실험에서는 AVCC 를 단순히 5V에 연결하고 AREF는 연결을 하지 않았으며 [그림 1] 에 A/D변환기의 전원부를 도시하였다. 데이터쉬트에 의하면 AVCC는 LC필터를 이용하여 안정화시킬 것을 권장하고 있다.(여기에서는 사용하지 않음) 또한 앞으로의 실습에서는 기준전압을 AVCC로 사용할 것이기 때문에 AREF핀은 연결하지 않았다. 데이터쉬트에서는 AREF핀을 사용하지 않을 경우 GND와 0.1uF의 커패시터를 연결할 것을 권하고 있으나 이 역시 A/D변환 회로부에 들어가게 될지도 모르는 전원 잡음을 조금이라도 줄이기 위한 방편이며, 연결하지 않아도 실습하는데 있어서 크게 문제될 것은 없다.

[그림 1] 그림 8.3.1 데이터쉬트의 권장 회로(좌)와 실험키트의 회로(우)


Cds광센서를 이용한 ADC 실험

 여기에서는 Cds광센서를 이용하여 A/D변환 실험을 수행해 보겠다. 설명의 편의를 위해 회로도를 [그림2]에 도시하였다.


[그림 2] CdS 셀 회로도


Cds는 빛의 양에 따라 저항값이 반비례하는 가변 저항으로 보면 된다. 따라서 내부 풀업 저항을 연결한다면 광량에 따라서 PC4핀의 전압값이 달라질 것이다. 극단적인 경우로 Cds의 저항이 무한대라면(빛이 하나도 없는 경우) PC4핀의 전압은 5V일 것이다. 반대로 저항이 0이라면 (빛이 매우 많은 경우이다) PC4핀의 전압은 0V일 것이고 그 중간의 경우는 광량에 따라서 PC4핀의 전압값이 반비례할 것이다. 즉, 광량이 많으면 PC4핀의 전압은 낮아지고, 광량이 적어질수록 전압은 높아진다.


 이러한 특성을 이용하여 밝으면 LED가 꺼지고 어두워질수록 LED가 더 많이 켜지는 프로그램을 작성해 보자.


#define F_CPU 16000000
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include "Am8USBasp.h"
int main(void) {
   uint uiA;
   uchar ucB;
   InitAM8();
   ADMUX = 0b01000100; // AVCC, right-align, ADC4
   ADCSRA = 0b10100111; // free running, no interrupt, Div128
   sbi(ADCSRA, ADSC); // start conversion
   while(1) {
       uiA = ADC;// read ADC register value
       if (uiA < 256)
           ucB = 0b00000000;
       else if (uiA < 384)
           ucB = 0b00000011;
       else if (uiA < 512)
           ucB = 0b00001111;
       else
           ucB = 0b11111111;
       LED(ucB);
   }
}


이 예제에서는 기준전압을 AVCC로, 변환 데이터 저장 방식은 우측 정렬로 그리고 핀은 ADC4번 핀으로 선택하여 ADMUX레지스터에 설정하였다. 그리고 인터럽트는 사용하지 않고 연속 변환 모드와 128분주된 클럭으로 선택하여 ADCSRA레지스터에 설정하였다. 그리고 ADCSRA레지스터의 ADSC비트를 세트시켜서 변환을 시작시켰으며 그 이후에는 자동으로 A/D변환을 수행하여 ADC레지스터의 값이 실시간으로 갱신이 된다. 따라서 while(1) 반복문 안에는 단순히 ADC레지스터 값을 읽어서 그것의 범위에 따라서 LED의 숫자를 조절하는 프로그램이 작성되어 있다. A/D변환값이 10비트이기 때문에 그 값의 범위는 0~1023일 것이다.

 

 이 프로그램을 컴파일 한 후에 실행시켜서 만약 밝은 환경이라면 LED가 하나도 안 켜지지만 손바닥으로 센서를 많이 가릴수록 LED가 더 많이 켜지는 것을 확인할 수 있을 것이다.



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 여기에서는 이전 포스트들 (ADC 개요, 관련 레지스터들) 에 이어서 A/D변환을 실제로 수행하는 절차에 대해서 정리하였다.

① 기준전압, 입력핀, 그리고 저장방식을 결정한 후 ADMUX 레지스터를 적절히 설정한다.

② 클럭분주비, 인터럽트 허용 여부 등을 결정한 후 ADCSRA 레지스터를 설정하여 A/D 변환기의 동작을 허용한다.

③ ADSC비트를 ‘1’로 써서 A/D변환을 시작한다.

④(A) 만약 변환 완료 인터럽트를 사용하지 않는다면 ADIF비트가 ‘1’이 될 때 까지 기다린 후 ADC레지스터 값을 읽는다. 그후 ADIF비트를 다시 클리어(‘0’)시킨다.

④(B) 만약 변환 완료 인터럽트를 사용한다면 ISR()함수에서 ADC레지스터 값을 읽는다.

 위에서 ④(A)번을 보면 A/D변환을 시작한 이후 완료되었는지를 검사하는 비트는 보통 ADIF를 사용함에 유의해야 한다. ADIF비트가 ‘1’로 세트되었다는 것은 A/D변환이 완료되고 그 변환값이 ADC레지스터에 저장되었음을 의미한다. 따라서 ADIF가 ‘1’이 될 때 까지 기다렸다가 그 이후에 변환값을 저장한다.


 만약 인터럽트를 사용하지 않는다면 ADIF 비트를 수동으로 클리어(‘0’)시켜야 하는데 데이터쉬트에 의하면 이를 위해서는 ADIF비트에 ‘1’을 써야한다는 것에 유의해야 한다. 만약 인터럽트를 사용하여 ISR(ADC_vect)가 호출된다면 자동으로 ADIF는 ‘0’으로 클리어된다.




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 여기에서는 이전 포스트에 이어서 ACD에 관련된 레지스터들에 대해서 알아보도록 하겠다.

[ADCH:ADCL] 레지스터

 A/D 변환 결과는 10비트이기 때문에 SFR 두 개가 필요한데 ADCH과 ADCL 두개의 레지스터가 변환된 값이 저장되는 레지스터이다. 변환값의 상위 바이트와 하위 바이트를 저장하는데 각각 사용되고 ADC의 최대 분해능이 10비트이기 때문에 이중에 10개의 비트만이 변환 값을 저장하는데 사용된다. 뒤에 설명할 ADMUX 레지스터의 ADLAR 비트의 값에 따라 저장하는 방식은 두 가지가 있는데 이를 [그림 1]과 [그림 2]에 도시하였다.


[그림 1] ADLAR='0' 일 때 변환 결과를 저장하는 방식 (우측 정렬)


[그림 2] ADLAR='1' 일 때 변환 결과를 저장하는 방식 (좌측 정렬)


변환 값을 10비트 모두 사용하고자 한다면 [그림 1]과 같이 ADLAR='0'으로 설정한 후 상위 6개의 비트는 무시하고 사용하면 된다. 하지만, 변환 결과를 8비트만 쓰고 싶을 때에는 [그림 2]와 같이 ADLAR='1'로 설정한 후 ADCH 값만을 취하여 사용하면 된다. 이후로는 16비트 메모리 [ADCH:ADCL]을 줄여서 ADC라고 표기한다. A/D 변환 결과는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.

여기서 Vin 은 선택된 입력핀의 전압값이고 Vref 는 기준전압이다.

ADCSRA 레지스터

 ADCSRA (ADC Control and Status Register) 레지스터는 ADC의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 구조는 다음과 같다.


[그림 3] ADCSRA 레지스터의 구조


• ADEN (ADc ENable) 비트는 ‘1’로 설정해야 ADC의 모든 동작이 허용된다. ‘0’으로 설정하면 ADC의 모든 동작이 금지되며 만약 변환 중에 ‘0’으로 클리어되면 변환이 즉시 중지된다.

• ADSC (ADc Start Conversion) 비트가 ‘1’로 세트되면 ADC가 시작된다. 연속 변환 모드에서는 이 비트가 세트되면 첫 번째 변환이 수행된 이후 자동으로 계속 변환이 수행된다. ADEN 비트가 ‘1’로 설정된 이후의 최초의 변환은 ADC의 초기화 때문에 25 클럭이 소요되고 두 번째 변환부터는 13클럭이 소요된다. 변환이 진행 중이라면 이 비트를 읽으면 ‘1’ 값이 읽혀지고 변환이 완료되면 ‘0’값으로 되돌아간다.

• ADFR (ADc Free Running select) 비트는 ADC를 연속 변환 모드로 설정한다. 연속 변환 모드에서는 ADC 변환이 자동으로 연속적으로 일어나므로 임의의 시점에서 최신 변환 결과를 읽어들일 수 있다.

• ADIF (ADc Interrupt Flag) 비트는 A/D 변환이 완료되어 ADC 레지스터 값이 갱신되고 나면 ‘1’로 세트되며, 만약 ADIE 비트가 ‘1’로 세트된 상태라면 인터럽트를 요청하게 된다. 해당 ISR이 호출되면 ADIF 비트는 자동으로 ‘0’으로 리셋되며, 만약 사용자가 강제로 이 비트를 ‘0’으로 클리어하려면 이 비트에 ‘1’을 써주어야 한다.

• ADIE (ADc Interrupt Enable) 비트를 ‘1’로 설정하면 A/D 변환완료 인터럽트를 허용한다. 실제로 인터럽트가 발생하려면 SREG 레지스터의 I비트가 ‘1’로 설정되어 있어야 한다.

• ADPS2:0 비트들은 ADC에 인가되는 클럭의 분주비를 선택한다. A/D변환기에서 사용하는 클럭은 10비트 연속 변환 모드가 정상적으로 수행되기 위해서 50~200KHz 범위 이내이어야 한다고 데이터쉬트에 기록되어 있다. 따라서 본 실습키트의 경우처펌 시스템클럭이 16MHz일 때에는 정상적인 A/D변환을 위해서는 <표 8.3.1>에 표시한 바와 같이 ADSP2:0='110' 혹은 ADSP2:0='111' 이어야 한다.

단, 10비트보다 낮은 분해능으로 사용할 경우에는 200KHz보다 더 높은 주파수를 사용할 수 있다고 되어 있다.


[표 1] ADC로 인간되는 클럭의 분주비

ADSP2

ADSP1

ADSP0

분주비

clksys=16MHz 일 경우

0

0

0

2

8,000KHz

0

0

1

2

8,000KHz

0

1

0

4

4,000KHz

0

1

1

8

1,000KHz

1

0

0

16

500KHz

1

0

1

32

250KHz

1

1

0

64

125KHz

1

1

1

128

62.5KHz


ADMUX 레지스터

 ADMUX (ADc MUltipleXer selection register) 레지스터는 ADC의 입력 핀을 선택하는 기능과 기준 전압원을 선택하거나 변환 결과를 레지스터에 저장하는 형식을 지정하는 기능을 수행한다.


[그림 4] ADMUX레지스터의 구조


• REFS1:0 두 비트는 A/D 변환의 기준 전압을 선택한다.


[표 2] ADC 기준 전압 선택

REFS1

REFS0

기준전압 선택

0

0

AREF에 인가되는 전압

0

1

AVCC에 인가되는 전압 (1)

1

0

-

1

1

내부 2.56V 전압 (1)

(1) AREF핀에 외부 전압을 인가하지 않고 GND와 0.1uF의 커패시터를 연결할 것.


• ADLAR (ADc Left Adjust Result) 비트는 ‘1’로 설정되면 A/D 변환 결과가 ADC레지스터에 저장될 때 <그림 8.2.2>와 같이 정렬되고 ‘0’으로 설정되면 <그림 8.2.1.>과 같이 정렬된다.

• MUX3:0 비트들은 ADC의 입력핀을 선택한다. PDIP패키지는 외부 핀이 ADC5번까지만 있고, TQFP/MLF 패키지는 ADC7번까지 있다.


[표 3] 입력 채널 선택

MUX3:0

단극성입력

(single ended input)

비고

0000

ADC0

PDIP 패키지

0001

ADC1

0010

ADC2

0011

ADC3

0100

ADC4

0101

ADC5

0110

ADC6

TQFP/MLF 패키지에만 있음

0111

ADC7

1000

~1101

-

1110

1.30V (VBG)

1111

0V (GND)



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 A/D변환기 (Analog-to-Digital Converter)란 아날로그 전압을 디지털 값으로 변화시켜주는 장치로서 ATmega8(A)는 10비트 분해능의 A/D변환기를 내장하고 있다. 개략적으로 설명하면 변환하는 전압의 범위가 0~5V일 때 입력핀의 전압이 0V이면 0x000, 5V이면 0x3FF (0b11.1111.1111), 2.5V이면 0x1FF와 같이 연속적인 전압을 불연속적인 2진 숫자로 바꾸어주는 장치가 A/D변환기이다.


[그림 1] ATmega8(A) 의 ADC 내부 구조도


A/D변환기는 보다 안정된 동작을 위하여 AVR의 시스템 전원과 별도로 아날로그 회로의 전원핀 AVCC가 있으며 A/D변환에 필요한 기준 전압을 인가하는 AREF핀도 가지고 있다. 단, AVCC의 전압은 VCC에 인가되는 전압의 ±0.3V 이내로 유지되어야 한다. 이를 위해서 dateasheet에는 다음과 같은  간단한 LC 필터를 AVCC에 연결하도록 권장된다.


[그림 2] AVCC에 연결되는 LC필터


변환되는 전압의 최소값은 GND이며, 최대값은 AVCC/AREF/2.56V(내부 발생) 세 가지 중에서 선택적으로 설정할 수 있다.


[그림 2] ADC와 관련된 핀들


A/D 변환 핀은 PDIP패키지의 경우 ADC0~ADC5로 6개가 있으며 SFR의 설정에 따라 이들 중 하나의 핀을 선택하여 A/D 변환을 수행하게 된다. 단일 변환 시간은 13~250us이다.


 A/D변환 모드는 단일 변환 모드 (single conversion mode)와 연속 변환 모드 (free running mode)가 있는데 연속 변환 모드에서는 최대 분해능으로 초당 15,000번의 속도로 연속 변환을 수행토록 할 수 있다. A/D변환이 완료되면 변환 결과 값이 저장되는 SFR이 갱신되면서 A/D 변환 완료 인터럽트가 발생하도록 설정할 수도 있다.



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 디지털 입출력 포트(digital I/O port, 혹은 그냥 포트)는 디지털 신호를 출력하거나 입력받을 수 있는 통로(물리적으로는 핀)이다. 디지털 신호는 0과 1 두 가지 상태만을 표현하므로 포트를 통해서 0 또는 1신호를 내보내거나 입력받을 수 있다. 아두이노 우노에는 13개의 디지털핀이 있는데 이것들이 포트에 해당된다.


 앞으로의 설명을 위해서 약간의 전기회로 지식이 필요하다. 먼저 전압(voltage)과 전류(current)의 개념을 설명하면 다음과 같다. 마트에서 흔히 살 수 있는 AA나 AAA사이즈 건전지 하나의 '전압'은 1.5V (V는 Volt 볼트, 전압의 단위) 라는 것은 알고 있을 것이다. 이 의미는 음극과 양극의 '전위차'가 1.5V라는 의미이며 일단 '전압은 전류를 흘릴 수 있는 힘' 정도로 이해하면 된다. 이 전위차가 있는 두 부분을 도선으로 연결하면 전자가 도선을 따라서 흐르게 되는데 이 전자의 흐름이 전류이다. 전자는 음극에서 양극으로 흐른다. 전압(또는 전위차)이 높을 수록 전자가 더 많이 흐르고 전류값도 높아진다. 전자의 흐름인 전류의 단위는 암페어(Ampere, A로 표시함)이다. 전류는 '양전하의 흐름'이다.


  • 전류(단위는 암페어, A) : 양전하의 흐름

  • 전압(단위는 볼트, V) : 전류를 흘릴 수 있는 힘



위 그림을 보면 건전지의 +극과 -극을 저항 $R$로 연결하였다. (왼쪽은 건전지와 저항의 모양을 그대로 그렸고 오른쪽은 이것을 기호로 표시한 것이다.) 이 경우 전류가 도선을 따라 흐르게 되는데 전지의 전압을 $v$, 저항을 $R$이라고 하면 전류의 크기는 $\frac{v}{R}$로 계산된다. 이것을 오옴의 법칙이라고 한다. 저항의 단위는 오옴(ohm)이다. '저항은 전류의 흐름을 제한하는 역할을 하는 소자'이다.


  • 저항(단위는 오옴 Ω) : 전류의 흐름을 제한하는 역할을 하는 소자

  • 오옴의 법칙 : $v = i R$


 디지털 시스템의 디지털 신호는 '전압'으로 표현된다. 신호 0(LOW)은 0V (GND, 그라운드라고 읽는다)가 사용되고 1신호는 주로 5V, 3.3V 혹은 1.8V이다. 아두이노의 경우 동작 전압이 대부분 5V이므로 신호 1 (HIGH) 은 전압으로 5V가 되는 것이다.


포트를 이용한 출력 내보내기


 포트를 출력으로 사용하는 경우는 스위치를 생각하면 간단히 이해할 수 있다. 건전지와 연결된 전구사이에 스위치가 있는 간단한 실험장치를 생각해 보면 된다. 스위치를 손가락으로 눌러서 연결(on 되었다고 한다)되면 전구에 전압이 걸려서 켜질 것이고 손가락을 떼면 (off되었다고 한다.) 전구가 꺼지게 된다.



포트는 이와 같이 핀에 연결된 회로에 전압을 인가하거나(1, HIGH 신호) 인가하지 않을 (0, LOW 신호) 수 있는 스위치의 역할을 하는데 아두이노의 경우 이 스위치를 프로그램을 통해서 on시키거나 off시킬 수 있다. 사용자가 원하는 타이밍, 주기, 속도를 가지고 스위치를 켰다 끌 수 있는 것이다. 따라서 손으로 스위치를 조작하는 것과는 비교할 수 없는 정밀도와 속도로 개폐를 제어할 수 있다.


포트를 이용한 입력신호 받기


 입력의 경우에는 출력과 반대로 이 물리적인 핀과 연결된 부분의 전압이 0V(LOW)이냐 혹은 5V이냐(HIGH)를 읽어들이는 기능을 한다. 보통 디지털 입력 실험을 할 때 처음으로 접하는 부품이 택스위치 회로인데 택스위치가 눌려졌는지 혹은 떼어졌는지를 포트의 입력 기능으로 판별할 수 있다.


 위 그림 (a)에서 화살표 표시된 곳의 전압은 5V인데 저항에 전류가 흐르지 않아 저항 양단에 전위차가 발생하지 않기 때문이다. 반면에 (b)를 보면 화살표 된 곳의 전압은 0V인데 GND와 직결되어 있기 때문이다.


 이제 (c) 그림을 보면 스위치를 안 눌렸을 때 (a)와 같고 스위치를 누르면 (b)그림과 같다는 것을 알 수 있다. 따라서 스위치를 눌렀을 때와 안 눌렸을 때의 전압값이 달라지므로 포트에서 이 전압값을 읽어 들여서 스위치의 상태를 검출할 수 있다. 여기에선 사용된 저항 $R$을 '풀업(pull-up) 저항'이라고 한다.


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Posted by 살레시오

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