利用 Arduino + Processing 做簡易示波器(Oscilloscope)

Arduino 內建 10 位元的ADC，可以整合各式感測器，像是磁力感測器、紅外線感測器、旋轉編碼器或是加速規等等，利用 Arduino 量測各種類比訊號，通常只能透過串列埠(Serial port)的監控視窗來檢查讀值的狀況，串列埠畫面的快速刷新有時候不好判斷訊號的前後關係，這時候利用 Processing 豐富的視覺化輸出，便可以做一個簡易的示波器介面。

Processing 的 serial library 可以讓 Processing 使用串列埠的通訊功能，當 Arduino 將感測器的讀值丟到串列埠時，Processing 便可以從那將他們抓進來做繪圖處理。 串列阜通訊是由 UART 傳輸器控制，一般以 10 位元為一個傳輸組，包含 1 位元的起始位元， 1 位元的停止位元，以及夾在兩者之間的 8 位元資料，這 8 位元才是我們真正要傳輸的感測值。 8 位元亦即 0 ~ 255，因此當感測器的值大於 255 (或是資料宣告的型態大於 8 位元，如：float )，在串列埠傳輸時便需要拆成數個傳輸組，待接收之後才能將他們一一合併為原始讀值。

串列埠通訊以鮑率 (Baud rate) 為資料傳輸速度的單位，例如鮑率 9600 Bd，表示每秒可傳輸 9600 個位元，按前述可知，此時每秒傳輸 960 個傳輸組，也就是 960 的位元組，所以是 960 Bps，其實很慢，如果傳輸的值較大，或占用較多的位元組，速度將會更慢。因此，使用這種方法做的示波器，其頻寬最高也只在數百 ~ 數 kHz 之間，變化太快的感測值，示波器是量不到的，若進一步考量 Arduino 與 Processing 處理接收資料的速度，頻寬更是會低到不行喔

以下簡介簡易示波器的實現流程:


$ Arduino端 $

為求 demo 方便，利用 Arduino 來模擬感測器讀值的產生，並將其不斷的丟到串列埠上。


1. 在 setup() 的設定中， 以 Serial.begin(115200) 初始化串列通訊，115200為傳輸鮑率，依需求可變更，前提是接收端所設鮑率必須跟此值一樣。

2. 在 loop() 中，產生虛擬的時變感測值，例如低頻的弦波訊號，值域為 0 ~ 1023 的整數intValue，有接上感測器的話，這裡便是存入感測器的原始讀值。

3. 由於 Arduino 的 int 變數會佔用 2 個位元組 (16個位元)，為確保傳輸資料的正確性，在串列傳輸前必須先拆解為2 個獨立的位元組，可分別設為高位元 ( byteHigh ) 與低位元組 (byteLow)，以 uint8_t ( unsigned int 8 bit ) 宣告這兩個變數。

   a. intValue >> 8 : 將 intValue 的二進位碼全部向右移 8 個位元，用這個方法取高位元組。

    b. intValue  & 0xff : 由 intValue 二進位碼的邏輯運算取出低位元組。

4. 準備好傳輸的位元組，就可以依序丟到串列埠了，但由於資料是連續不間斷的傳輸，資料又被分成兩個傳輸組，為了讓接收端 ( Processing ) 知道哪裡是資料的開端，在每個讀值前應要加上一個可供判別的標頭字元，例如 'H' 字元，讓傳輸資料依序為 標頭字元、高位元組、低位元組，如此重複。

以上完成 Arduino 端的設定，便可以直接燒入單晶片，Arduino便會不間斷的將虛擬感測值送到串列埠。




$ Processing 端 $

首先 Processing 64 bit 版本不支援 Serial 傳輸應用，所以若要使用 Serial  librery，必須下載 Processing 32 bit 的版本。


1. import Serial 的 library ，並宣告 Serial 物件 Ard。

2. 在 setup() 中，建構 Serial 物件，Serial.list() 會將連上電腦 com port 的裝置都列出來，通常沒有連其他裝置的話， Arduino 會列在第一個，在此例中其名稱為 COM4，此名稱應該與 Arduino 燒綠時的串列埠名稱相同。後面指定傳輸鮑率。

3. 建立一個陣列 Rec[]，用來暫存串列埠抓來的值。並利用自訂函數 receive() 接收串列埠的值。由於感測值的大小 mapping 為視窗的高度，而陣列 Rec[] 的長度為視窗的寬度，因此陣列中的每一個元素便可以對應到視窗中的一個座標，以此達成讀值的視覺化輸出。

4.  自訂的函數 receive() 中，預設接收值 Val 為 -1，直到確實收到值在回傳。 由於已經知道三個位元組為一個完整的感測資料，透過 p.available() 確認 Serial buffer 中有足夠的位元組再開始接收值。以 p.read() 抓取 buffer 中的資料，直到抓到標頭字元確認讀值的起始端。每從 buffer read 一次，buffer 後面的資料便會向前遞補，因此抓到標頭字元後，就可以知道下兩次 read 分別為資料高位元組與低位元組。將兩者合併為 16 位元資料完成感測值還原。

5. 在迴圈 draw() 中，每次僅  receive() 一個感測值，並從視窗左方出現，剩餘舊資料全部向視窗右側平移，將所有資料點連接為曲線，視覺上便可以看到如弦波的波形並呈現資料持續刷新。