 處 理 波 形 資 料, 對 於 排 成 為 最 後 的 學 生 端 所 上 傳 的 波 形 會 造 成 遺 失, 根 據 我 們 實 際 量 測 上 發 現, 在 每 個 時 間 的 最 大 接 受 學 生 數 量 為 9 位 學 生, 而 我 們 若 設 定 每 位 使 用 者 間 格 5 秒 傳 送 一 次 波 形 資 料, 則 伺 服 器 端 便 可 以 容 納 45 位 學 生 上 線 進 行 傳 送 波 形, 一 旦 超 過 了 45 個 便 會 有 波 形 檔 案 遺 失 或 是 被 退 回 客 戶 端 的 情 況 發 生 λ 11 µ 11 = λ 11 實 驗 學 生 1 λ 12 µ 12 = λ 12 λ 13 實 驗 學 生 2 µ 13 = λ 13 網 路 端 µ S 伺 服 器 端 µ N 老 師 端 λ 1N µ 1N = λ 1N 實 驗 學 生 N 圖 19 遠 端 電 子 量 測 系 統 遠 端 傳 輸 部 份 的 排 隊 網 路 模 組 若 要 在 上 線 人 數 限 制 上 有 所 提 升 的 話, 除 了 提 升 網 路 的 頻 寬 外, 就 是 針 對 傳 送 的 檔 案 著 手, 我 們 將 學 生 的 波 形 解 析 度 由 8Bit 降 低 為 4Bit, 則 在 4Bit 的 波 形 解 析 度 傳 送 下, 同 一 時 間 中 所 能 夠 容 納 的 使 用 者 上 傳 數 量 從 每 秒 鐘 9 個 提 升 到 30 個, 如 果 每 五 秒 鐘 刷 新 ㄧ 次 並 且 搭 配 管 線 架 構, 最 大 能 夠 接 收 的 學 生 數 量 便 可 以 提 升 到 150 個 以 上, 雖 然 解 析 度 下 降 了, 但 是 波 形 的 大 致 的 格 式 還 是 可 以 看 出 來, 當 伺 服 器 端 的 教 師 認 為 某 位 學 生 的 波 形 有 問 題 時, 可 以 點 選 該 學 生 的 視 窗, 如 下 圖 20 所 示, 並 且 我 們 所 設 計 的 遠 端 電 子 實 驗 系 統 軟 體 還 可 以 在 認 為 學 生 端 電 路 有 問 題 時, 從 伺 服 器 端 傳 送 一 組 由 老 師 端 定 義 的 波 形 至 學 生 端 的 電 路 上, 讓 老 師 可 以 充 分 地 掌 握 問 題 的 所 在, 快 速 地 協 助 學 生 排 除 困 難 24

(a) 伺 服 器 端 監 控 畫 面 (b) 伺 服 器 端 波 形 產 生 器 畫 面 圖 20 遠 端 電 子 量 測 系 統 伺 服 器 端 網 路 觀 測 軟 體 介 面 圖 2.5 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 市 面 產 品 比 較 目 前 在 市 面 上 較 為 普 及 的 一 套 虛 擬 實 驗 系 統 為 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) [57-62], 這 是 一 套 圖 形 化 的 實 驗 室 操 作 軟 體, 主 要 是 針 對 許 多 需 要 大 量 儀 器 量 測 的 實 驗 或 研 究 及 許 多 需 長 期 觀 察 的 場 所 使 用, 監 視 與 控 制 是 LabVIEW 最 大 的 優 勢, 有 時 可 以 直 接 監 視 與 控 制, 或 是 經 過 可 程 式 邏 輯 控 制 器 的 協 助 進 行 通 訊, 利 用 GPIB(General Purpose Input Bus) 進 行 電 腦 與 硬 體 介 面 溝 通 的 匯 流 排, 並 且 利 用 NI(National Instruments) 公 司 所 生 產 的 資 料 擷 取 卡 (DAQ) 來 獲 得 外 部 的 類 比 訊 號, 而 在 LabVIEW 此 套 軟 體 可 以 配 合 使 用 者 的 需 要 而 建 立 與 修 改 適 合 使 用 者 的 視 窗 介 面, 並 且 不 需 要 花 費 時 間 去 學 習 程 式 語 言, 軟 體 本 身 幾 乎 都 是 以 GUI 介 面 來 操 作, 在 介 面 的 規 劃 方 面 利 用 區 塊 的 建 構 來 取 代 傳 統 的 語 言 撰 寫, 即 使 非 相 關 科 目 的 學 生 也 可 以 輕 易 地 上 手 而 VEE(Visual Engineering Environment) [63-64] 則 是 安 捷 倫 公 司 出 的 一 套 量 測 軟 體, 也 是 針 對 量 測 所 設 計 的,VEE 具 有 各 種 工 程 數 學 與 圖 形 的 支 援 儀 器 的 控 制 資 料 管 理 (Date Management) 互 動 發 展 和 除 錯 環 境 等 功 能, 並 且 VEE 除 了 可 以 使 用 GUI 設 計 外, 也 可 以 使 用 傳 統 的 文 字 撰 寫 ( 相 似 C 的 程 式 語 言 ), 可 接 受 各 種 資 料 型 態, 對 於 各 種 的 儀 器 所 量 測 到 的 資 訊 都 可 以 匯 入 到 VEE 的 軟 體 中 計 算, 但 是 VEE 主 要 偏 重 於 量 測 訊 號 與 計 算, 而 並 非 注 重 在 訊 號 產 生 的 部 份 不 過 上 述 的 系 統 架 構 所 費 不 貲, 並 非 一 般 人 員 所 能 夠 負 擔, 若 將 其 應 用 在 一 般 的 電 子 量 測 上, 其 投 資 會 有 所 浪 費, 並 不 會 是 最 好 的 選 擇, 表 3 將 針 對 電 子 實 驗 系 統 來 進 行 比 較 25

表 6 遠 端 電 子 量 測 系 統 與 市 面 上 產 品 比 較 表 電 源 供 應 器 傳 統 儀 器 本 研 究 設 計 LabVIEW VEE 電 壓 範 圍 -15V~+15V -10V~+10V 通 道 數 量 2 2 No No 最 大 電 流 3A 2A No No 波 形 產 生 器 最 大 頻 寬 1MHz 4MHz 4MHz 4MHz 可 否 任 意 編 輯 波 形 No Yes No No 最 大 振 幅 10Vpp 10Vpp 10Vpp 10Vpp 波 形 儲 存 No Yes Yes Yes 示 波 器 通 道 數 2 2 8(Max) 2 波 形 比 較 功 能 Yes Yes Yes Yes 波 形 儲 存 No Yes Yes Yes 波 形 品 質 Good Good Better Batter 取 樣 頻 率 80MHz 80MHz 100MHz 100MHz 取 樣 率 8bit/Sample 8bit/Sample 8bit/Sample 雜 訊 抑 制 方 法 By Hardware By DSP By DSP By DSP 網 路 功 能 波 形 回 傳 功 能 No Yes Yes Yes 最 大 使 用 者 數 限 No 1-150 1-50 1-50 雙 向 波 形 傳 送 No Yes Yes No 價 格 ( 包 括 個 人 電 腦 ) US$1,500 US$800 US$7,000 US$7,500 2.6 遠 端 電 子 量 測 系 統 功 能 1. 提 供 檢 視 訊 號 的 基 本 功 能 26

如 同 一 般 實 驗 室 的 電 子 儀 表 一 樣, 可 以 提 供 基 本 的 波 形 訊 號, 也 可 以 顯 示 基 本 訊 號 波 形, 用 以 驗 證 電 路 的 狀 況 與 傳 統 的 量 測 系 統 不 同 的 是, 本 論 文 中 所 設 計 的 系 統 具 有 網 路 傳 輸 功 能, 可 以 應 用 在 一 般 的 電 子 實 驗 量 測 操 作 上, 並 提 供 最 基 本 的 網 路 傳 輸 功 能 2. 可 以 對 顯 示 的 訊 號 波 形 儲 存 可 針 對 硬 體 量 測 到 的 波 形, 利 用 暫 存 器 先 儲 存, 再 使 用 檔 案 處 理 存 成 文 字 檔 對 於 傳 統 電 子 量 測 系 統 而 言, 如 果 我 們 要 記 錄 結 果, 都 是 用 圖 紙 把 波 形 畫 下 來, 或 是 用 照 像 的 方 式 不 論 是 用 什 麼 方 式 都 很 不 方 便, 如 果 別 人 要 觀 看 我 們 所 量 測 的 波 形, 必 須 要 用 人 力 傳 送, 而 且 花 費 時 間 長, 過 程 非 常 的 麻 煩 而 我 們 的 示 波 器, 可 藉 由 數 位 化 處 理, 將 結 果 經 轉 換 後, 儲 存 成 ASCII 文 字 檔, 而 且 經 轉 換 後 的 檔 案 大 小 也 非 常 的 小, 只 有 幾 KB 而 已, 增 加 了 波 形 資 訊 的 保 存 能 力 3. 具 網 路 傳 輸 功 能 本 實 驗 系 統 的 要 點 在 於 希 望 能 夠 建 立 一 個 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 架 構, 遠 端 傳 輸 就 是 一 個 非 常 重 要 的 功 能, 對 於 一 般 電 子 量 測 系 統 大 多 只 能 夠 在 實 驗 室 提 供 使 用 者 操 作, 對 於 有 心 學 習 的 人 士 而 言 很 難 獲 得 相 關 的 儀 器, 如 果 能 夠 在 家 中 就 可 學 習 電 子 實 驗 相 關 知 識, 並 且 透 過 網 路 將 結 果 傳 送 至 遠 端 伺 服 器 上, 便 能 夠 建 立 一 個 遠 距 教 學 的 環 境 並 且 在 遠 距 量 測 中, 工 程 師 ( 伺 服 器 端 ) 能 夠 透 過 網 路 立 刻 傳 送 各 種 波 形 至 待 測 電 路 上 協 助 第 三 地 的 工 程 師 ( 使 用 者 端 ) 排 除 電 路 上 的 問 題, 真 正 落 實 遠 端 量 測 的 目 的, 便 利 了 許 多 平 常 必 須 往 來 奔 波 排 除 錯 誤 的 工 程 師 2.7 製 作 成 果 我 們 使 用 了 視 窗 化 的 程 式 寫 作 來 設 計 系 統 使 用 介 面, 圖 21 中 表 示 遠 端 電 子 量 測 系 統 圖 的 操 作 介 面 圖, 左 上 方 是 波 形 產 生 器 所 產 生 的 波 形 預 覽, 使 用 者 可 直 接 在 畫 面 上 針 對 所 產 生 的 波 形 做 修 改, 而 在 左 下 方 則 為 波 形 產 生 器 的 相 關 參 數 設 定, 如 振 幅 大 小, 頻 寬 與 基 本 波 形 架 構 選 取 等 功 能 右 上 方 所 觀 察 到 的 波 形 即 為 示 波 器 所 量 測 到 外 部 訊 號, 左 下 方 則 是 示 波 器 的 功 能 選 項, 在 最 下 方 的 橫 軸 即 為 電 源 供 應 器 的 設 定, 使 用 者 可 透 過 滑 鼠 直 接 拉 選 欲 輸 出 的 電 壓 值, 而 圖 22 為 我 們 設 計 的 遠 端 電 子 量 測 系 統 實 際 操 作 拍 攝 圖 27

波 形 產 生 器 預 覽 視 窗 示 波 器 視 窗 波 形 產 生 器 設 定 電 路 圖 預 覽 電 源 供 應 器 設 定 示 波 器 設 定 圖 21 遠 端 電 子 量 測 系 統 人 機 操 作 介 面 圖 28

波 形 產 生 器 輸 出 端 電 源 供 應 器 輸 出 端 輸 出 波 形 預 覽 所 量 測 波 形 展 示 圖 示 波 器 輸 入 端 測 試 電 路 圖 22 遠 端 電 子 量 測 系 統 操 作 實 際 拍 攝 圖 29

第 三 章 以 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 在 第 三 章 會 針 對 上 一 章 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 部 份 缺 失 如 攜 帶 性 不 便 系 統 資 源 使 用 率 過 低 等 問 題 進 行 修 改, 利 用 嵌 入 式 開 發 板 取 代 原 本 系 統 裡 面 的 個 人 電 腦, 使 用 嵌 入 式 系 統 會 使 成 本 體 積 以 及 消 耗 功 率 降 低, 所 以 我 們 希 望 將 遠 端 電 子 量 測 系 統 能 夠 結 合 嵌 入 式 系 統, 實 現 在 實 驗 室 或 是 在 家 庭 中 皆 可 以 進 行 遠 端 電 子 量 測 的 實 驗 操 作, 由 於 以 往 的 架 構 都 是 採 用 在 電 腦 上 進 行 電 子 量 測 的 相 關 參 數 設 定 與 操 作, 讓 使 用 者 可 以 藉 由 螢 幕 上 得 到 相 關 訊 息, 現 今 我 們 捨 去 了 連 接 電 腦 在 螢 幕 上 展 現 操 作 介 面, 改 連 結 攜 帶 性 高 的 嵌 入 式 開 發 板, 使 用 者 可 以 在 任 何 地 方 操 作 此 套 系 統 而 在 操 作 環 境 上, 只 需 要 嵌 入 式 開 發 板 上 的 鍵 盤 輸 入 想 要 送 出 波 形 的 參 數 就 可 以 操 作 嵌 入 式 量 測 系 統 送 出 想 要 的 波 形, 當 然 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 所 量 測 到 的 波 形 也 可 以 在 嵌 入 式 開 發 板 上 的 小 螢 幕 觀 察 到, 並 且 透 過 嵌 入 式 開 發 板 內 建 的 網 路 卡 搭 配 網 路 線 即 可 以 將 所 量 測 到 的 波 形 資 訊 傳 遞 至 遠 端 伺 服 器 中, 在 遠 端 伺 服 器 上 可 同 步 觀 察 到 多 位 使 用 者 所 傳 送 的 波 形, 並 且 針 對 電 路 有 問 題 的 使 用 者 端 送 出 自 行 定 義 的 波 形 透 過 使 用 者 的 嵌 入 式 電 子 量 測 系 統 注 入 到 待 測 電 路 上, 重 新 觀 察 結 果 並 且 協 助 使 用 者 除 錯 最 後 與 一 般 的 監 控 軟 體 如 LabVIEW 與 VEE 進 行 分 析 比 較 彼 此 的 優 缺 點 與 討 論 本 設 計 目 前 所 能 夠 應 用 的 範 圍 3.1 遠 端 電 子 量 測 系 統 簡 介 由 於 在 2005 年 IMTC 會 議 上 所 發 表 的 遠 端 電 子 量 測 系 統 [65] 需 要 搭 配 電 腦 才 能 受 操 作, 無 法 任 意 地 攜 帶, 並 且 搭 配 電 腦 操 作 的 遠 端 電 子 量 測 系 統 所 使 用 的 系 統 資 源 過 於 分 散, 容 易 造 成 無 謂 的 浪 費, 我 們 將 上 述 所 設 計 的 遠 端 電 子 量 測 系 統 改 良, 利 用 嵌 入 式 板 取 代 電 腦, 並 且 搭 配 自 行 設 計 外 部 的 模 組 建 構 出 電 源 供 應 器 波 形 產 生 器 與 示 波 器 等 儀 表, 在 操 作 上, 使 用 者 只 需 要 透 過 嵌 入 式 開 發 板 上 的 4X4 鍵 盤 即 可 完 成 電 壓 與 波 形 的 設 定, 並 且 將 電 壓 與 波 形 傳 送 至 待 測 電 路 上, 而 經 由 示 波 器 模 組 可 以 量 測 到 待 測 電 路 輸 出 端 所 送 出 的 訊 號, 並 且 將 接 收 到 的 波 形 展 現 於 嵌 入 式 開 發 板 的 畫 面 上, 使 用 者 可 以 經 由 輸 入 與 輸 出 的 波 形 比 對 來 分 析 出 待 測 電 路 是 否 正 確, 而 透 過 網 路 的 傳 輸, 使 用 者 可 以 即 時 將 所 獲 得 的 波 形 資 訊 傳 遞 至 遠 端 伺 服 器, 在 遠 端 電 子 實 驗 教 學 中, 伺 服 器 端 的 教 學 者 可 以 立 刻 知 道 使 用 者 的 學 習 狀 態 30

3.2 嵌 入 式 系 統 概 論 嵌 入 式 系 統 最 初 是 為 了 工 業 上 的 應 用 而 設 計 產 生 的, 而 在 資 訊 化 普 及 以 及 數 位 家 電 興 起 後, 嵌 入 式 系 統 在 我 們 的 生 活 中 已 經 越 來 越 多 嵌 入 式 系 統 的 特 色 之 一 是 不 需 要 很 多 外 接 的 零 配 件, 而 能 完 成 特 定 功 能 嵌 入 式 系 統 的 主 要 特 色 是 : 1. 特 定 功 能 : 一 個 嵌 入 式 的 系 統 通 常 反 覆 的 執 行 一 個 特 定 的 程 式 出 錯 的 機 會 比 較 低 而 且 可 以 節 省 其 他 用 不 到 的 硬 體 成 本 2. 容 易 貼 近 應 用 需 求 : 設 計 上 的 限 制 例 如 成 本, 體 積, 效 能 與 功 率 等 等 限 制 嵌 入 式 系 統 的 成 本 通 常 很 低, 處 理 的 速 度 夠 快, 功 率 消 耗 低 3. 即 時 反 應 要 求 嚴 格 : 很 多 系 統 都 需 要 及 時 性 的 回 應, 因 為 嵌 入 式 系 統 的 單 一 功 能, 所 以 會 比 一 般 系 統 有 較 快 的 反 應 性 以 及 及 時 性 4. 具 有 可 配 置 性 : 由 於 嵌 入 式 系 統 必 須 能 夠 應 用 在 多 種 多 樣 的 硬 體 環 境, 因 此 嵌 入 式 作 業 系 統 能 夠 針 對 硬 體 系 統 的 變 化 進 行 配 置, 滿 足 不 同 應 用 的 要 求 在 嵌 入 式 軟 體 發 展 部 份, 為 了 配 合 嵌 入 式 系 統, 業 界 已 發 展 出 多 種 嵌 入 式 作 業 系 統 (Embedded Operating System) 這 些 即 時 作 業 系 統 的 功 能 強 大, 儘 管 其 內 部 核 心 程 式 比 起 個 人 電 腦 上 所 用 的 作 業 系 統 來 說 非 常 小, 但 它 能 作 為 設 計 人 員 的 開 發 平 台, 代 表 性 的 作 品 有 微 軟 的 Win CE NT Embedded; Linux Palm OS 等 而 在 這 裡 採 用 的 是 內 含 精 簡 的 µclinux 作 業 系 統, 目 前 市 面 上 的 嵌 入 式 開 發 板 都 是 掛 載 µclinux 作 業 系 統, 開 發 軟 體 以 及 資 料 比 較 齊 全 而 µclinux 與 一 般 的 個 人 電 腦 所 用 的 Linux 作 業 系 統 不 同 的 地 方 是 為 了 精 簡 核 心 程 式, 所 以 在 µclinux 裡 拿 掉 了 記 憶 體 管 理 的 部 份, 使 的 作 業 系 統 縮 小 到 可 以 放 在 嵌 入 式 系 統 裡 面, 而 還 能 運 作 正 常 但 是 少 了 記 憶 體 管 理 在 設 計 程 式 的 時 候 就 比 不 上 在 個 人 電 腦 上 的 設 計 方 便, 必 須 考 量 到 硬 體 記 憶 體 的 容 量 嵌 入 式 開 發 板 軟 硬 體 架 構 在 後 面 的 章 節 會 討 論 到 3.3 系 統 硬 體 模 組 在 圖 23 中 表 示 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖, 與 上 章 節 的 圖 2 比 較 起 來, 我 們 使 用 嵌 入 式 開 發 板 取 代 了 電 腦 的 功 能, 嵌 入 式 開 發 板 與 外 部 自 行 設 計 的 31

x1 x2 u1 量 測 系 統 模 組 透 過 GPIO 進 行 資 料 的 傳 輸, 並 可 透 過 嵌 入 式 開 發 板 上 的 鍵 盤 來 設 定 相 關 資 訊 的 參 數, 而 所 量 測 到 的 波 形 可 直 接 在 嵌 入 式 開 發 板 的 LCM 螢 幕 上 展 示 出 來, 透 過 網 路 的 傳 輸 可 將 嵌 入 式 開 發 板 所 量 測 到 的 波 形 傳 送 至 遠 端 伺 服 器 端 在 嵌 入 式 開 發 板 上 面 已 經 有 了 完 整 乙 太 網 路 的 功 能 以 及 TCP/IP 的 通 訊 模 組, 與 完 整 的 程 式 開 發 環 境, 相 較 而 言 利 用 這 種 嵌 入 式 開 發 板 來 做 網 路 以 及 資 料 的 管 理 與 傳 輸 會 相 當 方 便, 以 及 內 含 精 簡 的 uclinux 作 業 系 統 可 以 同 時 執 行 網 路 與 控 制 等 不 同 的 多 個 程 序, 再 加 上 嵌 入 式 系 統 的 體 積 與 成 本 的 關 係, 可 以 更 加 節 省 開 發 的 負 擔 Ethernet Internet Server Voltage Signal Generator Waveform A / D Embedded Board Oscilloscope Waveform Circuit User 圖 23 以 嵌 入 式 開 發 板 為 基 礎 之 遠 端 電 子 量 測 系 統 架 構 圖 3.3.1 量 測 介 面 板 模 組 Display Embedded Board Control Module Interface Module Power Supply Buffer DAC Amplifer LCM Embedded Board GPIO 8 2 5 5 A Control Circuits Buffer Signal Generator DAC Amplifer Oscilloscope Testing Circuit Buffer ADC Amplifer 圖 24 量 測 介 面 電 路 功 能 方 塊 圖 32

在 圖 24 表 示 介 面 電 路 的 功 能 方 塊 圖, 我 們 將 圖 中 分 為 ADC DAC 與 控 制 模 組 三 大 部 份, ADC 模 組 主 要 的 功 能 是 將 外 部 的 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 號 提 供 嵌 入 式 板 端 的 接 收 與 處 理, 例 如 示 波 器 便 是 使 用 ADC 模 組 來 設 計,DAC 模 組 則 是 將 嵌 入 式 系 統 的 數 位 訊 號 轉 換 成 類 比 訊 號 送 出 提 供 外 部 使 用, 如 電 源 供 應 器 與 波 形 產 生 器, 而 控 制 模 組 負 責 管 理 ADC 與 DAC 模 組, 除 了 協 調 每 個 時 段 中 由 那 個 模 組 與 嵌 入 開 發 式 板 進 行 溝 通 傳 送 資 料 以 及 避 免 造 成 互 搶 資 源 的 情 況 發 生 外, 未 與 嵌 入 式 板 溝 通 的 模 組 週 邊 控 制 也 是 由 控 制 模 組 來 負 責 控 制 分 配, 以 下 我 們 就 針 對 這 三 部 份 來 做 說 明 : 1.DAC 模 組 在 進 行 電 子 實 驗 的 操 作 中, 所 會 使 用 到 的 訊 號 不 外 乎 是 電 源 供 應 器 與 波 形 產 生 器 這 兩 大 類, 這 兩 者 有 個 最 大 的 特 色 就 是 輸 出 電 壓 提 供 外 部 的 研 究 操 作, 不 同 的 是 電 源 供 應 器 提 供 的 是 穩 定 的 DC 電 壓, 而 波 形 產 生 器 卻 是 產 生 各 種 頻 率 各 種 類 型 的 波 形, 如 正 弦 波 方 波 與 三 角 波 等 等 波 形, 下 列 我 們 就 在 細 分 成 兩 部 份 來 討 論 (1) 電 源 供 應 器 以 電 源 供 應 器 的 使 用 環 境 來 討 論, 我 們 可 以 發 現 電 源 供 應 器 主 要 的 需 求 是 能 夠 提 供 一 個 穩 定 的 電 壓, 不 希 望 有 電 壓 漂 移 或 是 跳 動 的 情 況 發 生, 所 以 對 於 電 源 供 應 器 來 說, 使 用 的 DAC 模 組 套 件 提 供 穩 定 的 電 壓 就 比 轉 換 的 速 度 來 的 重 要, 在 我 們 的 設 計 中, 一 切 的 操 作 皆 透 過 嵌 入 式 板 上 的 鍵 盤 來 設 定, 如 電 壓 的 大 小, 使 用 者 只 需 在 鍵 盤 上 輸 入 數 值, 嵌 入 式 板 便 會 傳 送 相 關 資 訊 至 電 源 供 應 器 的 模 組 並 且 輸 出 相 對 應 的 電 壓 提 供 操 作 者 使 用 (2) 波 形 產 生 器 波 形 產 生 器 主 要 是 採 用 數 位 訊 號 處 理 書 中 的 取 樣 定 理, 將 一 個 週 期 的 波 形 取 樣 出 200~500 個 點, 每 隔 時 間 t 我 們 便 送 出 一 筆 波 形 值 到 DAC 並 且 經 過 轉 換 輸 出, t 為 一 個 非 常 短 的 時 間, 連 續 200~500 個 t 的 時 間 過 後 便 可 以 產 生 出 一 組 週 期 波 形, 並 且 在 重 複 上 述 動 作, 便 可 以 產 生 一 組 連 續 的 週 期 波 形, 我 們 所 設 計 的 嵌 入 式 波 形 產 生 器 就 是 透 過 上 敘 的 定 理 為 基 礎 所 建 構 出 來 波 形 產 生 器 主 要 就 是 提 供 不 同 頻 寬 的 各 式 各 樣 波 形 如 正 弦 波 三 角 波 與 方 波 注 入 至 待 測 電 路 的 輸 入 端 並 且 在 該 電 路 輸 出 端 觀 察 波 形 的 變 化, 以 驗 證 電 路 是 否 符 合 預 計 的 變 化 與 找 出 電 路 的 最 大 容 忍 頻 寬 為 多 少, 所 以 數 位 類 比 轉 換 晶 片 的 轉 換 速 度 就 顯 得 非 常 重 要, 以 一 個 轉 換 速 度 為 33

80MHz 的 設 計 來 說, 根 據 取 樣 定 理 得 知 取 樣 的 頻 寬 為 取 樣 速 度 的 一 半, 但 是 兩 點 所 產 生 的 波 形 完 全 無 法 判 斷 是 何 種 波 形, 若 要 能 夠 產 生 一 個 較 為 完 整 的 波 形 約 需 要 十 個 取 樣 點 所 構 成, 所 以 以 我 們 設 計 的 波 形 產 生 器 所 採 用 的 80MHz 的 轉 換 速 度 約 能 夠 產 生 頻 寬 為 8MHz 波 形, 但 是 數 位 類 比 轉 換 晶 片 要 轉 換 必 須 根 據 數 位 位 元 輸 出 的 值 來 決 定 轉 換 的 電 壓 為 多 少, 而 數 位 位 元 輸 出 的 值 則 是 經 由 使 用 者 設 定 後 透 過 嵌 入 式 開 發 板 輸 出 所 提 供, 若 嵌 入 式 送 出 值 的 速 度 不 夠 快 也 無 法 產 生 高 頻 率 的 訊 號, 但 是 嵌 入 式 板 的 傳 輸 速 度 是 已 受 限 的 無 法 改 變, 因 此 我 們 在 嵌 入 式 開 發 板 與 數 位 類 比 轉 換 晶 片 中 間 加 入 一 組 緩 衝 器 晶 片, 可 以 先 將 波 形 的 數 位 資 訊 全 部 儲 存 在 緩 衝 器 中, 再 快 速 地 將 訊 號 寫 出 至 數 位 類 比 轉 換 晶 片 中, 由 於 緩 衝 器 的 速 度 既 可 以 快 到 滿 足 數 位 類 比 轉 換 晶 片 所 需 求 的 標 準, 也 可 以 很 緩 慢 地 讀 入 資 料, 對 於 緩 衝 兩 個 速 度 不 一 的 硬 體 來 說 是 非 常 方 便 的, 並 且 可 重 複 傳 送 資 料 的 功 能, 如 此 一 來 當 我 們 將 資 料 儲 存 到 暫 存 器 之 後, 只 要 資 料 沒 有 變 動, 則 不 需 再 從 嵌 入 式 板 端 重 新 傳 送 資 料, 可 以 大 量 的 節 省 中 央 處 理 單 位 (CPU) 的 使 用 資 源 而 圖 23 為 波 形 產 生 器 的 頻 寬 分 析 圖, 我 們 可 以 從 中 得 知 由 於 暫 存 器 晶 片 緩 衝 了 GPIO 與 類 比 數 位 轉 換 晶 片, 因 此 頻 寬 的 限 制 主 要 就 在 輸 出 端 的 最 後 三 塊 模 組 ( 暫 存 器 類 比 數 位 轉 換 晶 片 與 訊 號 放 大 器 ) 上, 而 越 靠 近 輸 出 端 的 模 組 頻 寬 要 比 前 一 級 模 組 的 頻 寬 略 大 一 些, 這 樣 才 能 夠 提 供 到 最 大 的 效 能, 若 後 級 的 模 組 頻 寬 比 前 一 級 還 要 來 的 小 便 會 產 生 錯 誤, 以 暫 存 器 與 類 比 數 位 轉 換 晶 片 來 說, 若 類 比 數 位 轉 換 晶 片 的 頻 寬 比 暫 存 器 小, 便 會 來 不 及 接 收 資 料, 造 成 資 料 的 遺 失 並 且 所 轉 換 出 來 的 波 形 會 有 嚴 重 的 失 真 訊 號 產 生, 而 在 類 比 數 位 轉 換 晶 片 與 訊 號 放 大 器 之 間, 如 果 訊 號 放 大 器 的 頻 寬 比 類 比 數 位 轉 換 晶 片 的 頻 寬 來 的 小, 會 造 成 波 形 的 振 幅 減 少, 與 原 本 正 確 輸 出 的 波 形 會 有 誤 差 產 生, 並 且 會 造 成 波 形 抖 動 與 扭 曲 等 失 真 的 現 象 發 生, 對 於 波 形 產 生 器 的 設 計 來 說 這 是 不 允 許 的, 要 避 免 這 樣 的 情 況 發 生, 所 以 我 們 在 選 用 模 組 時 候 必 須 考 慮 到 彼 此 頻 寬 搭 配 的 問 題, 以 我 們 所 選 的 模 組 為 例, 類 比 數 位 轉 換 晶 片 選 用 取 樣 速 度 為 100MHz 除 了 可 以 避 免 暫 存 器 的 資 料 遺 失 外, 也 避 免 造 成 頻 寬 浪 費 的 問 題, 而 訊 號 放 大 器 之 所 以 選 擇 頻 寬 為 150MHz 的 晶 片, 是 因 為 避 免 類 比 數 位 轉 換 晶 片 所 轉 換 出 來 的 波 形 受 限 於 頻 寬 -3db 的 特 性 而 造 成 放 大 的 誤 差, 所 以 選 擇 頻 寬 為 34

150MHz 的 訊 號 放 大 器, 可 以 避 免 訊 號 受 影 響 圖 25 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 - 波 形 產 生 器 頻 寬 限 制 分 析 圖 2.ADC 模 組 ADC 模 組 主 要 是 應 用 在 示 波 器 部 份, 將 類 比 訊 號 轉 換 成 數 位 訊 號 提 供 嵌 入 式 板 所 辨 識, 根 據 數 位 訊 號 處 理 一 書 中 我 們 可 以 得 知 類 比 轉 數 位 的 方 法 如 下 圖 五 所 示, 令 輸 入 的 訊 號 為 x(t) 每 隔 1/T 的 時 間 便 抓 取 x(t) 的 值 一 次, 接 著 將 所 得 到 的 x(nt) 值 作 量 化 (Quantize), 便 可 以 得 到 我 們 所 想 要 的 數 位 訊 號, 而 示 波 器 最 重 要 的 包 含 了 取 樣 的 速 度, 取 樣 速 度 越 快, 代 表 的 時 間 1/T 會 越 短, 以 同 一 段 時 間 同 一 組 訊 號 來 說, 取 樣 速 度 越 快 的 就 可 以 獲 得 較 多 的 取 樣 數, 也 可 以 獲 得 較 詳 細 的 波 形 數 位 資 訊, 在 取 樣 理 論 中 取 樣 速 度 最 少 要 大 於 取 樣 頻 寬 的 兩 倍, 但 是 以 示 波 器 的 設 計 來 說 取 樣 速 度 卻 要 大 於 頻 寬 至 少 10 倍 以 上, 這 是 因 為 示 波 器 的 目 的 是 要 觀 察 波 形, 而 波 形 若 只 有 兩 個 或 是 三 個 點 所 構 成 並 無 法 判 斷 是 何 種 波 形, 以 兩 個 點 來 說 三 角 波 方 波 與 正 弦 波 所 呈 現 的 是 一 樣 的, 所 以 我 們 在 設 計 示 波 器 時 至 少 取 樣 的 速 度 要 大 於 我 們 的 頻 寬 10 倍 以 上, 這 是 為 了 波 形 的 辨 識 度 而 必 須 要 有 的 規 定 與 波 形 產 生 器 相 同 的, 在 示 波 器 的 頻 寬 限 制 上 除 了 上 述 的 取 樣 速 度 外,BUFFER 的 取 樣 速 度, 各 晶 片 的 傳 輸 速 度 與 頻 寬 都 與 示 波 器 的 頻 寬 有 著 極 大 的 關 係, 與 波 形 產 生 器 不 同 的 在 於, 波 形 產 生 器 由 於 是 將 訊 號 從 數 位 的 資 訊 轉 換 成 類 比 訊 號 送 出, 所 以 越 靠 近 類 比 端 的 模 組 頻 寬 要 較 前 一 級 模 組 的 頻 寬 要 大 才 行, 而 示 波 器 則 是 恰 好 相 反, 越 靠 近 類 比 端 的 模 組 要 比 後 一 級 模 組 的 頻 寬 小, 避 免 在 數 位 類 比 轉 換 晶 片 轉 換 之 前 訊 號 已 經 產 生 了 失 真, 轉 換 出 來 的 資 訊 便 不 具 有 可 靠 性, 而 在 BUFFER 與 GPIO 之 間, 由 於 BUFFER 主 要 功 能 就 是 緩 衝 兩 個 速 度 不 同 的 模 組 資 料 的 傳 遞, 傳 輸 的 速 度 可 快 可 慢, 所 以 即 使 GPIO 的 頻 寬 再 慢, 都 可 以 慢 慢 地 從 BUFFER 中 讀 取 資 料, 不 怕 造 成 資 料 遺 失 情 況 發 生 35

Signal OP BW:80 MHz D/A SR:80M Hz BUFFER BW:83.3 MHz GPIO BW:1 MHz Embedded Board 圖 26 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 - 示 波 器 頻 寬 限 制 分 析 圖 在 我 們 設 計 的 示 波 器 主 要 的 目 的 是 令 使 用 者 可 以 在 近 端 觀 察 到 所 量 測 的 波 形, 並 且 可 以 將 波 形 的 資 訊 傳 送 之 遠 端 伺 服 器 ( 教 學 端 ) 進 行 驗 證 的 工 作, 由 於 近 端 的 嵌 入 式 板 所 支 援 的 LCM(Liquid Crystal Monitor) 繪 圖 板 解 析 度 較 低 (128X64), 所 以 在 近 端 中 我 們 觀 察 到 的 波 形 會 是 個 解 析 度 略 低 的 波 形, 若 使 用 者 想 要 更 仔 細 地 觀 察 波 形 的 架 構 可 以 透 過 網 路 的 傳 輸 將 波 形 資 訊 傳 送 到 電 腦 上 便 可 觀 察 到 解 析 度 較 高 的 波 形, 對 於 想 要 立 刻 知 道 波 形 的 使 用 者 可 以 馬 上 從 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 - 示 波 器 中 觀 察 到 波 形, 而 需 要 詳 細 檢 查 的 使 用 者 也 可 以 從 電 腦 螢 幕 上 獲 得 更 詳 細 的 資 訊, 不 論 是 使 用 何 種 操 作 環 境 皆 都 非 常 便 利 地 觀 察 到 波 形 3. 控 制 模 組 由 於 嵌 入 式 開 發 板 主 要 的 設 計 是 類 似 小 型 微 算 機 功 能, 具 有 中 央 處 理 器 計 算 記 憶 體 存 取 資 料 與 I/O 與 外 部 進 行 溝 通 這 三 大 部 份, 而 我 們 是 利 用 I/O 與 多 個 外 接 模 組 進 行 溝 通 傳 送 資 料 等 動 作, 由 於 I/O 腳 位 有 限, 無 法 每 個 外 接 模 組 都 擁 有 獨 立 的 I/O 來 控 制, 勢 必 使 用 共 用 腳 位 的 方 式 來 分 享 I/O, 而 嵌 入 式 主 機 板 無 法 去 分 辨 與 他 相 接 的 外 部 模 組 為 何, 更 無 法 分 配 嵌 入 式 主 機 板 上 的 系 統 資 源 給 每 個 外 接 的 模 組, 所 以 我 們 必 須 使 用 一 組 控 制 電 路 來 管 理 上 述 的 問 題, 在 這 次 的 設 計 中 我 們 使 用 最 方 便 的 8255 晶 片 來 作 為 控 制 模 組 的 核 心, 由 於 8255 除 了 具 備 三 組 的 通 道 與 一 組 資 料 匯 流 排 外 還 具 有 雙 向 傳 輸 的 功 能, 並 且 操 作 簡 單, 不 會 對 於 我 們 的 設 計 造 成 額 外 的 負 擔, 只 需 將 三 顆 8255 晶 片 並 聯 就 可 以 完 全 控 制 本 設 計 中 所 需 要 的 三 套 ( 各 兩 組 ) 外 接 模 組 ( 電 源 供 應 器 波 形 產 生 器 與 示 波 器 ), 使 得 資 料 輸 出 與 輸 入 時 並 不 會 互 相 干 擾 而 造 成 程 式 錯 亂 發 生 3.3.2 嵌 入 式 開 發 板 模 組 在 嵌 入 式 開 發 板 部 份 我 們 採 用 ARNUX7525A 嵌 入 式 開 發 平 台, 開 發 板 上 使 用 了 ARM7TDMI 處 理 器, 以 及 16MB SDRAM 與 4+1MB 的 快 閃 記 36

憶 體 並 且 開 發 板 上 提 供 了 一 個 10M / 100M 自 動 偵 測 快 速 Ethernet 介 面 兩 個 RS-232 串 列 Port 與 多 個 可 程 式 I/O 在 這 個 嵌 入 式 平 台 即 構 成 一 個 最 小 的 完 整 應 用 系 統 嵌 入 式 系 統 具 有 體 積 小 耗 電 低 處 理 能 力 強 具 有 網 路 功 能 強 大 等 特 點, 能 夠 裝 載 和 運 行 嵌 入 式 µclinux 的 作 業 系 統 我 們 可 以 在 這 個 系 統 平 臺 上 進 行 軟 體 開 發 與 除 錯, 針 對 具 體 的 應 用 透 過 對 開 發 板 的 更 改 來 實 現 自 己 的 應 用 系 統 而 平 台 的 處 理 器 S3C4510B 是 一 款 高 性 能 低 功 耗 的 32 位 元 精 簡 指 令 集 處 理 器, 它 是 以 ARM7TDMI 為 核 心 支 援 各 種 週 邊 設 備 和 大 量 的 軟 體 發 展 工 具 以 ARM7TDMI 為 中 央 處 理 器 所 發 展 出 來 的 低 價 位 高 效 能 Linux 平 台, 可 以 充 分 利 用 Linux 的 豐 富 資 源, 在 平 台 上 發 展 各 種 應 用, 目 前 已 支 援 乙 太 網 路 Linux 提 供 多 種 系 統 呼 叫 (System Calls) 供 應 用 程 式 來 使 用, 加 上 Linux 跨 平 台 的 特 性, 發 展 應 用 程 式 都 在 一 般 桌 上 個 人 電 腦 下 的 Linux 下 用 C/C++ 或 組 合 語 言 來 發 展, 經 編 譯 或 組 譯 之 後, 再 下 載 至 ARM7 的 嵌 入 式 開 發 板 平 台 上 執 行 即 可 若 是 需 要 更 高 的 處 理 效 率, 可 以 增 加 數 位 訊 號 處 理 (DSP) 等 晶 片 作 更 高 階 的 應 用 我 們 使 用 這 個 嵌 入 式 開 發 平 台 來 控 制 類 比 轉 數 位 與 數 位 轉 類 比 等 元 件 工 作, 以 及 控 制 乙 太 網 路 來 傳 送 TCP/IP 封 包 給 遠 端 的 伺 服 器, 同 時 也 在 遠 端 伺 服 器 上 架 設 簡 單 的 監 控 客 戶 端 波 形 訊 號 程 式 來 執 行 接 收 使 用 者 所 傳 送 的 每 個 波 形 資 訊, 並 且 在 適 當 的 時 機 提 供 其 他 的 波 形 資 訊 協 助 使 用 者 排 除 電 路 上 的 問 題 3.4 系 統 軟 體 流 程 我 們 在 嵌 入 式 開 發 板 使 用 了 µclinux 作 業 系 統, 由 於 µclinux 相 當 精 簡 所 以 整 個 作 業 系 統 所 占 記 憶 體 空 間 非 常 小, 所 以 非 常 適 合 放 在 記 憶 體 容 量 有 限 的 嵌 入 式 開 發 板, 並 且 嵌 入 式 系 統 通 常 為 了 提 高 系 統 的 可 攜 性, 往 往 採 用 HAL(Hardware Abstraction Layer) 與 BSP(Board Support Package) 的 底 層 結 構 設 計,HAL 提 供 了 與 設 備 無 關 的 特 性, 遮 蓋 了 不 同 平 台 硬 體 的 差 異, 像 作 業 系 統 的 上 層 提 供 了 一 套 統 一 的 介 面, 並 隱 藏 各 種 與 硬 體 有 關 的 細 節 保 證 了 整 個 系 統 的 可 攜 性 軟 體 模 組 分 成 嵌 入 式 開 發 板 µclinux 作 業 系 統 下 接 收 資 料 程 式 部 份 以 及 遠 端 伺 服 器 端 監 控 軟 體 兩 部 份 37

3.4.1 嵌 入 式 開 發 板 資 料 接 收 與 傳 送 程 式 流 程 在 資 料 傳 送 與 接 收 的 流 程 圖 中 我 們 一 樣 將 遠 端 電 子 量 測 系 統 分 成 兩 大 模 組 來 討 論, 圖 27 為 波 形 產 生 器 資 料 傳 送 的 流 程, 圖 28 則 是 示 波 器 資 料 接 收 的 流 程 1. 波 形 產 生 器 傳 統 上 的 波 形 產 生 器 主 要 是 用 按 鈕 與 轉 軸 來 調 整 訊 號 的 參 數, 如 頻 寬 振 幅 大 小 與 波 形 種 類, 但 在 嵌 入 式 開 發 板 只 需 透 過 這 鍵 盤 就 可 以 完 成 波 形 的 一 切 設 定, 首 先 波 形 產 生 器 會 先 詢 問 要 選 擇 何 種 波 形, 提 供 了 基 本 的 SIN 波 方 波 與 三 角 波 攻 使 用 者 選 取, 待 使 用 者 選 取 後 再 來 可 輸 入 所 設 定 的 波 形 振 幅 大 小, 透 過 數 位 的 方 式 輸 入 可 以 比 傳 統 轉 軸 更 方 便, 接 著 最 後 設 定 所 想 要 的 頻 寬, 待 一 切 設 定 完 成 後 嵌 入 式 波 形 產 生 器 便 會 自 動 產 生 波 形 提 供 使 用 者 使 用, 整 個 操 作 並 不 困 難, 而 且 可 以 在 LCM 上 提 供 使 用 者 即 時 預 覽 所 輸 出 的 波 形, 若 是 對 於 輸 出 的 波 形 不 甚 滿 意 可 以 重 新 設 定 另 一 組 的 波 形 值, 波 形 的 流 程 圖 如 圖 27 所 示, 使 用 者 可 直 接 透 過 選 單 來 選 取 要 傳 送 的 波 形 樣 式, 之 後 輸 出 振 幅 與 波 形 的 頻 率, 待 相 關 的 參 數 都 設 定 好 之 後, 波 形 產 生 器 的 模 組 便 會 自 動 將 使 用 者 所 設 定 的 波 形 輸 出 至 外 部 端, 比 起 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 波 形 產 生 器, 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 的 波 形 產 生 器 所 耗 費 的 系 統 資 源 較 低, 程 式 佔 的 記 憶 體 也 相 對 較 小, 並 且 在 控 制 上 透 過 GPIO 的 輸 出, 我 們 僅 需 12 根 腳 (8bit 資 料 量 4bit 控 制 訊 號 ) 就 可 以 控 制 波 形 產 生 器, 也 大 量 節 省 傳 輸 的 資 料 流 量, 在 執 行 起 來 能 夠 更 快 速 地 處 理 波 形 的 輸 出 38

(1)Start A (2)Choose Waveform 1. Sine 2. Triangle 3.Square 4. Exit Yes (5)Input Waveform Frequence (3)Choose 4? (6)Produce Waveform No (4)Input Amplitude Range (-5~5V) A Yes (7)Choose Another Waveform? No End 圖 27 嵌 入 式 波 形 產 生 器 操 作 流 程 圖 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 波 形 產 生 器 模 組 的 軟 體 流 程 圖 解 說 ( 圖 27) (1) 開 啟 新 的 畫 面 以 及 初 始 化 系 統 (2) 選 擇 要 提 供 的 波 形 格 式 (3) 是 否 要 離 開 波 形 產 生 器 模 組 軟 體 設 定 (4) 設 定 欲 提 供 波 形 的 振 幅 大 小 (5) 設 定 欲 提 供 波 形 的 頻 寬 大 小 (6) 產 生 波 形 並 且 輸 出 (7) 判 斷 是 否 要 傳 送 下 一 組 波 形 2. 示 波 器 而 圖 28 則 為 示 波 器 的 操 作 流 程 圖, 我 們 只 需 在 嵌 入 式 遠 端 電 子 量 測 系 統 上 選 擇 我 們 想 要 定 義 的 每 個 取 樣 點 時 間 的 間 隔 後, 按 下 擷 取 波 形 的 按 鈕, 嵌 入 式 示 波 器 便 會 在 LCM 上 繪 出 所 量 測 到 的 波 形, 如 果 我 們 想 要 將 波 形 傳 送 到 遠 端, 在 按 下 傳 送 模 式 的 按 鍵 後, 只 需 要 輸 入 遠 端 的 IP 位 置, 就 可 將 波 形 傳 送 至 遠 端 伺 服 器 上, 操 作 起 來 非 常 方 便, 而 在 近 端 上 我 們 可 以 針 對 波 形 做 加 減 的 運 算, 讓 使 用 者 可 以 比 較 輸 入 與 輸 出 的 波 形 差 異, 也 可 以 驗 證 出 所 測 量 的 電 子 實 驗 波 形 是 否 正 確 39

圖 28 嵌 入 式 示 波 器 操 作 流 程 圖 遠 端 電 子 量 測 系 統 示 波 器 模 組 的 軟 體 流 程 圖 解 說 ( 圖 28) (1) 開 啟 新 的 畫 面 以 及 初 始 化 系 統 (2) 設 定 示 波 器 的 取 樣 頻 率 (3) 量 測 外 部 訊 號 (4) 展 示 所 量 測 到 的 訊 號 於 嵌 入 式 開 發 板 的 螢 幕 上 (5) 判 斷 是 否 要 將 所 量 測 到 的 波 形 傳 送 給 遠 端 伺 服 器 (6) 輸 入 遠 端 伺 服 器 IP 位 置 (7) 傳 送 波 形 到 遠 端 伺 服 器 (8) 是 否 要 量 測 新 的 輸 出 訊 號 3.5 整 體 架 構 延 遲 時 間 分 析 與 討 論 在 整 體 的 架 構 中 我 們 先 排 序 出 全 部 的 儀 器 操 作 所 需 耗 費 的 時 間, 並 且 實 際 去 量 測 所 耗 費 的 時 間 與 所 佔 的 比 例, 這 樣 可 以 進 而 了 解 嵌 入 式 主 機 板 被 使 用 的 時 間 分 配 到 底 為 何, 更 可 以 讓 我 們 更 有 效 地 分 配 嵌 入 式 主 機 板 的 使 用 時 間 並 提 升 效 能, 首 先 我 們 先 定 義 一 個 使 用 週 期 中 所 需 執 行 的 動 作 為 何, 在 電 40