โปรเจก Arduino ของรุ่นพี่ใกล้จะเสร็จแล้ววว รอติดตามได้เลย! ตอนทำอยู่นี่พี่ต้องหาวิธีดูสัญญาณดิจิตอล 10 แบบที่เครื่องพี่สร้างขึ้นมา ออสซิลโลสโคป 2 ช่องของพี่ช่วยไม่ค่อยได้ เลยตัดสินใจสร้างเครื่องมือขึ้นมาเอง สเก็ตช์แรกในกระดาษดูมีหวัง! ไอเดียนี่ทำง่ายโคตรๆ เลยอะ
ผลลัพธ์ที่ได้ไม่ใช่เครื่องมือวัดระดับเทพอะไรหรอก แต่มันเป็นเครื่องมือเล็กๆ ที่ใช้ง่ายมากเลยแหละ และการพัฒนาทั้งซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์นี่พี่ว่าท้าทายพอที่จะกวนตีนน้องๆ ที่ติดตามอยู่ได้แน่ เทคนิคบางอย่างในการออกแบบอาจจะเอาไปใช้ในโปรเจกอื่นๆ ที่ต่างออกไปก็ได้
พี่หวังว่าคำอธิบายโปรเจกนี้จะละเอียดพอให้น้องๆ เอาไปทำตามได้ไม่ยาก
สรุปก็คือ นี่คืออุปกรณ์มือถือที่แสดงสัญญาณดิจิตอล 4 ช่องพร้อมกันบนหน้าจอสี TFT 160x128 สัญญาณสามารถบันทึกไว้ได้ และเรียกกลับมาดูย้อนหน้า-ไปหน้าแบบเป็นสายต่อเนื่องได้
ภาพรวมโปรเจก
"Logic-Scope" นี่คือการนำ Multi-Channel Logic Forensics และ Asynchronous Waveform Recordation มาทำให้เป็นจริงแบบจัดเต็ม ออกแบบมาเป็นเครื่องมือตรวจสอบระบบเมคคาทรอนิกส์ซับซ้อนแบบพกพา โปรเจกนี้ทำให้เราสามารถจับตาดูสัญญาณดิจิตอล TTL อิสระ 4 ช่องพร้อมกันได้ ระบบมี "ลอจิกเอนจิ้น" ที่ทำงานแบบกำหนดได้แน่นอน คอยจับสัญญาณและบันทึกลง AT24C256 EEPROM เพื่อให้เราย้อนศึกษาได้ การสร้างเน้นงานฝีมือด้วย PCB ที่ออกแบบและตัดด้วย CNC เจาะจง ทำให้ได้สภาพแวดล้อมที่เสถียร มีสัญญาณรบกวนต่ำ เหมาะสำหรับการวินิจฉัยความสมบูรณ์ของสัญญาณแบบ High-Fidelity
ลึกลงไปในรายละเอียด
เราสามารถเลือก Timebase (เหมือนในออสซิลโลสโคป) ได้: ความกว้างเต็มหน้าจอจะครอบคลุมเวลา 200, 500, 1000 หรือ 2000 มิลลิวินาที ใช่พี่รู้ มันดูช้าแบบน่าเจ็บใจ แต่นี่คือที่สุดที่พี่ทำได้ตอนนี้ มันอาจจะเป็นความท้าทายให้นักพัฒนารายต่อไปก็ได้เนอะ?
มาดูกันว่ามีอะไรบ้าง...
- Logic-Sniffer & Signal-Capture Forensics:
- The TTL-Input Demodulation Diagnostics: อาร์เรย์ 4 ช่องนี้ถูกปรับเทียบสำหรับระดับลอจิก TTL มาตรฐาน $(0-5\text{V})$ กระบวนการทำงานจะใช้การโพลแบบความเร็วสูงที่พอร์ตดิจิตอลเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนสถานะด้วยความแม่นยำระดับไมโครวินาที โดยจะมอนิเตอร์ Transition-Harmonics ทำให้ผู้ใช้สามารถเห็นความกว้างพัลส์ได้บนสเกลเวลา 4 ระดับที่เลือกได้ $(200\text{ms ถึง } 2000\text{ms})$
- Temporal Sweep-Window Heuristics: เพื่อบาลานซ์ระหว่างความล่าช้าในการเรนเดอร์ของ ST7735 กับการตรวจจับสัญญาณ ระบบจึงใช้ Coordinated Drawing Diagnostic พิกเซลแนวนอนแต่ละจุดบนหน้าจอ $160\times128$ จะแทนช่วงเวลาที่ไม่ต่อเนื่องกัน เพื่อให้แน่ใจว่าสายสัญญาณที่แสดงผลสะท้อนถึงลอจิกพัลส์จริงๆ อย่างแม่นยำ
สัญญาณที่ต้องการสังเกตให้เสียบเข้าช่องสีแดง 4 ช่อง สัญญาณจากซ้ายไปขวาจะถูกแสดงจากบนลงล่าง (ซึ่งก็สมเหตุสมผลดี) ช่องสีดำต้องต่อกับกราวด์ร่วม (common ground) เสมอ กดปุ่มด้านซ้ายเพื่อเปิดเครื่อง จะเห็นหน้าจอโฮม (ถ้าอยากกลับมาหน้าจอนี้อีกครั้ง ให้ปิดแล้วเปิดใหม่)
แถบด้านล่างเป็นป้ายบอกปุ่ม 4 อัน ส่วนหน้าจออธิบายตัวเลือก
ปุ่ม CLEAR และ TEST ควรใช้เฉพาะตอนที่สงสัยว่า EEPROM มีปัญหาเท่านั้น แต่ละกระบวนการใช้เวลาหลายนาที AB+OP เป็นหน้าจอ ABOUT แบบดั้งเดิม แต่พี่เพิ่มตัวเลือกเข้าไป ที่นี่ผู้ใช้สามารถเลือกได้ว่าอินพุตจะเป็น OPEN หรือ PULLED UP
ปุ่ม GO! ใช้เริ่มแอปพลิเคชัน
- การจัดการข้อมูลและเล่นซ้ำด้วย EEPROM:
- การบันทึกข้อมูลแบบไม่ลบเลือนด้วย AT24C256: สัญญาณที่บันทึกจะถูกพักไว้ในหน่วยความจำ EEPROM ขนาด $256\text{kbit}$ หลักการทำงานคือใช้วิธีเขียนแบบเป็นหน้า (page-writing) จัดระเบียบประวัติลอจิกให้เป็น "120 หน้า" สำหรับวินิจฉัยรูปคลื่นที่บันทึกไว้
- การเลื่อนดูและฮาร์มอนิกส์ของการเล่นซ้ำ: หน้าจอควบคุม (HMI) อนุญาตให้เลื่อนดูข้อมูลที่บันทึกไว้ไปข้างหน้าหรือย้อนกลับได้แบบสำรวจ การวินิจฉัยจะโฟกัสที่การหาข้อมูลแพ็กเก็ตที่ผิดพลาด $(\text{แสดงด้วยเส้นสีแดง})$ เพื่อให้เห็นภาพรวมเชิงนิติวิศวกรรมของความล้มเหลวของฮาร์ดแวร์แบบเป็นช่วงหรือข้อผิดพลาดด้านเวลา
ปุ่ม SCREEN ใช้เปลี่ยนสเกลเวลา
ปุ่ม RECORD เริ่มบันทึกสัญญาณ โดยสัญญาณยังแสดงผลปกติอยู่ ปุ่มเดียวกันนี้จะเปลี่ยนเป็น END เพื่อหยุดบันทึก สามารถเก็บข้อมูลได้ประมาณ 120 หน้า
ปุ่ม LIGHT ตั้งค่าแบ็คไลท์ เนื่องจากอุปกรณ์ใช้แบตเตอรี่ การปิดแบ็คไลท์ช่วยประหยัดพลังงานได้มาก แต่ห้ามช็อตนะตัวนี้! อุปกรณ์สามารถจ่ายไฟผ่านพอร์ต USB ได้ (ในกรณีนั้น ให้ปิดสวิตช์ไฟ)
ปุ่ม REPLAY แสดงข้อมูลที่บันทึกไว้ เส้นสีแดงจะชี้ให้เห็นข้อมูลที่ผิดพลาด
ปุ่ม <** และ **> เลื่อนการแสดงผลไปทางซ้ายหรือขวา
ปุ่ม S/F สลับระหว่างการเลื่อนช้าหรือเร็ว
ปุ่ม END กลับไปยังหน้าหลัก
ก็ประมาณนี้แหละน้อง รายละเอียดอื่นๆ หาได้จากการลองใช้เครื่องเลย
วิศวกรรมและการนำไปใช้
- การออกแบบ PCB ด้วยเครื่อง CNC และหลักการออกแบบโครงสร้าง:
- การสร้างลอจิก .NC แบบกำหนดเอง: PCB ตัวนี้ถูกออกแบบโดยใช้กลยุทธ์การสร้าง G-code สำหรับเครื่อง CNC Router แบบกำหนดเอง กระบวนการผลิตแบบนี้ช่วยให้ได้รอยเดินลาย (trace) ที่มีความแม่นยำสูง ลดปัญหาคาปาซิแตนซ์ปรสิตและฮาร์มอนิกส์จากสารเคมีตกค้างที่พบในวิธีการเอ็ทชิ่งแบบดั้งเดิม
- การวินิจฉัยเชิงกลไฟฟ้าโครงสร้าง: ตัวเรือน ABS ที่พิมพ์จากเครื่อง 3D พริ้นเตอร์ ให้ความมั่นคงทางกลที่จำเป็นสำหรับการถือใช้ การออกแบบจุดเชื่อมต่อจากแจ็คไปยัง PCB อย่างดีช่วยให้สัญญาณดิจิทัลความถี่สูงได้รับการป้องกันจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจากสิ่งแวดล้อม
- การจัดการสายไฟเลี้ยงและหลักการออกแบบหน้าจอควบคุม:
- การจ่ายไฟให้อุปกรณ์ด้วยแบตเตอรี่ 9V ต้องการการจัดการประสิทธิภาพพลังงานอย่างเข้มงวด แบ็คไลท์ ST7735 ถูกควบคุมผ่านโหนดลอจิกแบบปรับความกว้างพัลส์ (PWM) $(\text{ปุ่ม LIGHT})$ ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับการจัดการพลังงานให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานภาคสนามเป็นเวลานาน โดยไม่ทำให้ความสว่างของแสงลดลง
ลองดูข้างในซิ: ผลงานสุดท้ายและ PCB สีเขียวสดจากโปรโตไทป์แรก เนื่องจากใช้สายไฟน้อยมาก โปรโตไทป์แบบพื้นฐานจึงทำงานได้สมบูรณ์แบบ แต่เพราะโปรเจคนี้มันเรียบง่ายเกินไป พี่เลยอยากเพิ่มความท้าทายหน่อยด้วยการลองใช้เครื่อง CNC Router ใหม่ของพี่ น้องอาจสังเกตเห็นการจัดวางลาย PCB ที่ไม่เหมือนใคร พี่เป็นคนแก่แล้วและจำได้ว่าวิธีการออกแบบ PCB แบบนี้เคยเป็นเรื่องปกติสมัยพี่ยังหนุ่ม เนื่องจากมันดูเหมือนจะหายไปจากโลกแล้ว พี่เลยต้องพัฒนาแอปพลิเคชันของตัวเองเพื่อสร้างไฟล์ .nc สำหรับเครื่อง Router! ผลลัพธ์ทำให้พี่ดีใจมาก: กระบวนการทั้งหมด ทั้งการแกะสลักลาย เจาะรู และตัด PCB ออกมาทำได้เร็วขึ้นมากกก! (โอเค มันใช้ได้กับลายวงจรที่ง่ายมากๆ เท่านั้น แต่อนุญาตให้พี่ได้อวดหน่อยนะ!)
สรุปสั้นๆ ว่า...
Logic-Scope นี่แหละคือตัวแทนของ การออกแบบเครื่องมือวัดส่วนตัว (Personal Instrumentation Design) ในระดับสุดยอดเลยนะตัวนี้! พอเราเชี่ยวชาญเรื่อง การวิเคราะห์ข้อมูลระยะไกลจาก EEPROM (EEPROM Telemetry Forensics) และ การวินิจฉัยด้วยการผลิตแบบ CNC (CNC-Fabrication Diagnostics) แล้ว โปรเจกต์นี้ก็จะให้เครื่องวิเคราะห์ลอจิกแบบพกพาที่แข็งแกร่ง จัดการสัญญาณดิจิทัลซับซ้อนได้แบบมืออาชีพเลยทีเดียว
มองเห็นลอจิกชัดเจน: ควบคุมการวัดหลายช่องสัญญาณผ่านการวิเคราะห์สัญญาณแบบละเอียดยิบ.