아두이노에는 tone()함수가 제공되는데 부저나 스피커로 음을 발생시킬 수 있는 함수이다. 기본 문법은 다음과 같다.

• pin : 부저나 스피커가 연결된 디지털 핀번호

• freq : 주파수 (범위 : 31 ~ 65535)

• duration : (옵션) 음의 발생 시간

여기서 duration은 주파수 지속시간으로서 이 시간이 지난 후에 noTone()함수가 자동으로 호출되는 것과 같은 효과를 낸다.  duration이  생략되면 noTone()함수가 호출될 때까지 음이 계속 발생된다. 예를 들어서 11번 핀에 부저가 연결되었다면 다음과 같이 한다.

이 코드는 ‘도’음을 0.5초간 발생시키는데 다음과 같이 할 수 있다.

이렇게 하면 음 발생 직후 다른 작업을 수행할 수 있으며 500ms후에는 내부 인터럽트가 발생하여 음발생이 자동으로 정지된다. 하지만 단음만 생성할 경우에는 상관없지만 연속음을 생성할 경우에는 주의해야 한다.

이렇게 하면 맨 마지막의 ‘미’음만 발생하게 된다. (왜?) 따라서 올바른 동작을 위해서는 다음과 같이 해야 한다.

tone()함수는 내부적으로 타이머를 사용하므로 다음과 같은 점들을 주의해야 한다.

• 이 함수를 사용할 경우 3번 11번 핀의 PWM이 정상적으로 동작되지 않는다.

• 한 번에 하나의 주파수만 발생시킬 수 있으며 여러 핀에 동시에 다른 음을 발생시킬 수 없다.

 특정 음에 해당되는 주파수를 일일이 숫자로 기입하는 것은 가독성 면에서 좋지 않으며 이를 개선하기 위해서 아두이노에서는 음의 주파수만을 모아놓은 “pitches.h”라는 헤더파일을 제공한다. 내용은 다음과 같다.

이 헤더파일은 전역 상수 정의로만 이루어져 있으므로 실행 파일의 용량을 증가시키진 않는다. 따라서 이 파일을 폴도에 복사한 후 인클루드시켜서 필요한 주파수를 사용하면 된다.

이렇게 주파수(숫자) 대신 상수 이름을 사용하면 가독성이 높아지게 된다.

 자바(JAVA)는 컴퓨터 프로그래밍 언어 중의 하나로 썬마이크로시스템스(Sun Microsystems, 이하 썬) 라는 회사에서 개발하여 1996년 1월에 초기 버전이 발표된 객체 지향 (object-oriented) 언어이다. 썬의  제임스 고슬링, 아서 밴 호프와 같은 엔지니들이 처음 설계하였다고 알려져 있다.

[그림 1] 자바의 창시자인 제임스 고슬링과 마스코트(duke) 이미지

 원래는 썬의 엔지니어들에 의해서 가전 제품에 탑재될 소프트웨어를 만들려는 목표로 1990년에 개발이 시작되었다. 프로젝트의 초기에는 C++을 확장하여 사용하려 했지만 적합하지 않다고 판단하여 C++의 장점은 취하고 단점은 보안한 새로운 언어인 Oak 가 만들어졌다. 이후에 인터넷에 적합하도록 개발 방향이 바뀌면서 자바로 이름을 바꾸고 정식 버전을 1996년 1월에 발표하였다. 인터넷이 보급되면서 운영 체제와 상관 없이 어디에서든 실행할 수 있는 자바의 특성과 자바 애플릿(applet)의 인기에 힘입어 널리 사용되기 시작하였다.

 자바는 “Write once, run anywhere”라는 모토에 충실하여 한번 작성되어 컴파일된 실행 파일은 운영 체제와 상관없이 실행 가능하다. 이것이 가능한 이유는 자바 컴파일러는 소스 프로그램을 특정 기계어로 번역하지 않고 가상 언어로 번역한다. 그리고 그 가상 언어를 특정 기계어로 번역하여 실행하는 시스템을 자바 가상 머신(Java virtual machine, JVM)이라고 한다. (이름에 머신이라는 말이 붙어 있지만 이것도 프로그램이다.) 이 자바 가상 머신(Java Virtual Machine)은 여러 OS용으로 만들어져 있으므로 이것이 설치된 곳이라면 윈도PC, 맥, 리눅스, 서버 컴퓨터, 심지어 가전 제품 등 가리지 않고 어디에서든 자바 프로그램을 실행할 수 있다. 이러한 장점으로 인해서 자바는 다양한 기종의 컴퓨터와 운영 체제가 공존하는 인터넷 환경에 적합한 언어로서 인터넷의 발전과 함께 많은 사용자를 확보해 나갔다. 또한 기존의 C++언어의 장점은 채택하되 잘 사용하지 않는 부분은 배제하고 비교적 배우기 쉬운 간결한 문법도 사용자층을 넓히는데 한몫했다. 그리고 풍부한 클래스 라이브러리(Java API)가 공개되어 있기 때문에 프로그래머는 이것을 잘 활용하면 손쉽게 강력한 기능의 프로그램을 작성할 수 있다.

 자바를 처음 개발해서 보급했던 썬마이크로시스템스는 2010년에 데이터베이스로 유명한 오라클 (Oracle) 이라는 회사에 합병되었으며 따라서 현재 자바는 오라클사에 의해서 유지/배포되고 있다. 한 예로 구글의 안드로이드는 자바의 API를 이용하여 작성한 달빅(Dalvik)이라는 가상 머신 위에서 자바로 작성된 앱을 구동하며 자바 개발자들을 안드로이드로 끌어들여 큰 성공을 거두었다. 하지만 이로 인해서 오라클과 구글 간 자바  API의 사용료(저작권료)에 대한 소송이 진행되고 있기도 하다.

 자바 언어의 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 운영체제에 독립적이다. 한번 만들어진 실행 파일은 자바 가상 머신이 설치된 곳이라면 어느 곳에서든지 바로 실행할 수 있다.

2. 겍체 지향 언어이면서 배우기 쉽고 간결한 문법을 가지고 있다.

3. 포인터(pointer)를 다룰 필요 없이 메모리 관리를 가상 머신이 자동으로 수행한다.

4. 네트워크, 분산 처리, 멀티 쓰레딩을 지원한다.

5. 최근에는 성능도 많이 개선되어 c/c++로 작성된 프로그램에 비해서도 그 실행 속도가 뒤지지 않는다.

 앞으로는 이러한 특징을 가지는 자바 언어의 기본적인 개발 방법에 대해서 알아보도록 하겠다.

 MATLAB은 수치해석(numerical analysis)을 수행하는 대표적인 프로그램이다. 원래 MATLAB은 Cleve Moler에 의해 처음에는 Fortran으로 작성되어 DOS상에서 구동 가능한 소규모 수치해석 프로그램으로 출발하였으나, 현재는 미국의 MathWorks사에 의해 java virtual machine 위에서 구동되는 (따라서 대부분의 OS를 지원한다.) 대규모 패키지 프로그램으로 발전하였다.

 MATLAB은 수치 해석에 특화된 언어 문법을 가지고 있으며 친숙한 수학적인 기호와 간단한 문법으로 복잡한 계산을 수행할 수 있다. 전형적인 이용 범위는 다음과 같다.

• 수학과 관련된 계산

• 알고리즘 개발

• 상황 모델링과 data분석

• 여러 가지 과학과 공학적인 그래픽적 표현

• GUI(Graphical User Interface)에 의한 에플리케이션 개발

 현재 MATLAB은 학계나 연구소등에서 광범위하게 사용되고 있으며 사실상 수치해석툴의 표준으로 자리잡고 있다. 이 프로그램은 범용으로 사용되는 프로그램언어인 C나 C++과는 달리 전문적으로 수치 계산을 하기 위한 프로그램이다.

 간단한 예로 행렬의 곱셈을 들어 보자. 두 개의 행렬을 곱셈하는 프로그램을 C언어로 작성하려고 한다면 2차원 배열을 두 개 잡아서 두 행렬을 각각 저장한 후 반복문 (for 나 while 같은 반복문 명령)을 중첩해서 사용해야 계산 결과를 얻어낼 수 있다. 계산결과를 화면에 출력하거나 파일로 저장하는 추가적인 루틴도 작성해야 한다.

하지만 MATLAB에서는 간단하게 한 줄의 명령으로 이를 수행할 수 있다.

또한 미분방정식의 해나 적분등도 쉽게 계산할 수 있으며 그 결과를 그래픽으로 보여주는 기능 또한 다양하다. 이러한 수학 계산들을 C 혹은 C++이나 다른 범용 프로그래밍 언어로 구현하려고 한다면 고려해야할 사항이 한두 가지가 아닐 것이다.

 이처럼 MATLAB은 강력한 수학적인 능력을 갖고 있고 다양한 분야에 특화된 여러 toolbox(일종의 라이브러리임)를 갖추고 있으며 simulink라는 비쥬얼 모의 실험 환경과 같은 특수한 툴들을 갖추고 있다. 이러한 장점들에 의해서 수치 해석 툴의 강자로 자리매김하고 있다.

 인텔의 갈릴레오 보드는 아두이노와 똑같은 개발환경을 이용할 수 있는 고성능의 임베디드 보드이다.

[그림 1] 갈릴레오 보드의 패키지

잠시 사용해 본 간단한 느낌은 일단 업로드 속도가 일반 아두이노보다 매우 빠르다는 것과 아두이노의 개발환경과 거의 동일하다는 것이다. 하지만 리눅스 OS 위에서 동작이 되기 때문에 실제 저수준의 성능이 매우 높다고 단정할 수는 없다.

[그림 2] 갈릴레오 보드와 아두이노 프로미니 보드의 TWI 통신 실험

위 사진은 아두니오 프로미니 (좌상단)과 갈릴레오 보드를 TWI로 연결하여 통신 실험을 하는 것이다. 매우 잘 동작한다.  약간의 구글링 결과 제조사 홈페이지에서 확인한 바에 의하면 I2C 통신의 경우 갈릴레오 보드는 마스터로만 사용할 수 있고 100kHz의 속도만을 지원한다. 또한 GPIO핀의 신호를 변화시키는데 2ms 가 소요되고 실제 오버헤드를 고려한다면 230 Hz 정도가 최대이다. 생각보다 성능이 높지는 않은 것 같다.

 이전 포스트에서 두에에서 했던 것과 똑같은 실험을 수행해 보았다. 즉 다음과 같은 코드를 실행시킨 다음 2번 핀의 주파수를 측정해 보는 것이다.

이 프로그램은 2번 핀을 단순히 on/off 시키는 것이다. 결과는 아래 그림과 같은데 좀 의외였다. [그림 ]에서 스코프의 세로줄 한 칸은 1ms 이다. 따라서 구형파의 한 주기가 약 8.5ms이고 이것을 주파수로 환산하면 약 118 Hz 라는 어이 없는 결과가 나온다. 400MHz 짜리 갈릴레오가 16MHz 짜리 우노 보다 하드웨어 제어 성능이 한참 아래라는 결론이다. 아무리 갈릴레오가 리눅스 위에서 돌아가고 물리적인 핀들이 내부적으로는 I2C로 제어된다고는 하지만 성능이 너무 낮은 것 아닌가 하는 생각이 든다.

[표 1] 성능 비교표

 물론 갈릴레오는 원보드 마이컴이라서 일반적인 아두이노와 종류와 그 타겟 분야가 다르기는 하다. 하지만 단순히 굉장히 빠른 아두이노라는 오해를 가지고 실제 프로젝트에 적용시키려면 충분한 검토가 이루어져야 할 것 같다.

Due보드의 PWM 개요

 아두이노 두에 (arduino due) 의 PWM 핀은 다음 그림의 핀맵에 나온 바와 같이 같이 D2부터 D13까지 12개를 사용할 수 있다. 따라서 우노보다 더 많은 핀을 PWM출력으로 사용할 수 있다.

[그림 1] 아두이노 두에의 핀맵

단순히 핀 수만 많은 것이 아니라 우노와 달리 최대 해상도를 12비트까지 지정해 줄 수 있다. 따라서 우노는 [0, 255]범위의 출력(8비트)을 사용했었는데 두에의 숫자 범위는  [0, 4095] 이다.

 PWM의 해상도를 조절하려면 다음과 같은 함수를 사용해야 한다.

입력인수는 몇 비트를 사용할 것인가를 지정해주면 되며 기본값은 8비트이다. 만약 12비트로 해상도를 높이고 싶다면 다음과 같이 하면 된다.

그런 다음 analogWrite()함수를 사용하면 된다. 예를 들어서

 만약 어떤 아날로그 센서의 입력이 [0, 1023] 범위의 값인데 이것을 [0. 4095]범위의 값으로 변환하고 싶다면 map()이라는 함수를 사용하면 된다.

이 함수는 sVal 값을 원래의 범위인 [sMin, sMax] 에서 변환하고자 하는 범위 [cMin, cMax]에 해당하는 값으로 바꾸는 함수이다. 만약 (0, 1023)범위의 센서값을 [0,4096]값으로 바꾸고 싶다면 다음과 같이 하면 된다.

이 함수들을 사용해서 PWM을 12비트 해상도로 변경하고 [0,1023]범위의 센서값을 PWM 으로 매핑하는 예는 다음과 같다.

여기서 sensorVal 변수에는 10비트 아날로그 센서값이 저장되었다고 가정한다.

PWM 주파수 변경

 아두이노 Due의 PWM 주파수는 1KHz 로 정해져 있다. 그런데 응용 분야에 따라서 이 주파수를 변경해 주어야 하는 경우가 있다. 하지만 아두이노에서 PWM의 주파수를 바꿔주는 공식 API 는 없어서 무척이나 불편하다. 그래도 AVR 계열의 아두이노에서는 이런 불편을 해소하기 위해서 사용자가 작성한 라이브러리 (PWM.h)라도 있는 것 같은데 Due의 경우에는 아직까지 그런 라이브러리는 없는 것 같다.

 구글링을 해본 결과 아주 방법이 없는 것은 아니었다. 일단 다음의 헤더 파일을 연다.(윈도의 경우)

Program Files > Arduino > hardware > arduino > sam > variants > arduino_due_x > variant.h

64비트 윈도라면 Program Files(x86) 폴더 밑을 뒤져야 한다. 이 파일을 열면 다음과 같이 정의된 부분이 나온다.

이 상수값들을 변경하면 PWM의 주파수나 기본 분해능을 설정할 수 있다고 한다. 예를 들어서 주파수를 10KHz로 변경하고 싶다면 PWM_FREQUENCY 를 10000 으로 바꾸면 된다.

[그림 3] dc모터 실험 (2V 이상 인가되어야 회전이 시작됨)

조그만 장난감 모터는 1KHz 주파수로도 충분하다. 필자가 가지고 있는 모터는 조금 용량이 큰데 (12V/12.9W) 이 정도만 되도 주파수를 조금 키워야 한다. 몇 번 실험해보니 12KHz 정도가 적당한 것 같다.

 이탈리아어로 due 는 두에 라고 읽고 '둘'이라는 뜻이다. 숫자 1, 2, 3 이 uno, due, tre ... 이다. 다른 것들은 모두 AVR계열의 프로세서를 사용해서 최대 클럭 속도(16MHz)나 배정도(double) 실수 사용에 제약이 있으나 이것은 ARM Cortex-M3 프로세서를 사용하여 훨씬 높은 성능을 가지고 있다.

[그림 1] 아두이노 Due 의 외형

일단 클럭주파수가 84MHz이고 내부적으로 3.3V를 사용 (보통 다른 아두이노 보드는 5V로 동작한다)하므로 라즈베리파이의 GPIO와 핀끼리 바로 연결할 수 있다는 장점도 있다. 또한 AVR 기반의 아두이노 보드와 달리 DAC도 내장하고 있으며 프로그램에서 64bit double형도 다룰 수 있다고 한다. 성능이 높은 만큼 가격은 다소 비싼 편이다. 동작 클럭이 84MHz이므로 단순히 비교하면 우노보드보다 5배 이상 성능이 높으며 디지털 핀수가 굉장히 많아졌고 PWM 개수도 우노보드보다 더 많으며 해상도도 12bit까지 지정할 수 있다. 그리고 모든 디지털핀에 인터럽트를 설정해 줄 수 있다는 것도 큰 장점이다. 우노의 경우 두 개의 외부 인터럽트만 사용할 수 있다.

 자세한 사양은 다음 표와 같다.

[표 1] 아두이노 Due 보드의 사양

 두에보드에는 USB연결단자가 두 개가 있는데 기본적으로 DC잭에 가까운 마이크로USB포트와 PC를 연결하면 전원이 공급되며 프로그램을 업로드할 수 있는 환경이 된다. 이 경우 별도로 DC잭으로 전원을 공급할 필요는 없으나 필요할 경우 7V~12V를 연결해야 한다.

[그림 2] 아두이노 Due의 프로그래밍 포트

 한 가지 주의할 점은 기존 아두이노보드들은 5V로 구동되는데 비해서 이것은 구동 전압이 3.3V라는 것이다. 입출력 핀에 5V신호를 인가하면 보드에 손상이 올 수도 있다고 하니 주의해야 한다.

 PC와 USB를 연결하고 스케치를 실행한 후 도구>보드>아두이노Due(Programming port)를 선택하고 도구>포트>COM? 에서 올바른 포트를 선택하면 일단 환경설정이 끝난 것이다. 예제의 Blink 를 열어서 업로드하면 보드상의 LED 가 깜빡이는 것을 볼 수 있다.

핀의 구조를 도시한 다이어그램은 다음과 같다.

[그림 3] 아두이노 Due의 핀맵

 한 가지 주의할 점은 클럭이 84MHz 이니까 16MHz 를 사용하는 우노보다 6배 이상 성능이 높을 것이라고 기대하면 안된다는 것이다. 성능 테스트를 위해서 간단한 프로그램으로 테스트를 해 보았다. 프로그램은 다음과 같이 2번 핀을 연속적으로 on/off 시키는 것이다. 그리고 이 핀의 주파수가 어떻게 나오는가를 스코프로 찍어보는 것이다.

2번 핀을 스코프로 찍어서 본 결과는 다음과 같다. 화질이 안 좋지만 세로 줄 한 칸이 1us이므로 구형파의 한 주기가 5us 이다. 따라서 주파수는 200kHz라는 것을 알 수 있다. 가로줄은 한 칸이 1V이므로 on 상태에서 3.3V 의 값을 갖는것을 알 수 있다.

[그림 4] 실험 결과

똑같은 프로그램을 아두이노 우노에 집어 넣고 실행 시킨 결과 구형파의 한 주기가 8us 가 나왔다. 주파수로 따지면 125kHz이다.

 이것만으로 단순하게 성능비교를 하기에는 부족하지만 두에가 우노보다 약 1.6배의 성능을 보여준다. 우노의 클럭주파수가 16MHz 이고 두에가 84MHz이다. 내부적인 연산 속도는 5배 이상(실수 연산의 경우에는 더 높은 성능을 기대할 수 있을 것이다.)의 성능을 가질 것으로 짐작할 수 있으나 디지털 핀과 같은 하드웨어를 제어하는 경우에는 우노에 비해서 5배 이상의 성능을 기대한다는 것이 무리라는 결론이 나온다.