สัญญาณดิจิทัล ADC และ Interface

3.1บิต ไบต์ และเลขฐานสิบหก

เลขฐานสิบหก 1 หลักแทน 4 บิตพอดี ดังนั้น 1 ไบต์ = 2 หลัก hex เขียนในโค้ดเป็น 0x57 (บางเอกสารเขียน 57h) แปลงทีละ 4 บิต แทนการหารยาว

3.2Quantization และความละเอียด

ADC ขนาด n บิตแบ่งช่วงแรงดันอินพุตออกเป็น 2ⁿ ระดับ แต่ละระดับกว้าง 1 LSB ค่าที่อยู่ระหว่างระดับจะถูกปัดลง ความกว้างของหนึ่งระดับคือความละเอียด (resolution)

ตัวอย่าง: ADC 12 บิต, V_ref = 3.3 V → 1 LSB = 3.3/4096 ≈ 0.8 mV

3.3DAC: จากบิตเป็นแรงดัน

เรียน DAC ก่อนเพราะ SAR ADC มี DAC อยู่ภายใน (ESP32 เองก็มี DAC 8 บิต 2 ช่องที่ GPIO25 และ GPIO26)

Binary-weighted DAC

• บิตที่เป็น 1 จะปิดสวิตช์ ให้กระแสจากกิ่งนั้นไหลเข้าโหนด a
• Op-amp รวมกระแสเป็นแรงดัน — คือ summing amplifier จากบทที่ 2
• ใช้ตัวต้านทาน R, 2R, 4R, 8R ทำให้ i₃ = 2i₂ = 4i₁ = 8i₀ แต่ละบิตมีน้ำหนักเป็นสองเท่าของบิตถัดลงไป

ทางออกคือ R-2R ladder ที่ใช้ตัวต้านทานเพียงสองค่า (R และ 2R) ไม่ว่าจะกี่บิต

3.4ADC พื้นฐานและ SAR

ADC แบบป้อนกลับทุกชนิดมีโครงสร้างเดียวกัน[6]:

• Comparator รับ V_in ที่ขา + และ V_DAC ที่ขา − ให้ผล 1 เมื่อ V_in > V_DAC
• DAC n บิต แปลงค่าใน register กลับเป็น V_DAC (อ้างอิง V_ref)
• Control logic ตัดสินใจว่าจะเปลี่ยนค่าใน register อย่างไร — นี่คือสิ่งที่ทำให้ ADC แต่ละแบบต่างกัน
• Shift register เก็บค่าทดลอง ส่วน storage register เก็บผลลัพธ์ให้ MCU อ่านระหว่างที่แปลงค่าถัดไป

Digital-ramp ADC นับขึ้นทีละ 1 จากศูนย์จนกว่า V_DAC จะตามทัน V_in — ช้า (สูงสุด 2^N ครั้ง) และเวลาแปลงขึ้นกับอินพุต

SAR (Successive Approximation Register) ทำงานแบบ binary search: เริ่มจากบิต MSB ค่าทดลองแรก 100… = V_ref/2 ถ้า V_DAC ไม่เกิน V_in ให้คงบิตไว้ (1) ถ้าเกินให้ล้างบิต (0) แล้วทำบิตถัดไป — ใช้ n ขั้นเสมอ

ตัวอย่าง: SAR 4 บิต, V_ref = 15 V, V_in = 10.1 V

ผลลัพธ์ 1010₂ = 10 → V = 10/16 × 15 = 9.375 V คลาดจริงไม่เกิน 1 LSB (0.94 V)

3.5ตระกูล ADC และการสุ่มตัวอย่าง

การสุ่มตัวอย่าง (Sampling)

ถ้าสุ่มช้ากว่านี้จะเกิด aliasing ซึ่งกรองออกภายหลังไม่ได้ เซนเซอร์เกษตรส่วนใหญ่ เช่น อุณหภูมิหรือความชื้นดิน เปลี่ยนช้ามาก สุ่มทุก 1–10 นาทีก็พอ แต่ต้องระวังพัลส์จาก flow meter และสัญญาณรบกวน 50 Hz — ใช้ low-pass filter (บทที่ 2) ก่อนสุ่ม

3.6ADC ของ ESP32 และ Attenuation

ข้อมูลในหัวข้อนี้สรุปจากเอกสารของ Espressif[2][3] และผลการวัดของ Llamas[4] และ Monk[5] ตามที่อ้างใน INS03

Attenuation คือวงจรแบ่งแรงดันในชิป

แกน ADC วัดได้เพียง 0–1.1 V เสมอ สิ่งที่เราเลือกคือวงจรแบ่งแรงดันด้านหน้า (แบบเดียวกับที่ต่อใน Lab 1) อัตราส่วนแรงดันจาก dB คือ k = 10^dB/20 และช่วงเต็มสเกล = 1.1 V × k

* ขาของ ESP32 รับได้ไม่เกิน 3.3 V · ค่าจริงของ 11 dB ใกล้ 12 dB (≈ 4 เท่า) Espressif จึงเปลี่ยนชื่อเป็น DB_12 ใน ESP-IDF 5

การเลือกช่วง: ให้ค่าสูงสุดของเซนเซอร์อยู่ที่ 60–90% ของช่วงเชิงเส้น สำหรับเซนเซอร์ 0–3.3 V มีสองทางเลือก (1) ใช้ 11 dB แล้วสอบเทียบ 6 จุด (Activity 4.1) หรือ (2) ต่อวงจรแบ่งแรงดันภายนอกลดเหลือ 0–2.2 V แล้วใช้ 6 dB ฟังก์ชัน analogReadMilliVolts() ใช้ค่าสอบเทียบจากโรงงานใน eFuse ดีกว่า analogRead() แต่ยังควรตรวจกับมัลติมิเตอร์อย่างน้อย 2 จุด

3.7ทำไมเซนเซอร์จึงเป็นดิจิทัล

1. MCU ไม่ว่าง: การจับเวลาพัลส์ (HC-SR04, 1-Wire) ต้องการ MCU ว่างระดับ µs แต่ WiFi/LoRa ขัดจังหวะตลอด ค่าจึงกระโดดเป็นครั้งคราว
2. สัญญาณรบกวน: สายอนาล็อกยาวรับ 50 Hz และสัญญาณรบกวนจากมอเตอร์ เฟรมดิจิทัลมี checksum/CRC จึงตรวจพบความผิดพลาดแทนที่ค่าจะเพี้ยนเงียบ ๆ
3. ระยะทาง: ADC ต้องการสายสั้น ขณะที่ RS-485 ไปได้ 1,200 m และ 1-Wire หลายสิบเมตร
4. เซนเซอร์รายงานสถานะได้: ตาชั่งส่ง ST/US (นิ่ง/ไม่นิ่ง), GPS ส่งคุณภาพ fix, Modbus ส่ง error code

ข้อแลกเปลี่ยนคือต้องเรียนรู้ “ภาษา” ของแต่ละ interface ซึ่งมีสองชั้น:

3.8UART, RS-232 และ RS-485

UART: เฟรมแบบ asynchronous

• สาย TX และ RX (+ GND) ต่อไขว้กัน: TX ของฝั่งหนึ่งเข้า RX ของอีกฝั่ง · full-duplex
• ไม่มี address → point-to-point เท่านั้น
• ไม่มีสาย clock ทั้งสองฝั่งต้องตกลง baud rate ล่วงหน้า เช่น 9600 หรือ 115200
• 8N1 = 8 data bits, no parity, 1 stop bit (ค่าเริ่มต้นของ Serial.begin(9600))
• Baud ไม่ตรงกันจะได้ตัวอักษรขยะ ไม่มี error เพราะ UART ไม่มีกลไกตรวจสอบ
• ESP32 มี 3 UART: Serial (USB), Serial1, Serial2 — ใน Lab 4 GPS และ ultrasonic ต่อที่ Serial2

ASCII หรือ Binary

เฟรมเดียว สามชั้นกายภาพ

ชิปแปลง MAX3232 (TTL↔RS-232) และ MAX485 (TTL↔RS-485) เปลี่ยนเฉพาะชั้นกายภาพ เฟรมและ baud rate คงเดิม

RS-485: สัญญาณแบบ differential

• ตัวรับอ่านผลต่างระหว่างสองสาย ไม่ใช่แรงดันเทียบ GND จึงไปได้ไกลกว่าราวสิบเท่า
• สาย A และ B เป็นคู่บิดเกลียว + GND ร่วม (differential ทนความต่างของกราวด์ได้เพียง ≈ ±7 V)
• Half-duplex สลับส่ง/รับด้วยขา DE/RE (ไลบรารี Modbus จัดการให้)
• สูงสุด 1,200 m ที่ ≤ 100 kbit/s และ 32 อุปกรณ์ต่อสาย
• Terminator 120 Ω ที่ปลายทั้งสองของสายเท่านั้น ไม่ใช่ทุกอุปกรณ์ (บางโมดูล MAX485 ติดมาแล้ว)

Modbus RTU

Master ตัวเดียวเป็นผู้ถาม slave ตอบเมื่อถูกเรียกเท่านั้น slave address (1–247) ผู้ใช้เป็นผู้ตั้ง[7]

3.9I²C และ SPI

I²C: bus สองสายสำหรับหลายอุปกรณ์

• สาย SDA (ข้อมูล) และ SCL (clock) + GND ใช้ร่วมกันทุกอุปกรณ์
• Address 7 บิต (128 ค่า) ผู้ผลิตกำหนด บางชิปเลือกได้ 2–4 ค่าด้วยขา ADDR
• Master ให้ clock ที่ 100 kHz (standard) หรือ 400 kHz (fast) · ระยะ ≤ 1 m เพราะความจุของสายทำให้ขอบสัญญาณช้า
• Open-drain: อุปกรณ์ทำได้เพียงดึงสายลง ส่วน pull-up ดึงขึ้น จึงใช้สายร่วมกันได้โดยไม่ลัดวงจร และเป็นกลไกของ ACK (slave ดึง SDA ลง)
• Pull-up 4.7–10 kΩ มักติดมากับโมดูล OLED และ ultrasonic แล้ว การเพิ่มอีกจะขนานกันจนค่ารวมต่ำเกินไป — รัน I²C scanner ก่อน ถ้าพบทั้ง 0x3C และ 0x57 ไม่ต้องเพิ่มอะไร

หนึ่ง transaction: Wire.requestFrom(0x57, 3) สร้างลำดับบนสายดังนี้ START → address + บิต R → slave ส่ง 3 ไบต์ตาม clock ของ master → master ตอบ ACK ทุกไบต์ยกเว้นไบต์สุดท้ายตอบ NACK → STOP ส่วน I²C scanner ก็แค่ลองส่ง START + address + W ไปที่ 1–127 แล้วดูว่า address ใดตอบ ACK

SPI: เร็วที่สุด หนึ่ง CS ต่ออุปกรณ์

• สี่สาย: SCK, MOSI, MISO ใช้ร่วม และแต่ละอุปกรณ์มีสาย CS ของตัวเอง
• ไม่มี address และไม่มี ACK · master ให้ clock · full-duplex 1–20 MHz ขึ้นไป · ระยะ ≤ 30 cm บนบอร์ด
• Mode 0–3 (CPOL/CPHA) กำหนดว่าอ่านบิตที่ขอบ clock ใด ต้องตรวจ datasheet — ผิด mode ได้ค่าผิดโดยไม่มี error
• ในรายวิชา: MAX6675 (thermocouple type K) และ MAX31865 (PT100) ใน Lab 6 · microSD และจอ TFT ส่วนใหญ่ก็เป็น SPI

อ่าน MAX6675[8]: ชิปไม่มี register และไม่มีคำสั่ง แค่ดึง CS ลง ให้ clock 16 ครั้ง ก็จะได้ 16 บิตกลับมา

digitalWrite(CS, LOW);              // เลือกชิป เริ่มส่งบิต D15 ทาง MISO
uint16_t w = SPI.transfer16(0);     // 16 clock: MOSI ส่ง 0 (ชิปไม่สนใจ), MISO รับ 16 บิต
digitalWrite(CS, HIGH);             // ปล่อยชิป เริ่มแปลงค่าใหม่ (~220 ms)

bool open = w & 0x0004;             // บิต 2 = thermocouple ขาด
float T = ((w >> 3) & 0x0FFF) * 0.25;  // เลื่อนขวา 3 บิต เก็บ 12 บิต × 0.25 °C/LSB

MAX31865 (PT100)[9] ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย: เขียน configuration register ก่อน แล้วอ่าน RTD register 2 ไบต์ — รูปแบบเดิมคือ CS ลง → ส่ง address → รับข้อมูล → CS ขึ้น

3.101-Wire และ CAN bus

1-Wire: สายเดียว ID 64 บิต

• สาย DQ + GND (รับไฟจาก DQ ได้เรียกว่า parasite power หรือใช้สายที่สามเมื่อสายยาว)
• ทุกอุปกรณ์มี ROM address 64 บิตที่ฝังมาจากโรงงาน ไม่ซ้ำกัน: family code 8 บิต (0x28 = DS18B20) + serial 48 บิต + CRC 8 บิต — master ค้นหาได้ด้วยคำสั่ง Search ROM
• Master คุมจังหวะเวลาระดับ µs (reset pulse 480 µs, time slot 60 µs) · ระยะหลายสิบเมตร · ช้า (≈ 16 kbit/s)
• ไลบรารี OneWire ปิด interrupt ชั่วครู่ระหว่างส่ง เพราะ MCU ต้องจับเวลาเอง

• ความแม่นยำ ±0.5 °C (−10 ถึง 85 °C)[10] ทุก resolution — ย้ำอีกครั้งว่าความละเอียดไม่ใช่ความแม่นยำ
• เดินสายแบบ daisy chain ไม่ใช่ star · สายยาวใช้คู่บิดเกลียวและลด pull-up เหลือ ≈ 2.2 kΩ · บอร์ดของภาควิชามี 4.7 kΩ แล้ว ห้ามเพิ่ม
• ในโครงงาน แต่ละ soil node มี DS18B20 2–3 ตัวที่ความลึกต่างกันบนสายเดียว ใช้ชดเชยค่าความชื้นดินตามอุณหภูมิ
• DS18B20 ปลอมพบบ่อย ตรวจเทียบกับ PT100 ที่ Lab 6 ก่อนติดตั้ง · โหมด “1-WIRE” ของ HC-SR04 รุ่น 2020 ไม่ใช่โปรโตคอล Dallas 1-Wire

CAN bus

• ชั้นกายภาพคล้าย RS-485 (คู่ differential CAN_H/CAN_L, 120 Ω ที่ปลายทั้งสอง) แต่ไม่มี master
• ไม่มี address ผู้รับ มีแต่ message ID บอกว่าข้อมูลคืออะไร ทุกโหนดได้ยินทุกข้อความแล้วกรองเอง
• Arbitration: บิต 0 (dominant) ชนะบิต 1 (recessive) ID ที่ต่ำกว่าจึงชนะ ผู้แพ้หยุดแล้วส่งใหม่ ไม่มีข้อมูลสูญหาย
• ระยะ: 1 Mbit/s ที่ 40 m, 250 kbit/s ที่ 250 m, 125 kbit/s ที่ 500 m · ฮาร์ดแวร์จัดการ CRC, ACK และตัดโหนดที่เสียออกเอง
• ESP32 มี CAN controller ในตัว (TWAI) เพิ่ม transceiver SN65HVD230 ก็ต่อเข้า bus ของยานยนต์ได้
• เครื่องจักรกลเกษตร: SAE J1939 (ข้อมูลเครื่องยนต์: รอบ อัตราการใช้น้ำมัน, 250 kbit/s, ID 29 บิต จัดเป็น PGN/SPN) และ ISOBUS (ISO 11783) ให้รถแทรกเตอร์คุยกับอุปกรณ์ต่อพ่วง เช่น จอเดียวคุมทุกอุปกรณ์ (UT/VT), การให้ปุ๋ยแบบ variable-rate (TC)

3.11การเลือก Interface

Lab 4: Digital Signals with ESP32

เตรียมก่อนแล็บ: ติดตั้ง Arduino IDE + ESP32 board package + ไดรเวอร์ CP2102/CH340 · รัน Blink บน ESP32 DevKit แล้วส่งภาพหน้าจอ · อ่านหัวข้อ UART, Modbus, I²C, SPI, 1-Wire และตารางการเลือก interface

✎แบบฝึกหัดท้ายบท

ตอนที่ 1: ปรนัยและเติมตัวเลข

ตอนที่ 2: โจทย์คำนวณพร้อมเฉลย

§แหล่งอ้างอิง