Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版 No.8

本期內容從封面故事，到特別報導，再到各主題專欄莫不特別將最大焦點放在FPGA上，同時探討的層面及議題，從現行FPGA開發板在設計上的訣竅鑽研，到軟體可程式化FPGA的發展走向，再到FPGA的安全問題，乃至專門用來突破現行FPGA侷限的最新資源代數架構盡皆有十分深入而全面性的探討。除此之外，本期其他值得關注的重大議題尚包括電子塗料、醫療機器人、類比ASIC規劃大法、IoT解決方案之使用者介面DIY、各類系統開發板沿革史、流程雲端化、開源電路輔助設計軟體，以及亞洲工業4.0暨智慧製造系列展會後報。

本期封面故事《突破FPGA極限—擁抱資源代數架構　實現軟硬資源協同》作者表示，特殊應用的硬體常常用可程式邏輯來實現，其尤以FPGA為然。但這樣的作法有它特殊的問題及限制，尤其當此硬體既有處理器，又牽涉到軟體時特別嚴重。所以很自然地、有人會想找其它的替代方法，也就是本文探討的主題—資源代數。

特報1《你的個人醫療「機器人管家」 - 打造醫療機器人MediBot》中作者詳述如何透過Microchip的PIC32微控制器，行動裝置通信用藍芽模組，以及追蹤使用者的穿戴式紅外線信標，來打造MediBot系統。特報2《探究類比ASIC (3)- 規劃成功的類比ASIC體驗》其為探究類比ASIC的第三篇連載文章，作者將進一步探討在尋找ASIC公司設計客製化晶片之前，需要先搞清楚的五個關鍵要素。特報3《IoT解決方案DIY(2) -使用者介面設計要訣》繼上期作者解說了其如何製作並開發基於Photon IoT裝置之車庫大門監控系統的硬體及韌體後，本期他將接著展示可以運行在智慧型手機上的端點使用者介面。

再者，本期「社群人物」單元特別拜訪了倫敦Bare Conductive公司，參觀其工作環境，並了解什麼是導電塗料(Electrically Conductive Paint)。透過該文讀者可以了解如何透過導電塗料來繪製具備導電線的線條、圖表，甚至在牆上畫出可以直接開啟/關閉電燈的開關圖案等應用。

本期「疑難終結者」專欄報導的是《MCU實戰前基礎(6)- 系統開發板基本認知》，作者在前面系列文章中分別談到了接腳、介面、感測器、記憶體及無線通訊，若將這些元件整合在一起便形成了微控制器的系統開發板，此即為本期要探討的主題。另外，本期可程式邏輯實作專欄將一口氣提供兩篇專文，兩篇專文皆與FPGA有關，一為FPGA開發板設計訣竅；一為對FPGA展開實驗性Glitch攻擊。前者將介紹如何透過最新基於BGA之FPGA元件來設計一個複雜的板子，同時確保成本能受到控制；後者會進一步討論可以讓嵌入式裝置執行非預期性與非計畫性操作的手法。這些非預期性操作可以規避密碼檢查、將記憶體內容轉儲，甚至破解加密演算法。

至於本期「悠遊物聯網」則共有兩篇，其一是《物聯網面面觀(2) -為嵌入式系統選擇無線電信營運商》，作者特別探討為嵌入式裝置挑選電信營運商的一些選擇之道，並涵蓋諸如OTA技術、行動虛擬網路電信營運商、數據方案(Data Plane)與專案預算等重要主題。第二篇為《流程雲端化 - 將人工驗收作業轉化成條碼掃描》，作者介紹如何透過Ameba RTL 8195開發板，搭配RS232通訊模組及條碼掃描模組，來打造並使用RS232等工業通訊方式來取得條碼內容，來打造一個可自動擷取出貨憑據及產品條碼的雲端化生產線驗收與出貨控制流程。

在「元件追新族」專欄裡本期將介紹《使用簡介篇 - 開源電路輔助設計軟體KiCAD(1)》，作者特別介紹KiCAD這款基於GPL V3的電子輔助設計工具，本期會先從電路圖設計開始介紹，下一期文章則會介紹電路圖布局到電腦輔助製造檔案的輸出。本期「科技大未來」專欄中，本雜誌特別為讀者報導《軟體可程式化FPGA》，作者在文中特別剖析隨著傳統多核心機器無法滿足不斷增長的運算需求，而致使許多架構師開始探索更多可行的方法。雖然ASIC不失為其中一個可行選項，但ASIC卻有開發成本過高之嫌。也因為如此，具備可重配置運算架構的FPGA，便成為今後客製化ASIC的最受矚目的可行替代方案。

本書特色
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》主題涵蓋嵌入式軟硬體、電子工程及電腦應用等領域。《Circuit Cellar》英文版不但擁有多元化的國際性讀者群，包括長年從事嵌入式及微控制器(MCU)相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，旗下作者群也來自世界各地，包括美、英、加、比利時等地。本雜誌的編輯宗旨在於協助讀者成為全方位跨領域的從業人員，進而能充滿自信地將創新與尖端前瞻的工程構想運用在各種相關任務、問題及技術上。
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》是當前台灣乃至亞太地區唯一一本藉由專案實作報導形式，兼顧理論與實際、趨勢與實作地從專案主題背後的市場趨勢、技術要點，到元件準備，更擴及設定調校、程式設計規劃等各個面向的注意重點與訣竅，企業可以從中了解各種新興嵌入式技術靈活搭配與整合的技巧，長此以往，並能培養出開發各種實用智慧應用的能耐與實力。
本書專案主題涵蓋領域包括：
1. 類比技術：涵蓋降低EMI/RF問題、高速訊號完整性、訊號調節、A/D或D/A轉換器、類比可程式邏輯，以及低功耗、單供電及混合電壓設計等熱門主題。
2. 通訊：涵蓋網路協定、乙太網路、USB、I2C（Inter-Integrated Circuit）協定、同步序列資料協定( Serial Peripheral Interface, SPI)及Firewire等熱門主題。
3. 資料擷取：周邊介面、感測器、感測器網路、訊號調節、A/D或D/A轉換器、資料分析及後置處理等熱門主題。
4. 嵌入式應用：車用、測試設備、模擬器（Simulator）、消費性電子、即時控制及低功耗技術等熱門主題。
5. 嵌入式開發：原型及模擬、仿真器（Emulator）、開發工具、程式語言、硬體描述語言（HDL）、即時作業系統、除錯工具及有用技巧與訣竅等熱門主題。
6. 嵌入式程式設計：程式語言、即時作業系統、嵌入式Linux、檔案系統、驅動程式、網路協定、演算法及最佳化等熱門主題。
7. 網際網路與連接：網路晶片、協定堆疊、裝置伺服器與實體層介面等熱門主題。
8. 測量與感測器：環境感測器、智慧感測器、單線感測器（1-wire sensor）、微機電系統（MEMS）感測器及感測器介面技術等熱門主題。
9. 可程式邏輯：直接進行設計（Design-in）的技巧與竅門；核心智財Core-IP(例如處理器、DSP、週邊等)；針對傳統設計挑戰的創新解決方案（例如初始化、動態可重組dynamic reconfiguration及安全等）；即時發揮作用之軟硬體工具等熱門主題。
10. 機器人：馬達驅動器、近接感測（Proximity Sensing）、電源控制、電池技術／管理、電子羅盤及加速計等熱門主題。
11. 訊號處理：DSP晶片及演算法、類比可程式邏輯、訊號調節、A/D或D/A轉換器、濾波器、訊號壓縮技術，以及RISC、DSP及VLIW之比較等。
12. 無線通訊：無線數據機、Wi-Fi/IEEE 802.11x、藍牙、ZigBee/IEEE 802.15.4、蜂巢、紅外線/IrDA，以及安全應用。

Circuit Cellar
Circuit Cellar Inc.是一家專門提供國際嵌入式設計社群相關產品與服務的媒體，為了扮演專業工程師與程式設計師所信賴的內容提供者，該公司除了發行Circuit Cellar雜誌外，亦推出許多工程/程式開發相關書籍、網站及新聞發佈。Circuit Cellar亦負責舉辦嵌入式設計與程式規劃/燒錄方面的國際性設計競賽。

Circuit Cellar長年進行嵌入式軟硬體與電腦應用方面必知訊息的蒐集、篩選與傳播，並融合實體印刷刊物與電子內容交付平台，來接觸更多元化的國際性讀者群，尤其是長期從事嵌入式及微控制器（MCU）相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，進而共同為嵌入式領域相關的創新突破貢獻心力。

譯者簡介

林斯睿：
嘗經歷IT雜誌編輯、主編與多家產業分析師之職，現為某IT公司內部產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

郭復誠：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與產業PM等職務，現為產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

林泰宇：長久從事產業分析師工作，並兼職各IT雜誌翻譯工作。

李書安：萬能技術學院電機系畢業，現任某半導體公司Presale，並兼職各IT雜誌翻譯及企業英文白皮書製作等工作。

IRIS：現就讀成功大學資工系博士班，並從事各類外文書及雜誌專職翻譯工作。

編輯札記

People
社群人物1：智慧眼鏡將成為帶動各種智慧連網應用的終極裝置
專訪佐臻董事長梁文隆與資策會智通所主任鄭育鎔
社群人物2：另闢創新性嵌入式安全蹊徑
專訪嵌入式硬體安全專家ColinN O'Flynn

CoverStory
突破FPGA極限—擁抱資源代數架構 實現軟硬資源協同

Features
特報1：你的私人醫療機器人管家 - 打造MediaBot醫療機器人

特報2：探究類比ASIC (3) - 規劃成功的類比ASIC體驗

特報3：IoT解決方案DIY (2) - 使用者介面設計要訣

Columns專欄
疑難終結者：MCU實戰前基礎(6) - 系統開發板基本認知

可程式邏輯實作：FPGA開發板設計訣竅

可程式邏輯實作：對FPGA展開實驗性Glitch攻擊

悠遊物聯網：物聯網面面觀(2) - 為嵌入式系統選擇無線營運商

悠遊物聯網：流程雲端化 - 將人工驗收作業轉化成條碼掃描

Future
軟體可程式化FPGA

Industry
新品直擊
元件追新族
亞洲工業4.0暨智慧製造系列展會後報

<特報3> IoT解決方案DIY (2) - 使用者介面設計要訣
上一期，筆者寫了關於深入物聯網(IoT)世界，以及如何針對本人基於Photon IoT裝置的車庫大門監管系統(Garage Door Minder)來構建硬體與韌體的文章（如圖1）。本期，筆者將進一步解說如何組建一個能運行在智慧型手機上，而不再需要另行開發一套整智慧型手機應用程式的終端使用者介面。本文最終的結果能讓筆者擁有能從智慧型手機上完成所有車庫大門監控與互動作業的能力。

端點使用者應用程式
想要建立一個完整Android應用程式的想法往往會令人生畏卻步，所以在此認為或許一個簡單的網頁就足夠了。回到Particle.io官網上，其上參考頁面中列出了許多能存取Particle Cloud雲端服務的軟體開發套件(SDK)。Particle支援所有各類典型的作業系統（例如Windows、iOS及Android）。另外，筆者也注意到其中還包括Java API。或許透過獨立的Java-based網頁能輕鬆達成本文目標。透過Java，筆者可以建立一個能直接在智慧型手機上被儲存與開啟的純用戶端網頁。雖然本人並不是Java專家，但這似乎會是一個能打造出管理本人車庫大門監控系統之應急式智慧型手機App的快速捷徑。

在此將整個工作劃分為兩個部分：一為能顯示目前車庫大門監控系統狀況的「狀態」(Status)頁面；一為可用來修改配置項目的「設置」(Setting)頁面。為了啟動「狀態」頁面，我需要藉助一個HTML文件來管理整個頁面格式和一個相關Java檔案，以便與Particle Cloud API進行互動。本人計畫是在HTML程式碼中使用命名SPAN，以便之後Java程式碼能找到並更新。為了讓事情簡化，我會賦與SPAN一個能與其所顯示Particle Cloud變數相匹配的ID。該Java程式碼隨後需被定期呼叫，以便透過當前Particle Cloud變數值來進行該SPAN內容的更新。

HTML文件中需要兩個包含在內的Java。第一個Java是從JSDelivr.Net上被拉進Particle Java API函式庫中。第二個則被拉至我的JS檔案中。筆者還需要一個可連結至「設定」頁面與HTML按鍵，以便能呼叫Particle Cloud函數來「按下」車庫大門上開/關按鈕的HTML連結。請參閱程式列表1中所產生的HTML程式碼。

<可程式邏輯實作> FPGA開發板設計訣竅
在此就假設讀者有一個（幾乎）完成的原理圖，並且想知道如何最終搞定它。接下來就讓我們開始根據板子需求來制定鎖定目標吧！

PCB規格
假設這種設計不是展開原型就可能是小量量產的話，考慮到具體需求來設計PCB以確保合理的成本是有意義的。相信使用者最常被告知的兩個PCB規格就是最小「線寬/線距」(Trace/Space)（亦指銅皮之間的最小線寬與最小間距）和最小孔徑(Drill Size)。

正如筆者之前文章中提到的，我最常使用的是某海外PCB廠(3pcb.com)，儘管仍有許多值得嘗試的其他選擇。它們提供了各種線寬/線距與孔徑尺寸選項，而筆者最後選定5毫吋(mil)線寬/線距、0.2毫米(mm)孔徑。這是一個相當「標準」的技術選擇，所以在進行小量量產（即數量為100到200單位）時應當不致出問題才對。

為了讓讀者能更了解我們正在做的工作，讀者可以先將目光放到圖1上，該圖展現本人所設計與組裝之最終PCB電路板的一個範例。該板子採用賽靈思(Xilinx )Spartan-6 LX45 FPGA，並搭配支援高速USB通訊的Atmel SAM3U微控制器。

「千層派」式PCB電路板
在本範例中，筆者特別鎖定6層的PCB。雖然在某些情況下使用者可以採用4層PCB板就能應付了事，但這往往會導致我寧可避免的權衡折衷問題出現。如果使用者鎖定的是搭配DDR記憶體的更進階設計的話，那麼在此建議至少可以考慮6層板，當然8層PCB會是最可行的選擇。

筆者每層所採疊層(Stack-up)如圖2所示。這個疊層是每當進入量產階段時筆者就會採用來自加拿大安大略省當地晶圓廠(Laser-Tech Ltd.)的預設選項。雖然筆者未曾驗證這家海外晶圓廠是否真的會遵照這樣的疊層，但由於並沒有所需的可控阻抗(Controlled Impedance)，所以不太可能會對筆者「alpha」版原型造成影響。筆者根據量產中的板子來建立了第二個驗證單元，以確認實際疊層具有所需的效能。