[TH] Cortex-M0+: SAMD21

บทความนี้แนะนำบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิพ ATSAMD21G18 ของบริษัท Microchip ที่ใช้สถาปัตยกรรม ARM แบบ 32 บิต แกนตระกูล Cortex-M0+ ในรูปแบบบอร์ดตามตระกูล Arduino Uno ดังภาพที่ 1

ภาพที่ 1 บอร์ด SAMD21 ในฟอร์มของ Arduino Uno

คุณสมบัติ

บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่พวกเราเลือกมาใช้งานใช้ชิพ ATSAMD21G18 ที่มีคุณสมบัติ ดังนี้

ทำงานที่ความถี่สูงสุด 48MHz
ฮาร์ดแวร์รองรับการคูณในวงรอบการทำงานเดียว
มีหน่วยความจำแรมแบบ SRAM ขนาด 32KB
มีหน่วยความจำแฟลชสำหรับใช้งานขนาด 256KB
พอร์ตสื่อสารแบบอนุกรมจำนวน 6 พอร์ต (SERCOM) ที่สามารถตั้งค่าให้ทำงานเป็นการสื่อสารดังต่อไปนี้
- พอร์ตสื่อสารอนุกรม UART/USART
- SPI
- I2C ที่ความเร็ว 3.4MHz
- SMBUS/PMBUS
- LIN Slave
Timer/Counter ขนาด 16 บิต จำนวน 5 ชุด ที่สามารถตั้งค่าการทำงานให้เป็นดังต่อไปนี้ได้
- 16 บิต TC พร้อม compare และ capture
- 8 บิต TC พร้อม compare และ capture
- 32 บิต TC พร้อม compare และ capture
Timer/Counter ขนาด 24 บิต จำนวน 3 ชุด
32 บิต RTC (Real Time Clock) ที่ทำงานเป็นนาฬิกาและปฏิทิน
PWM จำนวน 20 ช่องสัญญาณ
ADC (Analog to Digital Convertor) ขนาด 12 บิต จำนวน 1 ช่องสัญญาณ ทำงานที่ 350ksps หรือ 350,000 ครั้งต่อวินาที
DAC (Digital to Analog Convertor) ขนาด 10 บิต จำนวน 1 ช่องสัญญาณ ที่ความเร็ว 350ksps
ทำงานที่แรงดัน 1.62 ถึง 3.63V
รองรับแหล่งขัดจังหวะภายนอก (External Interrupt) จำนวน 16 แหล่ง
โปรแกรมด้วย SWD ได้
มีโหมด idle และ sleep ทำให้ประหยัดพลังงาน
มีระบบ DMAC หรือ Direct Memory Access Control จำนวน 12 ช่องสัญญาณ
มีระบบรองรับเหตุการณ์ (Event System) จำนวน 12 ช่องสัญญาณ
รองรับ Touch Control (PTC) สูงสุด 256 ตัว

การติดตั้งบอร์ด

การติดตั้งสามารถทำได้ 2 แบบ คือ

เสียบบอร์ดแล้วเปิดโปรแกรม Arduino IDE ถ้าระบบยังไม่เคยติดตั้งมาก่อนจะมีข้อความเตือนให้ติดตั้งบอร์ด ดังภาพที่ 3 หลังจากนั้นคลิกเลือกจะเข้าหน้าต่าง Boards Manager และมีรายการบอร์ดให้เลือกดังภาพที่ 4 ให้ดำเนินคลิกที่ติดตั้ง
ติดตั้งเองโดยเข้าโปรแกรม Arduino IDE แล้วเลือกเมนู Boards Manager … จากรายการ Board ของเมนู Tools ดังภาพที่ 2 หลังจากนั้นในหน้าจอของ Boards Manager ให้ค้นหา Arduino SAMD Boards (32-bits ARM Cortex-M0+) ดังภาพที่ 4 แล้วให้คลิกติดตั้ง

ภาพที่ 3 ตัวอย่างการแจ้งเตือนเมื่อพบบอร์ดที่ยังไม่ได้ติดตั้ง

ภาพที่ 4 รายการของบอร์ด Arduino SAMD Boards (32-bots ARM Cortex-M0+)

เมื่อติดตั้งเรียบร้อยคราวนี้ก็พร้อมใช้งาน แต่บอร์ดที่ซื้อมานั้นเป็นรุ่นพัฒนาต่อจาก Arduino Zero ดังนั้น ให้เลือกบอร์ด Arduino Zero (Native USB Port) จากรายการในเมนู Arduino SAMD (32-bits ARM Cortex-M0+) จากรายการเมนู Board ของเมนู Tools ดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5รายการเมนูใน Arduino SAMD (32-bits Cortex-M0+) Boards

สุดท้ายให้ตรวจสอบว่า Port ถูกต้องตามตัวอย่างในภาพที่ 6

ตัวอย่างโปรแกรม

ตัวอย่างโปรแกรมค้นหาเลขจำนวนเฉพาะที่แสดงผลผ่านทางพอร์ตสื่อสารอนุกรม USB ของบอร์ดจะใช้คลาส SerialUSB แทน Serial ในโปรแกรมปกติ ซึ่งบนบอร์ดนั้นมีคลาสสำหรับสื่อสารกับพอร์ตอนุกรมให้ใช้งาน 3 พอร์ตดังนี้

Serial สำหรับขา Tx/Rx ที่อยู่กับเสาเชื่อมต่อ ICSP
SerialUSB สำหรับใช้การสื่อสารจากพอร์ต USB ของบอร์ด
Serial1 สำหรับใช้ผ่านทางขา Tx/Rx เดิมของบอร์ดในฟอร์มของ Arduino Uno

โค้ดโปรแกรมเป็นดังนี้


uint32_t counter = 0;
uint32_t t0, t1;
uint32_t t2000;

uint32_t isPrimeNumber(uint32_t x) {
  uint32_t i;
  for (i = 2; i < x; i++) {
    if (x % i == 0) {
      return 0;
    }
  }
  if (i == x)
    return 1;
  return 0;
}


void testPrimeNumber(uint32_t maxN) {
  counter = 0;
  t0 = millis();
  for (uint32_t n = 2; n < maxN; n++) {
    if (isPrimeNumber(n)) {
      counter++;
    }
  }
  t1 = millis();
}


void setup() {
  SerialUSB.begin(115200);
  SerialUSB.println();
}

void loop() {
  testPrimeNumber(2000);
  SerialUSB.print("\n\nTest 2,000 times : Found ");
  SerialUSB.print(counter, DEC);
  SerialUSB.print(" in ");
  t2000 = int(fabs(t1 - t0));
  SerialUSB.print(t2000, DEC);
  SerialUSB.println(" milliseconds.");
  delay(15000);
}

ผลลัพธ์ที่ได้เป็นดังนี้ ซึ่งจะพบว่าใช้เวลาไป 308 มิลลิวินาที

เมื่อเปรียบเทียบการหาตัวเลขจำนวนเฉพาะในช่วง 2-1000 ไปจนถึง 2 ถึง 20,000 โดยแต่ละรอบเพิ่มจำนวนการหาครั้งละ 5000 ของไมโครคอนโทรลเลอร์ esp32, esp8266, STM32C103, Arduino Due, SAM-D21 และ Raspberry Pi PICO เป็นดังกราฟภาพที่ 7

ภาพที่ 7 กราฟเปรียบเทียบเวลาที่ถูกใช้ในการหาจำนวนเฉพาะของบอร์ดต่าง ๆ

สรุป

จากบทความนี้จะพบว่าบอร์ด SAMD21 ที่เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ ARM แบบ 32 บิตนั้น รองรับการทำงานทั้ง ADC และ DAC พร้อมทั้งปริมาณหน่วยความจำที่มากกว่า Arduino Uno และพอเพียงสำหรับการใช้งานในระดับไม่ซับซ้อนมาก และให้พอร์ตสื่อสารอนุกรมมาให้ใช้งานได้พร้อมกัน 3 พอร์ต ทำให้นำมาใช้งานคู่กับ ESP32 เพื่อชดเชยการทำงาน ADC และ DAC โดยส่งข้อมูลระหว่าง Serial1 ของแต่ละบอร์ด สุดท้าย ขอให้สนุกกับการเขียนโปรแกรมครับ

แหล่งอ้างอิง

Starting Electronics. (2018). WeMos SAMD21 Arduino M0 Quick Start Tutorial. เข้าถึงเมื่อ 2021-11-18
MicroChip. (2021). SAM D21/DA1 Family. เข้าถึงเมื่อ 2021-11-18

(C) 2020-2022, โดย อ.ดนัย เจษฎาฐิติกุล/อ.จารุต บุศราทิจ
ปรับปรุงเมื่อ 2021-11-18, 2021-11-19, 2022-01-19