製作隔空感應的引擎轉速表 - 新唐N76S003計時器輸入捕捉的應用（Timer input capture）

先前說過，用新唐1T 8051 N76S003製作的003Clock套件不只是時鐘而已，設計時將所有IO接腳都拉出來了，因此它還能夠做其它有趣的應用！

這次分享一個應用實例是「隔空感應的引擎轉速表」。老樣子，會在留言區和GitHub提供完整程式碼。

https://github.com/danchouzhou/003Clock/blob/f8fa5d909b5bdadf008ea9de9164a25ca33d9015/firmware/Tachometer/main.c

引擎轉速信號

轉速表的基本原理都是測量點火之間的週期或頻率，使用類比電路、數位電路或MCU中的程式換算出轉速。那麼點火和引擎轉速有什麼關聯呢？我們看一下維基百科可以得知，當今主流的四行程引擎運作時，720度中分為 進氣、壓縮、爆炸、排氣 共四個行程，其中爆炸行程就是靠與高壓線圈相連接的火星塞產生的火花，點燃在燃燒室中的壓縮混合氣，讓氣體溫度上升，膨脹時讓引擎產生動力。而高壓線圈可以在收到點火信號時，輸出數十KV讓火星塞產生火花。所以可以得知，點火與引擎轉速呈現線性關係，經過換算後即可得知引擎轉速。取得轉速信號最直接的方式當然就是把高壓線圈的點火信號拉出來用。

高壓線圈產生的EMI可以當成是轉速信號？

一般來說，雜訊在電路裡是我們不樂見的干擾源，但我卻將高壓線圈產生的電磁波當成是轉速信號。下圖是發動之後，將示波器探棒靠近引擎量到的波形，信號可是非常清晰的，注意喔，在這裡探棒並未直接與車輛電路相連，是隔空就能測得到信號。經過實際測試，將微控制器的IO用20公分左右的線接出來，並設定成pull-up模式（這可以避免輕微的雜訊誤觸發），接條線出來當天線靠近引擎，IO準位也會隨之跳動，完全不用額外的電路或感測器。如此以來不用改裝原車線路，就能夠「隔空」得到轉速信號。

在這邊將示波器時基設為50 ms/DIV、探棒設為1:1、垂直設為10 V/DIV，trigger level設成-20 V，可以看見trigger頻率是13.8 Hz，大約就是摩托車引擎怠速1600 RPM點火的頻率（後面會再講解頻率如何換算成轉速）。


如何得到兩次點火的間隔？

還記得之前介紹過的計時器吧！要得到兩次點火的間隔，可以開一個Timer並將IO設定成邊緣觸發的外部中斷，每次中斷發生時把Timer計數值讀取出來，再把Timer清除重新開始計時。已知Timer的時脈頻率，就可以從計數值計算出兩次中斷的間隔時間。但是會有誤差：中斷延遲（interrupt latency）以及中斷服務程式執行的時間，都會是產生誤差的原因（之前提過編譯器能保證程式邏輯正確，但不能保證執行時間、效率）。

Timer的輸入捕捉模式

前段敘述的步驟要是能靠硬體完成，就能避免軟體產生的誤差了。沒錯！那就是輸入捕捉（Input Capture）。

除了標準8051就有的Timer 0和1之外，新唐N76S003額外提供Timer 2和3，這讓計時、計數方面的應用能有更大的彈性。其中Timer 2還有輸入捕捉的功能。從它的方塊圖可以看到，下半部分是Timer 2本身，一個標準的16-bit Timer；而上半部分則是輸入捕捉模組（Input Capture Module），主要由邊緣檢測電路和栓鎖器組成，當邊緣觸發發生時，硬體會將Timer 2當下的計數值儲存進暫存器C0H, C0L，同時將CAPF0（Input Capture 0 Flag）旗標設為’1’供中斷、軟體判斷使用；當CAPCR（Capture Auto-Clear）為’1’時，CAPF0還能當成Timer 2的清除信號。這樣的組合，是不是就能達到前段敘述的功能呢？

Timer 2設定成輸入捕捉模式

將Timer 2設定成捕捉模式時要留意以下的設定

  1. Prescaler：決定Timer 2的計時速度，評估待測信號的頻率範圍，在最低頻率時不能讓Timer算到溢位且最高頻率要低於Timer輸入的時脈頻率
  2. 觸發斜率：決定邊緣檢測電路是正緣觸發、負緣觸發或正負緣都觸發
  3. 捕捉模組與輸入腳位：N76S003有CAP0~CAP2共3個捕捉模組，每個捕捉模組都可以從9個IO中擇一當成輸入捕捉的信號來源，能當輸入捕捉的IO詳見N76S003的手冊
  4. Auto-Clear或Auto-Reload：從T2MOD暫存器中的CAPCR和LDTS可以設定，捕捉到信號時要自動將Timer 2清除，或是RCMP2H, RCMP2L載入初值。前者適合計算兩個信號的間隔時間，後者適合自動判斷兩個信號是否超過設定的時長（還有很多應用方式請讀者發揮想像力）

在這次轉速表的應用中，將偵測轉速範圍設計在500 RPM ~ 10000 RPM，以四行程引擎來說換算成頻率就是4.16 Hz ~ 83.33 Hz。因此prescaler要設定成1/64才能確保在最低轉速Timer還不會溢位。計算方式如下：

16000000 Hz / 64 / 4.16 Hz = 60096.15

若prescaler降一階為1/32時，會超過Timer 2 16-bit 0 ~ 65535的計數範圍，因此1/64會是最佳選擇：

16000000 Hz / 32 / 4.16 Hz = 120192.3

要將Timer 2設定為捕捉模式很簡單，只有下面三行程式碼。在T2MOD將Timer 2的prescaler設為1/64並將Capture Auto-Clear致能，接著從CAPCON0把Input Capture Module 0打開，最後設定T2CON讓Timer 2以Auto-Reload Mode開始計時。另外CAPCON1和CAPCON3分別可以設定邊緣觸發斜率與捕捉的IO腳，我們用開機預設的負緣觸發、P1.2作為捕捉信號來源，就不再特別設定它們了。

  1. T2MOD = 0x48; // Timer 2 capture auto-clear, pre-scalar = 1/64
  2. CAPCON0 |= 0x10; // Input Capture 0 Enable
  3. // CAPCON1 &= 0xFC; // Input Capture 0 Level Select = Falling edge
  4. // CAPCON3 &= 0xF0; // Input Capture Channel 0 Input Pin = P1.2/IC0
  5. T2CON = 0x04; // Timer 2 run

將捕捉數值換算為頻率、引擎轉速

首先我們要先將捕捉到的數值C0H, C0L合併成16-bit的資料：

  1. u16cap0 = (uint16_t)C0H << 8 | C0L; // Get 16-bit capture data

可以這樣將捕捉數值換算為頻率：

Timer 2的輸入頻率 / 捕捉數值

由於我們有設定prescaler 1/64，Timer 2的輸入頻率會是Fsys 16 MHz / 64 = 250 KHz，所以這邊要帶入250000。

  1. u16freq = 250000 / u16cap0;

得到的頻率其實就已經是每秒轉速了，可以由頻率乘上60即可換算為我們常用的單位RPM（Rev Per Minute, 每分鐘轉幾圈），不過四行程引擎轉兩圈只會點火一次，所以還要再乘2。

頻率 x 60 x 2 = 引擎轉速

但是如果直接由剛剛算出來的u16freq直接乘120，解析度會變很差，原因是因為整數除法不會保留小數點。所以我們應該在原先換算頻率的公式，將它的被除數乘120倍，直接拿原始資料u16cap0來當除數。

  1. u16rev4stroke = 30000000 / u16cap0;

另外就是比較舊的一點的車輛是C.D.I.點火或白金點火的化油器四行程引擎，有別於EFI引擎，ECU能夠分辨壓縮或排氣行程，C.D.I.和白金點火如同二行程一樣每轉一圈360度都會點火一次，點火頻率會是四行程EFI引擎的兩倍，所以還是要把相容模式做進去，然後透過003Clock上面的按鈕開關切換模式。

  1. u16rev2stroke = 15000000 / u16cap0;

成果實測

003Clock的排針孔位可以免焊接直接插上排針，我們將P1.2連接一條20公分的杜邦線當作天線，然後靠近摩托車引擎。

實測影片是測量摩托車引擎的怠速轉速（ECU設定的怠速目標為1600轉），要一手拿著003Clock，一手拿著攝影機，就不方便加油門改變引擎轉速了。

完整程式碼：
  1. #include "numicro_8051.h"
  2. #include "PT6961.h"
  3.  
  4. #define SW1 P17
  5.  
  6. void main(void) 
  7. {
  8.     uint16_t u16counter = 0;
  9.     uint16_t u16cap0 = 0;
  10.     uint16_t u16freq = 0, u16rev4stroke = 0, u16rev2stroke = 0;
  11.     uint16_t u16swCount = 0;
  12.     uint8_t u8mode = 0;
  13.  
  14.     /* Switch to external clock source */
  15.     TA = 0xAA;
  16.     TA = 0x55;
  17.     CKEN |= 0xC0; // EXTEN
  18.     while(!(CKSWT & 0x08)); // ECLKST
  19.     TA = 0xAA;
  20.     TA = 0x55;
  21.     CKSWT |= 0x02; // Switch to external clock source
  22.     while(CKEN & 0x01); // CKSWTF
  23.     TA = 0xAA;
  24.     TA = 0x55;
  25.     CKEN &= 0xDF; // Disable HIRC
  26.  
  27.     P17_QUASI_MODE;
  28.     P12_QUASI_MODE;
  29.  
  30.     pt6961_init();
  31.  
  32.     CKCON |= 0x08; // Timer 0 source from Fsys directly
  33.     TH0 = (uint8_t)(49536 >> 8); // 65536 - 16000
  34.     TL0 = (uint8_t)(49536 & 0xFF);
  35.     TMOD |= 0x01; // Timer 0 mode 1
  36.     TCON |= 0x10; // Timer 0 run
  37.  
  38.     T2MOD = 0x48; // Timer 2 capture auto-clear, pre-scalar = 1/64
  39.     CAPCON0 |= 0x10; // Input Capture 0 Enable
  40.     // CAPCON1 &= 0xFC; // Input Capture 0 Level Select = Falling edge
  41.     // CAPCON3 &= 0xF0; // Input Capture Channel 0 Input Pin = P1.2/IC0
  42.     T2CON = 0x04; // Timer 2 run
  43.  
  44.     while(1)
  45.     {
  46.         if (SW1) {
  47.             if (u16swCount > 20)
  48.                 u8mode++;
  49.             u16swCount = 0;
  50.         }
  51.         else
  52.             u16swCount++;
  53.  
  54.         if (CAPCON0 & 0x01) // Check capture 0 flag
  55.         {
  56.             CAPCON0 &= 0xFE; // Clear capture 0 flag
  57.             u16cap0 = (uint16_t)C0H << 8 | C0L; // Get 16-bit capture data
  58.             if (u16cap0 != 0)
  59.             {
  60.                 u16freq = 250000 / u16cap0; // 16 MHz / 64 = 250000, the minimum capture frequency is 250000 Hz / 65536 = 3.81 Hz
  61.                 u16rev4stroke = 30000000 / u16cap0; // frequency * 60 * 2 = 4-stroke rev
  62.                 u16rev2stroke = 15000000 / u16cap0; // frequency * 60     = 2-stroke rev
  63.             }
  64.  
  65.             if (u16counter > 100) // Minimum update interval is 100 ms
  66.             {
  67.                 switch (u8mode) {
  68.                 case 0:
  69.                     if (u16rev4stroke < 10000) { // Check the data within the display range
  70.                         pt6961_setNumber(u16rev4stroke, 0);
  71.                         u16counter = 0;
  72.                     }
  73.                     break;
  74.  
  75.                 case 1:
  76.                     if (u16rev2stroke < 10000) {
  77.                         pt6961_setNumber(u16rev2stroke, 0);
  78.                         u16counter = 0;
  79.                     }
  80.                     break;
  81.  
  82.                 case 2:
  83.                     if (u16freq < 10000) {
  84.                         pt6961_setNumber(u16freq, 0);
  85.                         u16counter = 0;
  86.                     }
  87.                     break;
  88.  
  89.                 default:
  90.                     u8mode = 0;
  91.                 }
  92.             }
  93.         }
  94.  
  95.         if (u16counter > 2000) // Clear display if no valid data for 2 seconds
  96.         {
  97.             pt6961_writeCommand(0xC0);
  98.             pt6961_writeByte(0x40); // 'g' segment
  99.             pt6961_writeCommand(0xC2);
  100.             pt6961_writeByte(0x40);
  101.             pt6961_writeCommand(0xC4);
  102.             pt6961_writeByte(0x40);
  103.             pt6961_writeCommand(0xC6);
  104.             pt6961_writeByte(0x40);
  105.         }
  106.         else
  107.             u16counter++;
  108.         
  109.         /* 1 ms delay */
  110.         while (!(TCON & 0x20)); // Wait until timer 0 overflow
  111.         TH0 = (uint8_t)(49536 >> 8); // 65536 - 16000
  112.         TL0 = (uint8_t)(49536 & 0xFF);
  113.         TCON &= 0xDF; // Clear TF0
  114.     }
  115. }

留言

張貼留言

這個網誌中的熱門文章

無法被取代的指針型三用電表（一）：前言

圖片
隨著電子電路、積體電路製造技術提升，數位電表已經廣泛在市場中出現，同時一機也不再是三種用途了。現今的數位電表可能還有真實有效值量測、電容、頻率、工作周期，甚至電感、資料紀錄等，儘管數位電表擁有這麼多先進的功能，我認為指針電表仍有他無法取代的特性。 先在這邊告訴大家哪些是指針電表能做到、數位電表做不到的事情，稍待解釋為甚麼。 1. 判斷MOSFET、BJT的極性(N channel, P channel或NPN, PNP)與腳位(G, D, S或E, C, B) 2. 測量稽納二極體的電壓 3. 測量發光二極體的順向導通電壓及電流 4. 判斷變壓器的好壞 前三項其實都歸功於指針電表歐姆檔輸出電壓與電流夠高， X1~X1000的檔位使用的是兩顆三號電池串聯成3V的電源，X10K的檔位則是由9V方形電池與兩顆串聯的三號電池所構成的12V電源，如此高的電壓足夠讓半導體高參雜的接面崩潰，因此能夠判斷BJT的腳位或者測量稽納二極體與發光二極體的電壓。另外，MOSFET 閘極的臨界電壓(Vth)也差不多要3至10伏特才能讓洩極與源極導通。然而數位電表歐姆檔開路電壓約只有2伏特。 第四項，由於數位電表歐姆檔不具備歸零功能，探棒線材本身的內阻、探針的氧化在測量線圈電阻極低的變壓器都是一種誤差，使用數位電表將難以判斷是變壓器線圈的內阻還是線材與探針的電阻。使用指針電表就可以透過歸零的功能補償誤差，而且指針些微的變化人眼都能夠分辨出來。 我很推薦得益DE-965TRn這一款指針電表，得益是一間台灣專門製造各種儀表的公司，產品包含數位電表、指針電表、溫溼度計、表頭、分流器、比流器等，並且有幫國際知名廠牌代工(如HIOKI, KING TONY等) 。DE-965TRn則是採用日本原裝進口TAUT BAND雙懸吊機心，阻尼、抗震能力、精準度、誤差均會比一般的產品來得好，值得一提的是它內建比流器，與其他的指針電表不同，他能夠測量AC電流。 我人生第一台指針電表是HA-380功能與這台電表相似，約莫用了七年因為電池槽、探棒插孔接觸不良等問題又再買一台新的HA-380，沒想到品質沒有上一台好兩三年後又換了一台。到了第三台更慘，不到一年就不想用了。最後發現得益這家電表廠商很可靠，於是多花了一點買DE-965TRn，果然是一分錢一分貨。探棒跟插座均有電鍍處理可以避免氧化，電...
閱讀完整內容 »

關於新唐科技NuMicro ISP的介紹和使用方式

圖片
2025.03.07 更新 新貼出了一篇文章，內容、操作步驟比較完整，敬請參考。 不用燒錄器也能更新韌體 - In-System Programming (ISP) 、 NuMicro ISP Programming Tool 目前新唐科技主流的幾款微控制器均支援ICP、ISP及IAP三種燒錄方式，本文主要介紹NuMicro ISP的使用方式並實作。在這之前讓我們先來了解以上三種燒錄方式的差異，但不同的微控制器設計製造商可能對這些名詞有不同的定義。 ICP全稱為"In circuit programming"中文為"在電路上燒錄程式"，意思上就是該單晶片可以在工作電壓之下直接進行燒錄。早期的單晶片的程式記憶體為EPROM，更新程式前必須從電路中拔下來以紫外線清洗機將舊有的程式給清除乾淨，再插上燒錄器燒上新的程式。新一點的單晶片(如89C51)內部的程式記憶體為EEPROM，抹除及燒錄需使用12V高壓來進行，雖然可透過電氣的方式抹除舊有的程式並燒錄，但工作電壓5V依然需將其從電路中拔下來。這兩種燒錄方式在開發上都會造成不方便。而近期所出的單晶片則使用Flash Memory作為程式記憶體，能夠在工作電壓下直接進行讀寫、抹除故稱為"In circuit programming"。 ISP全稱為"In system programming"中文為"在系統上燒錄程式"，此種燒錄方式是透過微控制器內部的程式對該程式以外的記憶體進行更新，通常會將一段更新用的程式碼放在程式記憶體的開頭或者特定的區塊，我們稱作為Bootloader。以新唐的微控制器舉例，記憶體主要分為LDROM和APROM，LDROM容量不大通常只有4KB，只擺一支小程式讀取UART、USB或其他通訊界面傳進來的的資料，並將這些資料存入APROM以達到更新的目的。所以這種燒錄方式只要在第一次透過燒錄器將Bootloader存入LDROM，往後使用者若要更新程式只要透過UART或者USB即可，無須再使用燒錄器。這個做法就跟Arduino UNO一樣透過Bootloader從UART進行軟體的更新。 #題外話 講到在這邊跟大家分享，我一位教微控制器實習的大學老師，自己設計了一塊課堂要使用的8051開發...
閱讀完整內容 »

新唐火神板開箱實作（一）：NuMaker-Volcano與NuEclipse IDE入門篇

圖片
一、前言      其實早在約兩年前（2018年）新唐科技就推出自家基於Eclipse的IDE，名為NuEclipse。它支援新唐Cortex-M系列微控制器，並包含OpenOCD可以直接在IDE內進行燒錄與debug，支援Windows與Linux作業系統，功能與業界常用的Keil MDK非常相似且可以免費使用。      最近新唐新推出一顆有CAN的便宜MCU，M0A23已經被我搶先拿到開發板了，也剛好有在做車用相關的專案。許多人都有問過我怎麼使用NuEclipse，這回我們就以CAN通訊為實驗主題，分個三到四篇寫一系列的NuEclipse的入門文章。我們拿到的NuMaker-Volcano上面是新唐M0A23EC1AC，是一顆Cortex-M0、32KB Flash、4KB SRAM的微控制器。內建48MHz的振盪器，在多數情況下無須外加石英晶體，讓TSSOP28的封裝擁有26個I/O。      順帶一提，新唐目前有和ARM簽約，只要是使用新唐Cortex-M0和M23的微控制器，也能免費、無限制的使用Keil MDK。細節可以參考新唐與MDK的網站。 https://www.nuvoton.com/tool-and-software/ide-and-compiler/ https://www2.keil.com/nuvoton/M0-M23 二、準備工作 下面這些東西會在接下來的幾篇文章中用到。      1. 硬體          1. 新唐NuMaker-Volcano開發板           2. CAN Transceiver (我是用 TI TCAN1042V-Q1 ，他的CAN bus 5V與數位信號的VIO是分開的)           3. Kvaser Leaf Light HS V2 (USB to CAN adapter，也可以用另一塊開發板收發CAN資料)      2. 軟體   ...
閱讀完整內容 »