- 마이크로컨트롤 유닛의 약자
- 마이크로프로세서 + 외부장치 (EPROM, ADC, SRAM…)
- 아두이노 우노와 나노는 Atmel 사의 ATmega328 마이크로프로세서 이용
- 오늘은 328에 방점을 맞춤
- 마이크로프로세서 자체 기능과 외부장치에 따라 수행 가능한 기능이 달라짐!
- 아두이노도 MCU의 한 종류!
- So,,how do we control the device?
- 모든 장치는 적당한 레지스터에 적다한 값을 집어넣는것.
- 적당한 레지스터와 적당한 값은 어떻게 아는데? -> 데이터시트에 전부 다 나와있다!
- Device Driver도 본질적으로 같다.
- 개발자가 Reg level에서 인터페이싱 하기 어려우니 DD가 개발자가 장치를 파일처럼 다룰 수 있게 reg를 잘 매핑해주는 것.
- 그리고 reg의 집합이 메모리임...그래서 포인터하고 fseek 같은 함수가 중요한 것 ㅇㅇ
- 말그대로 표준 '입출력' 장치
- 핀명과 병기된 내용은 사용가능한 Altenative function
- 입력
- 1.5V 이하의 신호는 LOW
- 3V 이상의 신호는 HIGH
- 중간을 비워두는 것은 노이즈 방지를 위함
- 출력
- HIGH는 5V
- LOW는 0V
- 어떻게 한 PIN으로 입출력이 가능한가?
- 위와 같은 Tri-state Buffer를 이용하여 아래의 회로를 구성한다
- 즉, Buffer에 적당한 값을 넣어 입출력모드를 설정할 수 있다.
- 아트메가에서 GPIO를 변경할려면 아래의 레지스터를 제어해야한다.
- DDRx : 입출력 설정
- PORTx : 출력 HIGH / LOW 설정
- PINx : 값 입력4
- 아두이노 내장 LED는 PB5이다.
- 그럼 얘를 제어할려면?
-
//일반적인 아두이노 버전 #define LED_BUILTIN 13 void setup() { pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); delay(1000); digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); delay(1000); }
-
//레지스터 레벨에서 접근 void setup(){ DDRB |= 0x20; } void loop(){ PORTB ^= 0x20; delay(500); }
- Analog?
- 어떠한 수치가 연속적으로 변하는 물리량으로 나타나는 것
- 아날로그 형태인 신호를 아날로그 신호라 함
- 자연에서 얻는 신호는 전부 아날로그 신호
- Digital?
- 어떠한 수치가 특정 최소 단위를 가지는 단위로 나타내는 것
- 디지털 형태인 신호를 디지털 신호
- Analog Digital Converter?
- 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전자 회로
- 센서로 받는 아날로그 신호를 MCU에서 사용 할 수 있도록 함
- Sampling : x축으로 Digitalization
- Quntization : y축으로 Digitalization
- Digitalization 에는 2가지가 있음
- Quntization : y축으로 Digitalization
- 이게 왜 필요하는가?
- 컴퓨터는 연속한 값(아날로그)를 못 처리하기에,,,
- 그리고 모든 신호는 필연적으로는 신호가 노이즈가 낀다.
- Quntization을 하면 노이즈에 강인해진다.
- Sampling : x축으로 Digitalization -> 우리가 다룰 Sampling Theory
- 이게 왜 필요하는가?
- 컴퓨터는 연속한 값(아날로그)를 못 처리하기에,,,
- 그리고 용량이 작아진다.
- 왜냐? 아날로그인 좌측 plot은 실선 전체를 보내야하지만, 디지털인 우측의 plot은 두꺼운 점 만 저장하면 되니깐
- MP3는 음악을 디지털로 저장하면서 데이터를 압축했다.
- 용량이 작아진다는 것은 데이터가 손실이 되는것.
- 그러면, 노래를 다시 듣기 위해서는 신호 원복을 해야하는데 어쩌지...?
- 손실된 정보를 적절히 채워 넣어야하는데...?
- 그러니깐 적절히 압축(셈플링 해야한다)
- 어떻게 적절하게 압축을 할까?
- 과연 맨 밑의 Case는 원본 신호처럼 원복할 수 있을까?
- Time domain에서는 해석하기 어렵다 푸리에 변환을 사용하자!
- <fig.1>을 디지털 신호로 바꾸는 과정을 따라가보자.
- <fig.1>과 <fig.3>은 같은 신호이다...
- 우선 <fig.1>을 푸리에 변환한 결과가 <fig.2>라고 한다.
(실제 푸리에 변환한 결과를 손으로 그리기 너무 어렵기에 저러한 모양이라 가정한다) - <fig.3>, <fig.4> 푸리에 변환하면 <fig.5>와 <fig.6>이다.
- 다시 돌아와서 <fig.3>을 이산시간으로 바꾸기 위해 impulse train <fig.4>의 p(t)를 곱해준다.
- 그리고 이를 푸리에 변환하게 된다면 파란색 하이라이트 된 거와 같은 신호가 된다.
- 이는 높이는 1/T 이며 fig.5 신호가 w0 주기로 반복하는 신호이다.
- 수학적 전개가 궁금하면 신호 및 시스템을 수강하세용.
- 지금 우리는 이해할 필요가 없습니다~
- 그 결과를 한번 확인해보자 그 경우는 3가지가 될 수 있다.
- Case.3에선 Aliasing 되어서 <fig.2>신호가 왜곡되는 것을 알 수 있다...
- 즉, 원본 신호보다 2배의 주기로 신호를 Sampling 해야한다.
이를 'Nyquist theorem'이라고 한다. - 신호를 아날로그로 복원할려면 이상적 LPF에 Convolution 하고 푸리에 역변환하면 된다.
- 하지만, 신호및시스템을 수강하지 않으면 이해하기 어려우기에 생략...
- 우선 <fig.1>을 푸리에 변환한 결과가 <fig.2>라고 한다.
- 이러한 내용은 디지털신호처리 과목에서 배움.
- Sampling된 신호 Recover, UP/Down Sampling 궁금하면 세미나 준비해볼게여
- Quntization : y축으로 Digitalization
- ATmega의 ADC회로부 모습이다
- 아트메가에서 ADC를 수행할려면 아래의 레지스터를 제어해야한다.
- ADMUX
- 우리는 5V 기준을 잡는다.
- AVCC가 5V이기에 AVCC를 레퍼런스로
- ADCSRA
- 결국 아래의 bit가 중요
- ADEN : ADC Enable
- ADSC : ADC start conversion
- 결국 아래의 bit가 중요
- ADCH/ADCL
- Code
-
void setup() { Serial.begin(9600); ADMUX |= _BV(REFS0); //Vref = 5V ADCSRA |= _BV(ADEN); //AD-conv start ADCSRB = 0x00; } void loop() { uint16_t sensorValue = adc_read(7); Serial.println(sensorValue); delay(1000); } uint16_t adc_read(uint8_t ch) { ADMUX = (ADMUX & 0xF8)|ch; ADCSRA |= _BV(ADSC); while (ADCSRA & (1 << ADSC)); //wait for conv done! ADC = (ADCL | (ADCH << 8)); return (ADC); }
-
ADC Channel Channel Bit ADC0 (A0) 0000 ADC1 (A1) 0001 ADC2 (A2) 0010 ADC3 (A3) 0011 ADC4 (A4) 0100 ADC5 (A5) 0101 ADC6 (A6) 0110 ADC7 (A7) 0111 ADC8 : 아두이노에선 인터페이싱 X 1000
-
-
void loop(){ bool pin_val = digtalRead(1); if(pin_val == HIGH) printf("HIGH\n"); }
- 이런식으로 루프 안에서 무지성으로 if문 돌려서 상태를 체크하는거임...
- 구현은 간단.
- 왜냐? 굳이 체크할필요 없어도 확인을 해야하니깐.
- 초인종이 고장났다고 가정하자.
- 이때 치킨을 시켰고, 배달부가 내 연락처도 없다면?
- 내가 주기적으로 배달부가 왔는지 주기적으로 현관문을 열어 CHK해야한다
- 리소스가 많이 발생함
- 왜냐? 굳이 체크할필요 없어도 확인을 해야하니깐.
- 지금이야 코드가 간단하지만 커다란 시스템에선 하나하나 if문으로 chk하느라 중요한 걸 놓칠 수 있음
- 왜냐? 중간에 시간이 오래 걸리는 code가 있다면 거기서 시간 다 잡아먹는다.
- ex
void loop(){ bool pin_val = digtalRead(1); if(pin_val == HIGH) { digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); // 시간 다 잡아먹음 } }
- 위 상황에서는 PC게임 중이 loop함수
- 위 상황에서는 친구와 영화를 보는 것이 ISR 함수
- INT 처리 순서
- loop() 함수 실행
- 이벤트 발생 후 인터럽트 함수로 이동(발생 지점 기억)
- 인터럽트 함수 실행 보통 ISR(Interrupt Service Routine) 함수로 지칭
- ISR 함수 종료 후 기억지점으로 복귀
- loop() 함수 계속 실행
- 만약 동시에 INT가 발생한다면?
- 당연히 우선순위가 존재한다.
- 이를 IRQ 벡터 테이블이라고 한다.
- External Interrupt
- 외부인터럽트란 외부신호에 따라 인터럽트 발생
- 아두이노 D2와 D3핀을 이용하면 사용할 수 있다
- 이번 세미나에서는 실습 생략
- Internal Interrupt
- 상기 언급한 외부인터럽트와 PCINTn를 제외하고는 내부 인터럽트
- 예를 들어 Watch Dog TIM를 설명해보자
- 시스템이 살아있는지 일정 시간 마다 chk하는 것이다.
- 어떻게?
- CLK은 일정주기를 가짐.
- CLK의 펄스를 수 카운트 하고 일정 숫자가 카운트 되면 특정 시간이 지난 것.
- WDT의 INT가 발생하여 시스템이 살아있는지 chk!
- 어디에서? 원전과 같은 곳에서 주기적으로 시스템이 살아있는지 체크하기 위해.
- Watch Dog TIM는 TIM을 응용한것. TIM에 대해 알아보자
- TIM는 CLK의 숫자를 CHK 하여 일정 시간이 지나면 INT를 발생!
- INT가 발생되면 ISR함수를 실행.
- 즉, 일정 주기마다 원하는 행위를 수행 가능.
- 328에는 8bit TIM 그리고 16bit TIM가 있음
- 8bit tim은 0-255 / 16bit tim 0-65536 : 이 숫자는 카운트하는 CLK의 갯수임.
- 이번 실습때는 8-bit T/C TIM0 쓰자
- TIM 모드는 몇개 있음
- 결국에는 CLK가 들어갈떄마다 TCNTn이라는 REG의 숫자가 늘어남.
- 일반모드
- TCNTn이 0xFF를 넘어 OVF가 나면 INT가 발생함.
- TCNTn의 최초 값을 설정하여 주기를 조절함
- CTC모드 <- 우리가 쓸 기능
- 일반모드랑 똑같은데 OCRnA 로 Target value를 잡아줌
- OCR보다 TCNTn 이 커지면 OVF가 나면서 INT 발생
- OCR로 주기를 조절가능함.
-
ATmega의 TIM(PWM)회로부 모습이다
-
-
상기 언급하였듯이 우린 CTC모드 쓸꺼임...
-
CTC모드가 뭐라면 클럭마다 TCNT가 한개씩 증가함,,,그러다가 OCR 또는 ICR이 일치하면 INT발생
-> 여기선 아래의 IRQ 벡터 ㅇㅇ -
-
왜하필 얘냐면 TIMSK0 떄문임 ㅇㅇ
-
사용해야할 레지스터는 아래와 같음
- TCCRA~B / TCNT / OCR / TIMSK
-
TCCRA~B
- 솔직히 얘는 데이터시트보다 아래표가 더 잘 정리되어있음ㅋㅋ
-
- CS00~02 REG는 Prescaler를 설정하는 것임.
- 우리가 쓰는 보드의 CLK는 16MHz
- 16MHz/OCRn 마다 INT가 발생하면 너무 자주 발생함.
- Prescaler로 CLK를 분주하여 사용
- ex) 16MHz의 1024 Prescaler : 16MHz/1024 마다 TCNT 가 증가
- 결과적으로 16MHz/(1024 * OCR) 마다 INT 발생
- 위 Table을 보고 적당히 CTC모드에 맞게 레지스터에 값을 써주자
-
TCNT / OCR
- TCNT가 결국 클럭이 몇개 지나갔는지 카운트 되는 레지스터 ㅇㅇ
- OCR은 타겟 벨류 ㅇㅇ
- CTC모드에서는 결국 TCNT 랑 우리가 셋팅해준 OCR이 맞는지 chk 맞다면 인터럽트 발생
-
TIMSK
- OCIE0A를 설정했기 때문에 아래의 INT가 발생한거임 ㅇㅇ
-
pinMode(13, OUTPUT); cli(); //전역인터럽트 정지 TCCR0A = 0x0; // Reset entire TCCR1A to 0 TCCR0B = 0x00; // Reset entire TCCR1B to 0 //일반 모드로 설정 TCCR0B |= _BV(WGM02)|_BV(CS02)|_BV(CS00); //프리스케일러 256 / CTC 모드 TIMSK0 |= _BV(OCIE0A); //compare match A 인터럽트 OCR0A = 60; //타켓 벨류 sei(); //전역 인터럽트 설정
- GPIO 제어로 우리는 LED의 불을 끄고 킬 수 있었음.
- 하지만, LED의 밝기를 조절할 수 는 없음.
- LED의 밝기를 조절하기 위해서는 LED에 입력되는 전압을 조절해야함.
- 하지만, 아두이노에는 DAC (Digital Analog Converter)가 없기에 진정한 Analog out은 불가능
- 이를 파훼하기 위해 PWM이 등장
- PWM은 제어 신호의 펄스 폭을 조절하는거임
- 쉽게 말해 스위치를 켰다 껏다를 엄청 빠르게 실시
(스위치 ON = 1, 스위치 OFF = 0, 디지털 신호이다) - 이 껏다 켰다의 비율 (Duty Cycle)을 조절함으로써 LED의 밝기가 달라짐.
- 이로써 아날로그 신호를 묘사 가능함.
- 근데 이거 보면 알겠지만, TIM응용하면 만들 수 있지않을까?
- TIM은 본질적으로 일정 시간마다 CHK하는 기능
- PWM은 일정 시간 동안 LOW 그 후 일정 시간동안 HIGH
- 이것을 반복
- 완전 TIM으로 구현 가능아님?
- 보면 알겠지만 디지털 신호임. 혼동 ㄴㄴ
- DMM을 찍어보면 아래와 같이 전압이 찍힘 -> 실제로 Vpp가 바뀌는 것은 아님.
- 100% Duty Cycle : 5V (= 5V * 1)
- 70% Duty Cycle : 3.5V (= 5V * 0.7)
- 50% Duty Cycle : 2.5V (= 5V * 0.5)
- 25% Duty Cycle : 1.25V (= 5V * 0.25)
- 0% Duty Cycle : 0V (= 5V * 0)
- 그럼 왜? DMM에는 저렇게 보이는가?
- DMM의 처리 속도가 빠르지 않기 때문.
- Flukemeter 87V의 ADC만 해도 60Hz정도가 한계.
- (대부분의 DMM)은 입력단에 위처럼 Low-pass filter를 사용(C18 부분) -> Analog 신호화.
- (대부분의 DMM은) AC모드가 아닌한, Vpp대신 평균 전압이 측정.
- 평균전압은 DMM쪽 회로에 결정됨.
- 다만, 대부분의 DMM은 Sampling frq(끽해야 60Hz)내의 신호 흔들림은 산술평균을 냄
- 만약 실제로 출력 전압이 아날로그하게 바뀐다면, PWM파형 뒷부분에 Resistor-Capacitor 필터를 달아줘 디지털 파형이 아날로그 전압으로 바꾼것.
- DMM의 처리 속도가 빠르지 않기 때문.
-
- ATmega의 TIM(PWM)회로부 모습이다
-
-
Timer output Arduino output Chip pin Pin name OC0A 9 12 PD6 OC0B 5 11 PD5 OC1A 9 15 PB1 OC1B 10 16 PB2 OC2A 11 17 PB3 OC2B 3 5 PD3 -
-
우리 라트 3번 LED는 D5(=PD5)에 결선, 해당 포트는 OC0B(TIM 8BIT COUNTER 0)
-
우선 PWM 모드는 2개가 있음 : 우린 걍 FAST PWM ㄲㄲ
-
FAST PWM
- TCNTn은 여전히 냅두면 0x00~OCR까지 갔다가 오버플로우되는것을 반복
- OCRn값과 TCNTn값이 일치하면(비교 매치) OCn핀의 출력값이 바뀜
- 여기서 출력값이 어떻게 바뀌느냐는 모드마다 다름.
- 비반전 비교 출력모드(2번째 그림) 경우,
- HIGH가 출력되다가, 비교 매치에서 OCn핀에 0이 출력.
- TCNTn이 0xFF에서 0x00으로 떨어질 때 다시 HIGH가 출력.
- 반전 비교 출력모드(3번째 그림)일 경우
- LOW가 출력되다가, 비교 매치에서 OCn핀에 1이 출력.
- TCNTn이 0xFF에서 0x00으로 떨어질 때 다시 LOW가 출력.
-
아까 말했듯이 PWM 은 TIM응용 -> TIM이랑 REG 겹침
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TCNT/OCR/TCCR
-
TIM이랑 거의 비슷함
-
TCCRA~B
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TCNT / OCR
- TCNT가 결국 클럭이 몇개 지나갔는지 카운트 되는 레지스터 ㅇㅇ
- OCR은 타겟 벨류 ㅇㅇ
-
void setup(){ pinMode(5, OUTPUT); TCCR0A = _BV(COM0A1) | _BV(COM0B1) | _BV(WGM01) | _BV(WGM00); TCCR0B = _BV(CS02); } void loop(){ OCR0B = 128; delay(1000); OCR0B = 0; delay(1000); }
- 친구들이 내용을 채워주세요
- 친구들이 내용을 채워주세요
- 친구들이 내용을 채워주세요