Drone's DIYer

디스커버리 vs. 누클레오 보드

STM32F103과 같이 인기있는 MCU 문제 중의 하나는 현존해는 매우 다양한 보드가 있다는 것입니다. 어떤 것을 선택할지, 어떤 것을 고르는 것이 올바른지 선택이 쉽지 않다는 것입니다.

Discovery

다년간 STM은 자사의 여러 MCU와 함게 매우 저렴한 개발보드 시리즈를 제공하였습니다. 가장 저렴한 것은 아마도 가장 오래된 'F05'일 것입니다:

32F411EDISCOVERY

이들 보드의 장점은 USB 인터페이스와 함께 두번째 MCU가 장착(위 그림에서 맨 상단에 위치한 MCU)되어 있다는 것이고 이는 JTAG 프로그래머로써 동작한다는 것입니다. 이들 "ST-Link" 인터페이스는 STM 자사의 원도우 툴에서 사용될 수 있으며 또한 문의할 수 있는 GitHub의 texane/stlink repository이 존재한다는 것입니다.

각 ST-Link는 업로더, 씨리얼 브릿지 그리고 하드웨어 디버거, 이들 "DISCO" 그리고 "DISCOVERY" 보드를 셋업하는 방법이 될 수 있습니다. 게다가 이 ST-Link는 다른 MCU에도 사용할 수 있습니다. 일단 PCB에 연결되고 나면 디버깅이 가능하다는 것입니다.

STM에서 생산된 각 칩 패밀리에 대한 보드들이 존재합니다. 즉, L0's, F3's, F7's, 등등.

라이센스는 이들 보드를 상업적인 제품이나 이를 다시 파는 행위가 금지합니다. 하지만 개인적 취미로의 사용에 대해서는 상관이 없다는 것입니다.

Nucleo

디스커버리 보드 후에 다음 세대로서 STM은 일부의 매우 훌륭한 다음 특성을 갖춘 "Nucleo" 보드의 범주를 출시하였습니다:

• 여전히 온보드 ST-Link가 장착되었지만 새로운 (호환되는) "V2.1"타입입니다.

• 펌웨어는 또한 USB 스틱으로서 연결된 장치쪽으로 당겨 업로드 시킬 수 있습니다.

• 모든 Nucleo 보드는 같은 모양, layout 그리고 dimensions을 갖습니다.

• 모든 보드는 Arduino 쉴드 호환 헤더를 포함합니다.

• 모든 신호은 모든 보드상에 같은 장소에 위치한 핀에서 가능합니다.

• 많은 납땜을 위한 점퍼가 핀 특성을 조정하기 위해서 존재합니다(일부는 단선, 일부는 단락).

디스커버리 보드의 일부에서와 같이 여기에도 약간 불편함이 있습니다:

• 모든 보드들은 크리스탈(crystal)을 실장하지 않습니다, 따라서 내부 8MHz RC 까지 동작시킬 수 있습니다.

• 그러나 적어도 64MHz까지 끌어올리기 위해서 PLL을 사용할 수 있습니다. 그리고 크리스탈은 추가할 수 있습니다.

Nucleo 보드의 가장 인상깊은 low-level 특성은 MCU에 대해서 같은 LQFP-64 패키지를 사용한다는 것입니다 그리고 그러므로 하드웨어 칩 레벨에서 조차 이들 변화의 일부는 거의 100% 호환된다는 것입니다:

NUCLEO-F401RE

이들 Nucleo 보드는 디스커버리 보드처럼 STM에서 동일한 주의사항을 갖습니다.

하나의 훌륭한 특성은 거기에는 매우 다양한 MCU가 존재하고 모두 동일하게 동작하며 같은 물리적 layout을 갖고 그들 모두 Arduino 쉴드를 지원한다는 것입니다. 이것은 F103RB와 같은 하나의 Nucleo 보드와 함께 시작할 수 있다는 것을 의미합니다. 그리고 만약 가능하지 않거나 충분히 빠르지 않거나 혹은 올바른 특성을 갖지 않는다면 사용자는 쉽게 다른 모델로 교체할 수 있다는 것입니다.

국내에서 RC 무선조종기에 사용하던 주파수는 1980년대에 27MHz 주파수 대역이었는데 저주파이기 때문에 도달거리가 길고 장애물에 영향이 적었지만, AM(Amplitude Modulation) 통신 방식으로 해상도(Resolution)가 좋지 않았습니다. 1990년대에 FM(Frequency Modulation) 방식으로 40MHz 주파수가 사용되었으며 FM 방식이기 때문에 노이즈에 강해 개선된 해상도를 얻게 되었으며 통상 도달거리는 1.6km~2km 정도로, 이후에는 40MHz 대역이 포화상태로 FM 72MHz 방식이 출현하게 되었습니다.

한편, 사용할 수 있는 대역이 40MHz 대역에서 15개, 72MHz 대역에서 19개로, 총 34개로 제한되는데, 이는 같은 장소에서 동시에 34명 이상은 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 만일 사용자 간에 주파수가 겹치면 둘 다 조종이 안되거나 혹은 더 출력이 우수한 조종기를 사용하는 사람만 살아남는 노콘(No control) 현상을 초래한다는 것입니다. 그리고 FM 통신 방식 자체가 이후에 디지털 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 포함하여 주변으로부터 간섭에 강하지만 동시 사용자가 제한되는 등 여전히 한계가 있다는 것입니다.

따라서 이를 근본적으로 개선하기 위해서 2008년부터 세계 각국의 RC 회사들이 새로운 방식을 개발하기 시작하였고, 2009년부터 본격적으로 '2.4GHz 초고주파 채널 방식'이 사용되기 시작하였습니다. 외관상으로는 송수신기의 안테나 길이가 매우 짧아졌다는 것입니다. 왜냐하면 안테나는 사용 주파수의 반파장의 길이를 사용해야 하기 때문이며 이로 인해 당연히 조종기의 안테나 길이는 10cm 이하가 되어 사용이 편리해졌다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 차이는 기존의 송수신기에 탑재된 크리스탈(Crystal)의 고유 주파수로 사용자를 구별했던 것과는 달리, 2.4GHz 방식은 주파수가 지정되어 있지 않았다는 것입니다. 즉 후술하겠지만 주파수가 고정되지 않고 변화하는 '채널 방식'으로, 처음 조종기의 전원을 켜면 수천개의 채널 중 비어있는 채널을 자동으로 검색하여 고정하고 이 채널로 수신기도 고정하게 되어, 향후 이 수신기는 채널을 변경하기 전까지 이 채널로만 작동하게 된다는 것입니다.

주변에서 다른 2.4GHz 조종기를 사용한다면, 자신의 조종기 전원을 켜는 순간, 비어있는 채널을 자동으로 찾아가기 때문에 절대 채널이 중복되지 않는다는 것입니다. 또한 사용 중 다른 원인으로 인해 채널에 간섭 현상이 일어날 경우, 재빨리 자동으로 사용자도 모르게 다른 채널로 변경된다는 것입니다. 그러므로 2.4GHz의 채널 방식은 아무리 많은 사람이 동시에 비행을 하더라도 절대 주파수가 겹치지 않는다는 장점이 있다는 것입니다.

근래에 2.4GHz의 ISM 주파수 대역은 Wi-Fi(Wireless LAN), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 주파수 대역과 겹치므로, 요즈음 사람이 많이 모이는 공원 등의 지역에서는 드론의 비행에 여전히 각별한 주의가 요구된다는 것입니다. 게다가 드론의 통신 방식은 상공에서 항공 사진이나 영상 데이터를 텔레메트리(telemtry)를 통해서 지상에서 받고자 하는 사용자의 수요 때문에 변화가 일어나는 실정입니다.

무선 조종기에서 비행 명령을 드론으로 전달하는 것을 '상향링크'라 부르고, 반대로 드론에서 비행정보나 항공 사진이나 영상 등의 정보를 지상으로 전달하는 것을 '하향링크'라 부르는데, 정보량이 많아지다 보니 최근의 드론들은 5.8GHz 주파수 대역을 상향링크를 사용하고 비디오 전송 등은 2.4GHz 주파수 대역의 하향링크를 사용하게 된다는 것입니다.

2.4GHz ISM 주파수 대역은 주파수 관리법에 의하여 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum) 방식을 사용해야 합니다(5.8GHz는 스프레드 스팩트럼 방식이 법으로 요구되지 않음). 스프레드 스펙트럼은 주파수 도메인에서 넓게 퍼진 형태로 피크치가 확연히 드러나는 기존의 주파수 방식에 비해서 EMI 현상(혹은 간섭 현상)이 적고 보안에 우수하다는 장점이 있습니다. 스프레드 스펙트럼 방식은 직접신호를 이용하거나(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS) 주파수 호핑을 이용해(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 신호의 주파수 대역을 확장시켜 송신하는 방법인데, 송신신호 출력을 약하게 할 수 있어서 특히 다른 통신기기들로의 신호 간섭을 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

위와 같은 스프레드 스펙트럼 방식은 서로 혼용할 수도 있으며 제조사에 따라 Spectrum의 DSM(Digital Spectrum Modulation), Futaba의 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology), Hitec의 AFHSS(Adaptive Frequency Hoping Spread Spectrum) 등 다양하며, 특히 AFHSS는 세계 최초로 양방향 수신이 가능하여 비행기의 정보를 조종기로 받아오기도 한다고 알려집니다.