전기및디지털회로실험 실험 M1-2. I/O 기초와 시리얼 통신 예비보고서

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문서 내 토픽

• 1. 디지털 I/O

  디지털 신호는 High(1) 또는 Low(0)라는 두 가지 값으로 나뉜다. 또한 이 값은 입력 혹은 출력의 값으로 쓰인다. 아두이노의 디지털 입력과 출력은 센서, 엑츄에이터 및 기타 집적회로를 연결할 수 있게 해준다.

• 2. 아날로그 I/O

  아날로그 신호는 디지털 신호와 달리 어떤 값도 가질 수 있는 신호다. 아날로그 신호를 측정하기 위해 아두이노에 내장된 ADC(Analog Digital Converter)를 사용한다. ADC는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다.

• 3. 시리얼 통신

  시리얼 통신은 연속적으로 통신 채널이나 컴퓨터 버스를 거쳐 한 번에 하나의 비트 단위로 데이터를 전송하는 과정을 말한다. 아두이노 보드와 컴퓨터 사이에 통신할 때 쓰이는 것으로 디지털 핀 RX와 TX에서 USB를 통해 컴퓨터와 통신한다.

• 4. 플로팅 상태 방지

  마이크로컨트롤러의 입력 핀은 개방된 상태에서 읽지 말아야 한다. 개방된 핀에는 인접한 핀에 가해지는 입력이나 정전기 등 주변 환경의 영향으로 예측할 수 없는 값이 가해질 수 있다. 이처럼 개방된 데이터 핀은 플로팅 되어 있다고 이야기하며, 플로팅된 경우 버튼이 눌리지 않았을 때도 버튼이 눌린 것으로 잘못 인식할 수 있다. 플로팅 상태를 방지하기 위해서는 플업 또는 풀다운 저항을 사용하면 된다.

• 5. 디버깅

  소스 코드를 컴파일러를 통해 컴퓨터가 이해하는 기계어로 만드는 컴파일 과정에서 에러가 발생했을 때 이를 수정하는 것을 '디버깅'이라고 한다. 만일 제품을 구동하기 전 컴파일 과정에서 오류가 발견되었을 경우 반드시 이를 디버깅하는 과정이 필요한데, 프로그램의 양이 방대할 경우 검사해야 할 부분을 세부적으로 나눠 시스템의 모든 노이즈를 제거하여 특정 버그를 고립시키고 노출시켜 해결하거나, 각 프로그램을 모두 독립적으로 분리시켜서 테스트를 통해 디버깅을 해야 한다.

• 6. 시리얼 통신 오류 검출

  시리얼 통신은 1대 1 통신 방식으로 한번에 한 비트 씩만 데이터를 교환하기 때문에 실시간으로 오류를 검출하기 수월하다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 디지털 I/O

  디지털 I/O는 마이크로컨트롤러와 같은 디지털 시스템에서 매우 중요한 기능을 담당합니다. 디지털 입력을 통해 센서 데이터를 읽어들이고, 디지털 출력을 통해 액추에이터를 제어할 수 있습니다. 디지털 I/O는 논리 레벨 신호를 사용하므로 노이즈에 강하고 안정적이며, 빠른 응답 속도를 가지고 있습니다. 또한 프로그래밍을 통해 다양한 기능을 구현할 수 있어 매우 유용합니다. 하지만 아날로그 신호를 다루기 어려운 단점이 있어 아날로그 I/O와 함께 사용되는 경우가 많습니다.

• 2. 아날로그 I/O

  아날로그 I/O는 연속적인 전압 또는 전류 신호를 다루는 기능입니다. 아날로그 입력을 통해 온도, 압력, 조도 등 다양한 센서 데이터를 읽어들일 수 있으며, 아날로그 출력을 통해 모터, 조명 등의 아날로그 장치를 제어할 수 있습니다. 아날로그 신호는 디지털 신호에 비해 노이즈에 취약하지만, 연속적인 값을 다룰 수 있어 보다 정밀한 제어가 가능합니다. 따라서 아날로그 I/O는 정밀한 측정과 제어가 필요한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 디지털 I/O와 함께 사용되어 보다 다양한 기능을 구현할 수 있습니다.

• 3. 시리얼 통신

  시리얼 통신은 마이크로컨트롤러와 다른 장치 간의 데이터 전송을 위해 널리 사용되는 통신 방식입니다. 시리얼 통신은 단일 데이터 라인을 통해 순차적으로 데이터를 전송하므로 간단하고 저렴한 구현이 가능합니다. 또한 장거리 통신이 가능하고 노이즈에 강한 장점이 있습니다. 다양한 프로토콜(UART, SPI, I2C 등)이 존재하여 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 하지만 병렬 통신에 비해 전송 속도가 느리다는 단점이 있어, 고속 데이터 전송이 필요한 경우에는 다른 통신 방식을 고려해야 합니다. 전반적으로 시리얼 통신은 마이크로컨트롤러 기반 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다.

• 4. 플로팅 상태 방지

  플로팅 상태는 입력 핀이 연결되지 않은 상태에서 발생하는 불안정한 전압 레벨을 말합니다. 이 경우 입력 값이 불규칙하게 변동되어 시스템 오작동을 일으킬 수 있습니다. 플로팅 상태를 방지하기 위해서는 입력 핀에 적절한 풀업 또는 풀다운 저항을 연결하여 안정적인 전압 레벨을 유지해야 합니다. 또한 입력 핀의 임피던스가 높은 경우에는 버퍼 회로를 사용하여 플로팅 상태를 방지할 수 있습니다. 플로팅 상태 방지는 마이크로컨트롤러 설계 시 반드시 고려해야 할 사항으로, 안정적인 시스템 동작을 위해 매우 중요합니다.

• 5. 디버깅

  디버깅은 마이크로컨트롤러 기반 시스템에서 발생하는 오류를 찾아내고 해결하는 과정입니다. 디버깅은 시스템 개발 과정에서 매우 중요한 단계로, 다양한 도구와 기법을 활용하여 수행됩니다. 하드웨어 디버깅을 위해서는 오실로스코프, 논리 분석기 등의 계측 장비를 사용하며, 소프트웨어 디버깅을 위해서는 디버거 프로그램을 활용합니다. 또한 프린트 출력, 시리얼 모니터링 등의 기본적인 기법도 유용합니다. 디버깅 과정에서는 체계적인 접근 방식과 경험이 중요하며, 이를 통해 시스템의 오류를 효과적으로 찾아내고 해결할 수 있습니다. 디버깅 능력은 마이크로컨트롤러 기반 시스템 개발에 필수적인 기술입니다.

• 6. 시리얼 통신 오류 검출

  시리얼 통신에서 오류 검출은 안정적인 데이터 전송을 위해 매우 중요합니다. 시리얼 통신은 단일 데이터 라인을 사용하므로 노이즈, 전송 속도 불일치, 데이터 손실 등의 오류가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 다양한 오류 검출 기법이 사용됩니다. 대표적인 방법으로는 패리티 비트, 체크섬, CRC 등이 있습니다. 이를 통해 수신 측에서 오류를 감지하고 재전송을 요청할 수 있습니다. 또한 흐름 제어 기법을 사용하여 데이터 전송 속도를 조절함으로써 오류를 방지할 수 있습니다. 시리얼 통신 오류 검출 기법은 안정적인 데이터 전송을 위해 필수적이며, 마이크로컨트롤러 기반 시스템 설계 시 반드시 고려해야 할 사항입니다.