ncu-course-optoMechatronicsInterfacingLaboratory

簡介

• 學校 : 國立中央大學
• 開課單位 : 機械工程學系
• 課程名稱 : 光機電介面及實驗
• 授課教授 : 江士標 教授
• 修課時間 : 2021年09月~2022年01月
• 最終成績 : 100

Lab介紹

1. 數位資料擷取系統人機介面

   學習MCU，HMI，matlab之間傳遞資料，並透過matlab來分析資料

   Report-Lab1

2. ASABUS介面卡開發-I2C

   學習如何透過I2C操作溫度計(TCA9534A)下的不同模式(休眠模式下單發量測/比較模式下溫度中斷警告/量測模式下固定周期量測)

   Report-Lab2

3. ASABUS擴充介面卡開發-SPI智慧型IC

   學習如何透過SPI操作溫度計(TMP121)及LED點矩陣控制IC(MAX7219)

   Report-Lab3

4. 資料擷取系統TIMER配合ADC使用

   學習如何使用C4MLib中的降頻器/Timer及ADC

   Report-Lab4

5. ASA DAC介面卡開發及使用

   學習如何使用DAC晶片

   Report-Lab5

6. PWM輸出及橋式驅動電路

   學習使用Timer來操控PWM輸出

   Report-Lab6

7. 類比訊號處理

   學習(反向/非反向)放大電路, (一階/二階)低通濾波器/二階差動濾波器, 開迴路增益(Open Loop Gain), 增頻頻寬積(GBW, Gain-Bandwidth Product), 儀表放大器(AD620)的差動增益/CMRR/電磁波雜訊拾取

   Report-Lab7

8. 感測器訊號處理

   學習紅外線感測器, 微動開關, 可變電阻, 光敏電阻, 電容麥克風, 馬達_發電機, 光感測器_LED, 霍爾磁場感測器如何操作及量測

   Report-Lab8

9. 致動器，致動器驅動電路

   學習線性功率放大驅動電路及H全橋驅動電路

   Report-Lab9

Lab作業

1. 數位資料擷取系統人機介面
   State Space Model
   $x(k+1) = A(k)x(k) + B(k)u(k)$
   $y(k) = C(k)x(k) + D(k)u(k)$

   x(k+1) 表示下一個時刻的狀態
   x(k) 表示當前時刻的狀態
   u(k) 表示當前時刻的輸入
   A(k), B(k), C(k) 和 D(k) 是狀態空間模型的參數矩陣

   1. 從MATLAB生成200筆sin(30*t)，t = -0.5~0.5 [s]，並透過HMI-API傳至ASA_M128_V2當作輸入，此時設定狀態空間參數 A=1; B=0.75; C=0.5, D=0.25, x(0)=0; ，將結果透過HMI-API再回傳給MATLAB作圖

      

   2. 從MATLAB生成200筆cos(60*t+2)，t = -0.5~0.5 [s]，並透過HMI-API傳至ASA_M128_V2當作輸入，此時設定狀態空間參數 A=1; B=-1; C=1, D=-1, x(0)=1; ，將結果透過HMI-API再回傳給MATLAB作圖

      

2. ASABUS介面卡開發-I2C
   datasheet-TCA9534A

   1. 休眠模式下單發量測

      

   2. 比較模式下溫度中斷警告

      

   3. 量測模式下固定周期量測

      

3. ASABUS 擴充介面卡開發-SPI智慧型IC
   datasheet-TMP121
   datasheet-MAX7219
   ASA_M128_V3透過SPI量測當前溫度，並透過MAX7219使四顆七段顯示器顯示出當前溫度
   

4. 資料擷取系統TIMER配合ADC使用

   1. Timer/降頻器/Port應用
      

      f_cpu=11.0592[MHz], f_div=1024, f_timer3 = f_cpu/(f_div*(1+OCR_counter))
      分四個時段

      1. OCR3=1000, T_timer3~= 92.7[ms], PORTD0 = 1
      2. OCR3=2000, T_timer3~=185.4[ms], PORTD0 = 0
      3. OCR3=3000, T_timer3~=278.1[ms], PORTD0 = 1
      4. OCR3=4000, T_timer3~=370.7[ms], PORTD0 = 0

   2. ADC應用(單純使用c語言) 設定ADC為10-bits轉換，參考電壓2.56[V]，並使用電源供應器供應0[V]/1.23[V]時，MCU所量到的ADC數值為多少

      電壓[v]	理論ADC數值	實際ADC數值
      0	0	35
      1.23	511(2^10/2-1)	480
      2.56	1023(2^10-1)

      

   3. ADC應用(c語言+MATLAB)
      透過HMI-API將ASA_M128的輸出傳遞至MATLAB上顯示，並計算ADC偏移數值(實際ADC數值-理論ADC數值)與計算增加一個ADC數值所對應的電壓為多少(1.23[V]/(1.23[V]之實際ADC數值-0[V]實際ADC數值))

      • ADC偏移:31
      • 一個ADC數值所對應的電壓:0.0027394[V]

      電壓[v]	理論ADC數值	實際ADC數值
      0	0	31
      1.23	511(2^10/2-1)	480
      2.56	1023(2^10-1)

      

   4. ADC應用
      使用單通道和雙差動通道對同一訊號進行量測，訊號為sine wave, 10[Hz], V_pp=1[V], V_offset=0.5[V]

      

5. ASA DAC介面卡開發及使用 從MATLAB生成200筆sin(t)，t = 0~2*pi [s]，先在MATLAB中使用ADC數值轉換，再透過HMI-API丟資料給ASA_M128_V3當作輸入，並使用DAC晶片(MCP4922, 12-bits)輸出結果
   datasheet-MCP4922

   

6. PWM輸出及橋式驅動電路

   1. 觀察PWM輸出頻率及波寬實驗
      以不同頻率輸出PWM並觀察經過低通濾波器(100Ω, 10μF)的結果，由於方波是由多個頻率疊加而成，因此經過低通濾波器後，僅會讓低頻率($f_c=\frac{1}{2\pi*RC}=159[Hz]$)通過，而訊號切換(0/1)的地方則會變鈍

      • f_cpu=11.0592[MHz], f_div=256, OCR2=107, f_timer2 = f_cpu/(f_div*(1+OCR2))=400[Hz]

        

      • f_cpu=11.0592[MHz], f_div=1024, OCR2=107, f_timer2 = f_cpu/(f_div*(1+OCR2))=100[Hz]

        

   2. 觀察單通道PWM波寬變化波形實驗
      由MATLAB生成200筆square(t, duty)，t = 0~pi [s]，duty=5%, 25%，透過HMI-API丟資料給ASA_M128_V3當作輸入，再透過PB6輸出接收到的資料，經過低通濾波器(100Ω, 10μF)及分壓(1/2, atmega128 gpio電壓為0[V]/5[V], ADC內部參考電壓為2.56[V]，因此需要分壓)後，傳送回ASA_M128_V3的ADC，最後再把轉換結果傳回MATLAB繪圖

      • Duty=5%

        

      • Duty=25%

        

   3. 觀察三通道PWM三相弦波輸出波形實驗
      由MATLAB生成180筆(sin(t)+1)*255/2，t = 0~2pi [s]，透過HMI-API丟資料給ASA_M128_V3當作輸入，再透過PWMPrePro_step切割訊號成三等份，透過Timer耦合的腳位輸出三個相位訊號(+0, +1/3pi, +2/3*pi)PORTB7:5，經過低通濾波器(100Ω, 10μF)後，傳給ASA_M128_V3的ADC當作輸入，最後再回傳給MATLAB繪圖

      

7. 類比訊號處理
   詳細請見Report

8. 感測器訊號處理
   詳細請見Report

9. 致動器，致動器驅動電路
   詳細請見Report

Lab驗收

1. 數位資料擷取系統人機介面
   從MATLAB生成300筆sin(50*t)，t = -0.5~0.5 [s]，並透過HMI-API傳至ASA_M128_V2當作輸入，此時設定狀態空間參數A=0.5; B=0.45; C=0.35, D=0.25, x(0)=0.15; ，將結果透過HMI-API再回傳給MATLAB作圖

   

2. ASABUS介面卡開發-I2C
   ASA_M128_v3即時將溫度計透過HMI-API傳遞給MATLAB繪製當前溫度

3. ASABUS擴充介面卡開發-SPI智慧型IC
   ASA_M128_V3透過SPI量測當前溫度，並透過MAX7219使四顆七段顯示器顯示出當前溫度，額外使七段顯示器閃爍(每1秒不顯示0.1秒)

4. 資料擷取系統TIMER配合ADC使用
   將HW4_3的單/雙差動通道ADC結果傳遞至MATLAB，並使用FFT來查看頻譜

5. ASA DAC介面卡開發及使用
   在 MATLAB 生成 200 筆 sin(1000*t) 的資料,轉換為 12 位元 ADC 值後,透過 HMI-API 傳送給 ASA_M128_V3 板子,ASA_M128_V3 再將資料傳送給外部的 DAC 晶片(MCP4922, 12-bits)輸入,DAC 晶片的輸出再接回 ASA_M128_V3 的 ADC 輸入,最後 ASA_M128_V3 將 ADC 讀取值透過 HMI-API 回傳給 MATLAB 進行頻譜分析

   

6. PWM輸出及橋式驅動電路
   將HW6_3從三相位改成雙相位

開發環境與需求

• AVR-gcc
  Atmel-Studio

• C4MLIB v3.7.0

• ASA_M128_V2(AVR ATMega128)
  ASA官網

• HMI
  ASA_HMI_Data_Agent

• HMI-api-matlab
  ASA_HMI_Data_Agent_MATLAB_API

修課心得

這是一門我大學期間修了兩年的課程。由於這門課的工作量非常大，導致許多同學無法在大三上學期完成。因此，我在大二時就開始慢慢摸索，邊向學長請教邊慢慢做實驗。

在這兩年的修課期間，老師對講義曾進行了大幅度的改版，這也使得有些實驗需要重做，我花了很多時間去探索 ATmega128 與 C4Mlib 這套由老師和實驗室共同開發的函式庫。由於在編寫講義的時候，部分函式庫的功能還沒有經過完整測試，因此我經常需要和學長一起找出函式庫中的 Bug。在這個過程中，我邊做實驗邊學習，收穫頗豐。