아두이노의 시리얼 통신

사람도 다른 사람과 의사소통을 위해서 말을 주고받듯이 Arduino Uno도 주변 장치와 소통을 위해서 소위 통신이라는 것을 해야 합니다. Ardunio Uno 보드가 PC나 주변 장치와 유선 통신을 하기 위해서는 지원하는 시리얼 통신(serial communication) 방법이 있습니다. '시리얼'이란 직렬로 병렬 통신과 구분되는 용어로, 병렬(parallel) 통신은 과거 PC가 프린터와 통신하던 방법으로 다수의 선을 이용하여 통신하기에 단위 시간에 많은 데이터를 주고 받을 수 있는 장점이 있습니다.

그러나 병렬 통신은 도로의 폭에 비유할 수 있는 다수의 선을 이용하기에 장치와 거리가 먼 경우에 비용이 커지게 된다는 것입니다. 하지만 최소한의 선로로 빠르게 데이터의 송수신이 가능하다면 가성비는 커지기에 근래에 시리얼 통신 방법이 보다 다양하게 사용되고 있다는 것입니다. Arduino Uno 보드에서는 몇가지 시리얼 통신 방법을 지원하는데 우선 USART를 이용하는 방법입니다. 시리얼 통신은 크게 동기와 비동기 방식으로 구분됩니다.

동기 통신이란 데이터를 전송시 클럭(clock)을 함께 전송하여 받는 쪽에서 이 클럭을 기준으로 미리 정해진 통신 규격(protocol)에 따라 데이터를 취하는 방식입니다. 따라서 데이터의 양방향 통신을 위해서 송신과 수신에 각각 한가닥의 선을 할당하고 클럭을 위한 선을 고려하면 3가닥으로 직관적인 통신이 가능하다는 것입니다. 이를 USRT(Universal Synchronous Receiver and Transmitter)라 명명합니다.

뿐만 아니라 비동기 방식이 있는데 이는 클럭이 필요없이 오직 2가닥으로만 통신하는 방법으로 선로에 대한 비용을 더 감소시킬 수 있지만 하드웨어가 복잡해지는 단점이 있습니다. 그러나 동기식 처럼 수신 쪽에서 항상 대기할 필요 없이 다른 일을 하다가 데이터의 송수신이 가능하므로 MCU의 속도가 빠르게 개선되는 요즈음 필요한 방식이라는 것입니다. 이를 UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)라 부릅니다.

USART는 USRT와 UART 방식을 모두 지칭하는 것으로 Arduino Uno 보드는 동기식과 비동기식을 모두 지원합니다. 참고로 RS232, RS485는 시리얼 통신을 위한 전기적 혹은 하드웨어의 규격을 나타내는 말입니다. 이 보드에 사용하는 UART는 주로 Arduino IDE와 같은 PC와의 통신에 사용됩니다. 0번(Rx)과 1번(Tx) 핀을 사용하며 데이터는 MCU로부터 USB 통신을 담당하는 칩을 경우하여 USB 신호로 상호 변환된 후 PC와 송수신하게 됩니다. 또한 아두이노가 PC와의 통신을 수행하고 있다면 이 핀들을 다른 용도로 사용하면 안되며, 통신을 수행할 때에는 TX, RX라고 표시된 LED가 점멸함을 확인할 수 있습니다.

UART와 관련되 아두이노의 라이브러리는 Serial 클래스를 확인하시기 바랍니다. 다음은 UART의 예제입니다. PC에서 문자 하나를 받아서 그것이 '0'이면 LED를 끄고 '1'이면 LED를 켜는 프로그램으로, 아두이노는 데이터가 사용자로부터 들어올 때까지 대기 상태로 있다가 데이터가 입력되면 수행하게 됩니다.

#define LED 13

  void setup() {

 pinMode(LED, OUTPUT);

 Serial.begin(9600);

}

void loop() {

 if ( Serial.available() ) {

   char command = Serial.read();

   if (command == '0') {

     digitalWrite(LED, LOW);

     Serial.println("LED off.");

   }

   else if (command == '1') {

     digitalWrite(LED, HIGH);

     Serial.println("LED on.");

   }

     else {

     Serial.print("Wrong command :");

     Serial.println(command);

     }

  }

}

Serial.begin(long baud_rate) 함수는 UART 통신을 초기화 시키고, 통신 속도(baud rate)를 지정합니다.

Serial.available() 함수는 수신되어 내부 버퍼(64 byte)에 저장된 데이터의 개수를 반환합니다. 만일 버퍼가 비어있다면 0을 반환합니다.

Serial.read() 함수는 수신되어 내부 버퍼(64 byte)에 저장된 데이터 중 가장 첫 번째 데이터(ASCII코드)를 읽어서 반환합니다. 이 함수가 수행되면 내부 버퍼의 크기는 하나씩 줄어들며, 내부 버퍼가 비었다면 -1을 반환합니다.

Serial.print(val) 함수는 입력값을 ASCII값으로 변환하여 PC에 출력하며, 전송된 데이터의 바이트 수를 반환합니다. 비동기 통신 방식이므로 데이터가 전송되기 전에 반환하게 됩니다. 인수 val은 어떤 데이터 타입도 가능합니다.다. 예를 들면,

Serial.print(78) -> "78"

Serial.print(1.23456) -> "1.23456"

Serial.print('N') -> "N"

Serial.print("Hello world.") -> "Hello world."

두 번째 인수로 출력 형식을 지정할 수도 있습니다. 예를 들면,

Serial.print(78, BIN) gives "1001110"

Serial.print(78, OCT) gives "116"

Serial.print(78, DEC) gives "78"

Serial.print(78, HEX) gives "4E"

Serial.println(1.23456, 0) gives "1"

Serial.println(1.23456, 2) gives "1.23"

Serial.println(1.23456, 4) gives "1.2346"

Serial.println() 함수는 출력 문자열의 끝에 줄바꿈 기호 '\r\n' 가 자동으로 붙는다는 점 외에는 Serial.print()함수와 동일한 동작을 수행합니다.

이 예제에서 내부 버퍼란 전송된 데이터가 일시적으로 저장되는 내부 메모리를 말하며 데이터가 전송된 순서대로 저장됩니다. Arduino Uno의 내부 버퍼의 크기는 64 byte인데, 수신된 데이터를 사용하려면 내부 버퍼에서 이 데이터를 읽어내야 하는데 이때 사용되는 함수가 Serial.read() 함수입니다. 가장 먼저 전송된 데이터 하나를 읽어낸 후 그 데이터는 버퍼에서 삭제되며, 만약 버퍼가 비었다면 -1을 반환합니다. 따라서 버퍼에 읽어낼 데이터가 있는지 없는지를 먼저 검사하는 것이 일반적이고 이때 사용되는 함수가 Serial.available()입니다.