Drone's DIYer

인터럽트(interrupt)란 지정된 핀의 신호가 원하는 조건과 일치하면 미리 등록한 인터럽트 callback 함수(ISR; Interrupt Service Routines)를 자동으로 호출해주는 기능입니다. 이 ISR 함수는 사용자가 만든 함수이며, 이때 실행 중이던 loop() 함수 내부의 루틴은 인터럽트 callback 함수가 끝날 때까지 멈추게 됩니다.

즉, 특정 핀의 입력 상태가 바뀔 때 Arduino는 이를 자동으로 감지해서 모든 동작을 잠시 멈춘 다음, ISR(Interrupt Service Routines) 이라 불리는 미리 지정된 함수를 실행하고, 다시 원래 작업으로 복귀한다는 것입니다. 이를 '하드웨어 인터럽트'라 부릅니다. 이 외에도 비슷한 타이머(timer) 인터럽트가 있는데 이는 사용법이 전혀 다르므로 이 글에서 다루진 않습니다.

♧ 타이머 인터럽트 - AVR 칩을 비롯한 임베디드 시스템에서는 시간을 재기 위해서 타이머(Timer)/카운터(Counter)를 내장합니다. 만일 타이머/카운터가 없다면, 소프트웨어적으로 시간지연 함수를 사용해야 함으로써 MCU는 동작을 멈추게 되고, 이로 인해 MCU의 효율을 떨어뜨리게 된다는 것입니다.

뿐만 아니라 이와 같은 내장 타이머/카운터는 정확한 시간을 잴 수 있으며, MCU가 다른 작업과 병행할 수 있고, 미리 설정한 조건에서 타이머 인터럽트도 발생하게 할 수 있다는 것입니다. 이러한 각각 인터럽트들은 동시에 발생할 수도 있으므로 우선 순위를 갖습니다.

Arduino의 인터럽트 핀

Arduino Uno 기준으로 2개의 인터럽트 핀이 할당되어 있습니다. 즉, Number 0 (D2), Number 1 (D3). 몇개의 보드별 지원되는 인터럽트 핀은 다음과 같습니다. 인터럽트 callback(ISR)을 등록할 때 유의할 점은 핀 번호가 아니라 반드시 인터럽트 넘버를 사용한다는 것입니다. 예를 들어, 다음 표에서 Leonardo 보드는 Uno 보다 많은 5개의 인터럽트 핀을 제공합니다. 그리고 다섯번째 인터럽트 핀(int4)은 Number 7이라는 것입니다. 참고로 Arduino Due 보드는 모든 핀에 인터럽트가 지원됩니다.

인터럽트 callback 함수(ISR)는 입력 인자가 없고 반환값이 없습니다. 즉 파라미터를 전달하거나 리턴할 수가 없다는 것입니다. 게다가 ISR 함수 내에서는 delay() 함수를 사용할 수 없습니다. 또한 milli second의 시각을 가져오는 함수인 millis()를 사용하더라도 값이 증가하지는 않습니다. delayMicroseconds()의 경우에는 인터럽트에 독립적이므로 정상 동작합니다.

뿐만 아니라 ISR 함수 내에서는 Serial data를 읽을 경우 값이 소실되며, 이전 글에서 언급했던 것처럼 ISR 함수 내에서 업데이트 되는 전역 변수는 volatile로 반드시 선언되어야 합니다. ISR 함수를 만드는 요령은 최대한 짧고 빠르게 수행되도록 간결하게 작성해야 합니다. 왜냐면 이 코드가 길어지는 만큼 CPU는 멈추어 메인 작업을 수행하지 않아 효율적이지 않다는 것입니다.

또한 여러 개의 ISR 함수가 등록되어 있더라도 동시에 수행되지는 않습니다. 블루투스 모듈과의 통신을 위해 주로 사용되는 Software Serial 라이브러리의 경우, 내부적으로 인터럽트를 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 Uno 보드의 경우 D2, D3 에 연결해야만 정상 동작 가능합니다. 따라서 이를 회피하기 위해서 D0, D1 핀에 연결해서 Hardware Serial로 동작시킬 수 있습니다.

시중에서 쉽게 구할 수 있는 저가형 초음파 센서 모듈(HC-SR04)는 그림과 같이 4핀 인터페이스를 갖습는다. VCC/GND는 5V 전원핀이고 Trig는 초음파를 발생시키는 펄스 신호를 내보내는 핀이며, Echo 핀은 반사파가 감지되었음을 알려주는 신호선으로 측정된 거리에 해당하는 High level 펄스를 출력합니다. 그러므로 이 모듈을 사용하기 위해서는 Arduino Uno의 2개의 디지털 핀이 필요하게 됩니다.

HC-SR04, 초음파 센서는 정밀도가 3mm정도로 2~400cm 까지의 거리를 초음파를 이용하여 측정할 수 있으며, 이 모듈에는 초음파 송수신, 제어회로가 모두 내장되어 있어서 마이크로컨트롤러를 이용하면 비교적 손쉽게 응용이 가능하다는 것입니다. 기본원리는 다음과 같습니다. 우선 Uno 보드로 모듈의 Trig 핀으로 약 10us 정도의 High level 펄스를 보냅니다.

그러면 모듈의 내부에서는 40KHz의 초음파를 정면으로 발사하고 나서 장애물에 반사되어 오는 초음파를 감지합니다.

신호가 반사되어 되돌아오면 모듈에서 Echo 핀을 통해 마이크로컨트롤러의 IO로 측정거리만큼의 High level 펄스 신호를 보내줍니다.

마이크로컨트롤러에서는 모듈에서 받은 High 펄스의 시간(High 펄스 폭)을 계산해서 다음 식에 의해 거리로 환산합니다. 여기서 초음파는 장애물은 만나기 전과 만난 후 반사되어 되돌아가기 때문에 왕복으로 2로 나누어야 합니다. 이와 같은 일련의 과정을 계속 반복하여 거리 측정값을 업데이트 할 수 있습니다.

측정거리 = (High level 펄스 시간 x 음속(340m/s)) / 2

위 초음파 센서 모듈을 이용하기 위해서는 쉬운 방법으로 아두이노의 NewPing 라이브러리가 필요한데, 압축된 zip 파일을 다운로드 받은 후에 다음과 같이 Arduino IDE에서 등록할 수 있습니다.

스케치 > Include Library > Add .ZIP Library

설치하였다면 다음과 같이 메뉴에 항목이 새로 만들어진다. 이것을 선택하면 스케치 파일에 #include “NewPing.h” 행이 추가되어 라이브러리 함수를 사용할 수 있게 됩니다.

다음은 NewPing 라이브러리를 이용한 거리 측정 예제입니다. 여기 Trig는 2번 핀에 Echo는 3번 핀에 연결되었다고 가정합니다.

#include <NewPing.h>

#define TRIGGER_PIN 2

#define ECHO_PIN 3

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

void setup() {

  Serial.begin(9600);

}

void loop() {

  float fDist = (float)sonar.ping()/US_ROUNDTRIP_CM;  // 반사파가 감지될 때 까지의 시간을 us 단위의 정수로 반환

                                                               // US_ROUNDTRIP_CM는 us를 cm단위로 바꾸어주는 상수

  Serial.print("Ping: ");

  Serial.print(fDist);

  Serial.println(" cm");

  Serial.println();

  delay(300);

}

NewPing sonar(trigger_pin, echo_pin [, max_cm_distance])는 해당되는 핀 번호 두 개와 최대 측정 거리(디폴트값 500 cm)를 주게 되어 있으며 최대 측정 거리는 생략할 수도 있습니다. 이 라이브러리는 다양한 함수를 제공하고 있으며 여기서 사용할 함수는 sonar.ping()으로, 이 함수는 초음파가 발사되고 그 반사파가 감지될 때까지 걸린 시간을 microsecond 단위의 정수로 반환합니다. 따라서 이 값을 라이브러리에 이미 정의된 상수 US_ROUNDTRIP_CM으로 나누면 장애물까지의 거리를 cm단위로 얻을 수 있습니다. 만일 감지 가능 거리 내에 장애물 없다면 0을 반환합니다.

위에서 fDist 변수값을 구하는데 sonar.ping() 함수의 반환값을 정확한 값을 계산하기 위해서 float로 변환(forcing)하였습니다. 결국 NewPing sonar() 함수는 지정된 Trig 핀에 초음파 센서를 구동하기 위한 10us 펄스를 내보내고, 지정된 Echo 핀에서는 측정 거리에 비례하는 HIGH 펄스 신호의 폭을 계산하는 루틴이 포함되어 있습니다.

다음은 NewPing 라이브러리를 사용하지 않고 거리를 측정하는 예제입니다.

#define TRIGGER_PIN 2

#define ECHO_PIN 3

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  pinMode(TRIGGER_PIN, OUPUT); // 핀 모드를 출력으로 설정합니다.

  pinMode(ECHO_PIN, INPUT); // 핀 모드를 입력으로 설정합니다.

}

void loop() {

  float fDist;

  digitalWrite(TRIGGER_PIN,HIGH); 

  delayMicroseconds(10); // 10us 지연

  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW); // 10us의 트리거 신호를 만들어 보냅니다.

  fDist = (float)pulseIn(ECHO_PIN, HIGH)/US_ROUNDTRIP_CM;

  Serial.print("Ping: ");

  Serial.print(fDist);

  Serial.print(" cm");

  Serial.println();

  delay(300); // 0.3s 대기 후 다시 측정합니다.

}

위 예제에서 사용된 pulseIn(pin, value, timeout)는 지정된 핀에 value는 'LOW' 혹은 'HIGH' 값으로, 'LOW'이면 low 펄스 구간의 폭을 'HIGH' 이면 high 펄스 구간의 폭을 측정하여 microsecond 단위로 반환합니다. 이 반화값의 자료형은 unsigned long 형으로 계산의 정확도를 위해서 float 형으로 변환(forcing)하였습니다. 세 번째 인수 timeout은 시간 제한으로 생략할 수 있으며 이 함수는 10us에서 3분까지 측정할 수 있습니다. 이러한 거리 측정은 0.3초 간격으로 반복됩니다.

Arduino Uno 보드의 디지털 핀은 '1'과 '0'의 진리값만을 출력할 수 있습니다. Uno 보드의 전원 전압이 5V이라면 'HIGH' 값으로 5V 그리고 'LOW' 값으로 0V를 출력한다는 것입니다. 그렇다면 아날로그 물리량은 나타낼 수가 없는 것일까요? 디지털 값을 아날로그 물리량으로 나타낼 수 있는 것이 있는데, 이를 DAC(Digital to Analog Converter)라 부릅니다. 하지만 Uno 보드의 메인칩인 ATmega328은 이 DAC를 탑재하지 않습니다(정교한 아날로그 물리량의 표현이 요구된다면 외장 DAC를 사용할 수 있습니다).

그렇다면 외부에서 DAC를 사용해야 하지만 정밀한 아날로그 물리량을 요구하지 않는 경우에, Uno 보드의 PWM 기능을 이용하여 아날로그 물리량을 표현할 수 있다는 것입니다. PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)이란 5V와 0V를 교대로 이루어진 구형파(펄스) 신호를 출력하고 5V인 구간의 폭을 구형파 주기 내에서 변화시킴으로서 외부에서는 마치 0~5V까지 변하는 것처럼 보이게 한다는 것입이다.

위 그림에서 모든 구형파의 주기(T)는 동일하지만 출력이 HIGH인 구간인 구형파의 폭(width)이 점점 증가합니다. 만일 외부에서 디지털 출력 핀을 바라다 볼 때, 구형파의 주기(T)가 충분히 작거나 혹은 주파수(f=1/T)가 충분히 높다면, 구형파의 HIGH인 구간의 폭을 증가시킴에 따라 출력 전압도 증가하는 것처럼 보일 것입니다. 

즉, 이 구형파의 주파수를 높게 하면 상대적으로 반응 속도가 느린 모터 등과 같은 기계 장치는 이것을 아날로그 전압으로 착각하게 된다는 것입니다. 이 주파수는 Uno인 경우 490Hz 혹은 980Hz이며, HIGH인 구간 대비 LOW인 구간의 비율을 듀티비(Duty)라 부릅니다. Arduino의 모든 핀이 PWM 출력을 낼 수 있는 것은 아닙니다. Uno 보드의 경우 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀이 PWM 출력을 낼 수 있으며 보드상에 '~'로 표시됩니다. 이와 같은 디지털 핀의 펄스 폭 변조는 굳이 메인칩이 PWM 기능을 제공하지 않더라도 펌웨어 상에서 구현할 수 있습니다. 그러나 인터럽트나 CPU 타임을 일정부분 할애하기 때문에 코딩이 복잡해지고 효율성이 떨어지게 됩니다.

Uno 보드의 PWM의 동작 주파수는 다음과 같습니다. 

• 3, 9, 10, 11번 핀 - 490Hz

• 5, 6번 핀 – 980Hz

Uno 보드의 PWM 기능을 사용하기 위해서는 analogWrite() 함수를 이용하는데, 첫 번째 인수는 아날로그 핀의 번호(3, 5, 6, 9, 10, 11 중 하나)이며 두번째 인수는 0~255 사이의 정수로써 256 레벨의 듀티비를 의미합니다.

Arduino Uno 보드의 A0~A5까지 6개의 핀을 이용하여 아날로그 입력을 받을 수 있습니다. 디지털 핀은 '0'과 '1'의 논리적 값만을 받을 수 있는 것과는 달리, 아날로그 입력은 전압을 그대로 읽고 이를 1024개의 레벨로 구분하고 0~1023 중의 정수값으로 읽어들인다는 것입니다.

이것이 가능한 이유는 ATmega328 칩 내부에는 10bit A/D 컨버터(analog-to-digital converter, ADC)를 내장하고 있기 때문이며, 2^10=1024개의 레벨로 구분할 수 있다는 것은 이 컨버터의 분해능(resolution)이 전원전압 5V를 기준으로 0.0049V(4.9mV = 5V/1024)라는 말이며, 아날로그 전압을 읽어들이는 명령은 analogRead() 함수입니다.

ananlogRead(pin)

인수로는 아날로그 입력 핀의 번호를 지정하고 반환값은 int 형으로 0~1023 값 중의 하나가 됩니다. 이때 입력 핀은 0~5 혹은 A0~A5, 14~19로 지정할 수 있으며, 여기서 핀 번호 0과 A0, 14는 같은 핀을 의미합니다. A/D 변환 시간은 100us인데, 이는 사실 느린 편으로 간단한 비교만을 원할 때는 칩 내부에 포함된 빠른 비교기(comparator)를 대신 사용하게 됩니다. 아날로그 핀은 디지털 핀과 달리 기본적으로 입력으로 설정되어 있으므로 별도로 입력을 설정하는 과정이 필요 없습니다.

아날로그 핀에 연결된 A/D Converter(혹은 ADC)의 기준 전압을 바꿀 수 있는데, 이때 analogReference() 함수를 사용합니다.

ananlogReference(type)

A/D Converter의 기준 전압은 아날로그 입력값이 1023으로 읽히는 최대 전압 값을 의미합니다. 위 함수로 지정하지 않으면 디폴트(DEFAULT)로 Arduino의 동작 전압이며, 외부 전압(EXTERNAL)을 사용할 경우에는 아날로그 핀의 전압을 읽기 전에 반드시 미리 설정해야 합니다. 내부 전압(INTERNAL) 1.1V를 사용할 경우에 가장 안정된 기준전압을 제공함을 기억해야 합니다.

DEFAULT : Arduino의 동작 전압(Uno는 5V 이고 보드에 따라서 3.3V일 수도 있습니다.)

INTERNAL : 내장 전압 (Uno는 1.1V)

EXTERNAL : AREF핀에 인가된 전압 (0~ 5V 사이어야 함니다)

INTERNAL로 설정되어 기준 전압이 1.1V이면 디폴트보다 더 높은 분해능(0.0011V)을 얻을 수 있습니다. 만일 3.3V를 기준 전압으로 사용하고 싶다면 Arduino Uno 보드상의 3.3V핀과 AREF 핀을 연결 후 EXTERNAL 옵션을 설정하면 됩니다. 이 경우에 분해능은 0.0032V로 분해능이 개선될 수 있습니다. 보드의 3.3V 핀은 7~12V의 외부 전원을 연결한 경우 뿐만 아니라 USB만 연결한 경우에도 레귤레이터(regulator)를 사용하여 정확히 3.3V 전압을 출력합니다. 만일 Uno 보드의 동작 전압인 5V보다 높은 전압을 읽을 경우에는 외부에서 [정밀] 저항으로 voltage divider를 결선해야 합니다.

AVR 칩을 사용하는 Arduino Uno 보드 혹은 다른 임베디드(Embedded) 시스템에서 전역 변수(globlal variable)는 주메모리인 SRAM에 저장되고, 지역 변수(local variable)는 레지스터(register) 영역에 저장됩니다. 그러나 인터럽트 서비스 루틴(ISR)에서의 지역 변수는 SRAM의 Stack 영역에 저장되므로 빠른 인터럽트 처리를 위해서 루틴 내에 잦은 지역 변수의 사용은 바람직하지 않다는 것입니다.

사용자의 코드를 컴파일러(Compiler)는 나름데로 최적화시키는데, 예를 들어 사용자가 전역 변수 지정을 하였지만 그 값이 시종일관 변하지 않는 변수는 컴파일러가 임의로 상수처럼 여겨 레지스터 영역에 저장하게 한다는 것입니다. 물론 한정된 레지스터 영역의 리소스를 낭비하는 것 아니냐고 생각할 수 있지만, 컴파일러 입장에서는 빠른 실행 속도를 위해서 SRAM 보다는 레지스터 영역에 저장한다는 것입니다.

그러나 임베디드 시스템의 경우에 인터럽트 서비스 루틴에서 전역 변수의 갱신이 있었다 하더라도, 컴파일러는 실제 런타임 시 처럼 외부에서 인터럽트가 걸리는 상황이 아니므로 그 값은 변하지 않는다고 생각하여 결국 레지스터에 저장하고 주메모리 상에 변경된 값의 반영이 없다는 것입니다.

이런 상황을 위해서 지시자(directive)인 'volatile'의 선언은 변수형 앞에 두어 컴파일러가 임의로 판단하여 그 변수를 레지스터에 할당하지 못하도록 한다는 것입니다. 즉, 어떤 변수를 volatile로 지정하면 그 변수는 레지스터의 임시 저장소가 아니라 SRAM에서 직접 읽어오도록 컴파일한다는 것입니다.

결론적으로 Arduino 코딩의 경우 보통은 volatile로 정의할 필요는 없으나 인터럽트 서비스 루틴 내부에서 그 값이 변경되는 변수는 반드시 volatile로 선언해야 실시간으로 변경되는 데이터 값을 ISR 루틴 외부에서 읽어올 수 있게 된다는 것입니다.

int pin = 13;

volatile int state = LOW;

void setup()

{

  pinMode(pin, OUTPUT);

  attachInterrupt(0, blink, CHANGE);

}

void loop()

{

  digitalWrite(pin, state);

}

void blink()

{

  state = !state;

}

위의 예제에서 blink() 함수는 인터럽트 서비스 루틴으로 0번 인터럽트 핀의 상태가 변할 때마다 13번에 연결된 LED를 교대로 점멸하게 됩니다. 만일 state 변수에 volatile 선언이 없었다면, 비록 blink() 함수 내에 state 값이 변하더라도 이 함수를 벗어나서는 state 값이 갱신되지 않기 때문에 0번 인터럽트의 상태 변화에 LED의 토글(toggle) 현상이 보이지 않는다는 것입니다.

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.

프로그램은 사용자가 편의를 위해서 코딩합니다. 즉 무엇인가 자동으로 일괄처리를 하기 위함인데 이는 마이크로 프로세서에서도 마찬가지 입니다. 하지만 프로그램 혹은 알고리즘(algorithm)은 일방적이기 보다는 주로 사용자와 대화형이고 키보드 뿐만 아니라 다양한 입출력 장치들과 각종 센서들에서 입력되는 정보로 프로그램과 대화하게 됩니다.

프로그램이 진행 중, 사용자에게 요구 사항이 있으면 팝업 창을 띄우고 묻기 위해 대기할 수 있지만, 사용자나 센서가 문득 프로그램에 어떤 입력을 주고 싶은 경우도 있습니다. 이를 '끼어든다'고 하여 인터럽트(interrupt)라 부르고 프로그램은 하던 작업을 멈추고 가급적 빨리 이를 처리하고 원래 수행하던 작업으로 되돌아가야 합니다. 이처럼 즉시 처리해야 하는 특수한 이벤트인 인터럽트가 발생하면, 프로세서는 그 이벤트를 처리할 작업들이 수록된 함수를 호출하는데, 이 함수를 인터럽트 서비스 루틴(ISR; interrupt service routine)이라고 합니다.

예를 들어, 키보드에 특정 키가 눌러저 있는지 이벤트를 감지하려면 모든 프로그램은 아두이노의 loop() 함수 같이 반복 수행되는 루프 내에서 항상 이 키의 상태를 검사해야 합니다. 이를 '소프트웨어 인터럽트' 혹은 '폴링(polling) 방식'이라고 하고 마이크로 프로세서의 경우에는 보다 정확하고 신속한 '하드웨어 인터럽트(인터럽트 방식)'도 제공하는데, 이를 이용하면 소프트웨어적으로 이 버튼의 상태를 항상 검사할 필요가 없다는 것입니다. 때문에 프로그램은 불필요한 부분에 시간을 낭비할 필요가 없게 됩니다. 그러므로 폴링 방식은 단일 이벤트 처리에 적합하고 인터럽트 방식은 다중 이벤트 처리에 효율적입니다. 

즉, MCU는 다른 작업을 하고 있다가 '키가 눌려지면' 그 즉시 하드웨어 인터럽트를 발생하여 하던 일을 멈추고 이를 처리할 ISR 함수를 호출하고, ISR이 끝나면 하던 일로 되돌아가게 됩니다. Arduino Uno 보드의 경우 인터럽트를 처리할 수 있는 핀은 2번과 3번 핀으로 이는 MCU에서 지원하기 때문이며 각각 INT0, INT1이라고 부릅니다.

ISR을 사용하기 위해서는 attachInterrup()라는 함수로 미리 알려야 합니다.

attachInterrupt( pin, ISR, mode)

pin : 첫 번째 인자로 인터럽트로 사용할 핀을 지정합니다. INT0의 경우 '0', INT1의 경우 '1'이 됩니다.

ISR : 두 번째 인자로 인터럽트가 걸렸을 때 호출할 함수의 이름으로 사용자가 만든 함수 이름입니다.

mode : 세 번째 인자로 RISING, FALLING, CHANGE, LOW 중 하나가 됩니다.

'RISING'이란 인터럽트 핀에 신호가 '0'에서 '1'로 변하는 순간이며 'FALLING'은 그 반대입니다. 'CHANGE'는 RISING과 FALLING 모두를 의미하며 'LOW'는 logical '0'값일 때를 의미합니다. ISR 함수는 입력 인수를 받을 수 없고 반환값도 void형이어야 하며, attatchInterrupt() 함수는 통상 setup() 함수 안에서 사용되어 초기에 인터럽트를 설정하게 됩니다.

다음은 터치 센서를 한 번 터치하면 LED가 점등하고 다시 터치하면 LED가 커지도록 동작하는 스케치를 예를 들어 봅니다. 이를 위해서 Ardunio Uno 보드의 11번에 부저를 연결하고, 3번 핀(INT1)에 터치 센서를 연결하여 하드웨어 인터럽트를 사용할 것입니다. 소스 코드는 다음과 같습니다.

#define TS 3

#define BUZ 11

void setup() {

    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

    pinMode(BUZ, OUTPUT);

    pinMode(TS, INPUT);

    attachInterrupt(INT1, toggleLed, RISING);

}

void loop() {

    digitalWrite(BUZ, HIGH);

    delay(50);

    digitalWrite(BUZ, LOW);

    delay(450);

}

void toggleLed() {

    digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));

}

setup()함수 내에 attachInterrupt(INT1, toggleLed, RISING)를 삽입하여 INT1을 사용하였고 ISR로써 toggleLed() 함수를 추가하였습니다. 세 번째 인자인 mode가 RISING 이므로 toggleLed() 함수는 외부 인터럽트인 3번 핀의 신호가 '0'에서 '1'로 바뀌는 rising edge에서 하드웨어적으로 자동 호출됨을 의미합니다.

loop() 함수에서는 부저를 단지 0.5초마다 한 번씩 울리는 일이 전부이며, 터치 센서가 눌러질 때마다 toggleLed() 함수 내에 digitalWrite() 함수가 실행되고 이는 아두이노 보드 내 이전의 LED 값에 따라 그 반대의 값을 쓰게 됩니다. 즉 켜져 있으면 크고 커져 있으면 켜게 됩니다. 참고로 digialRead() 함수는 단일 인자를 가지며 읽고자 하는 핀 번호를 인자로 넘겨주면 그 logical 값을 반환합니다.

Arduino Uno 보드는 LED가 실장되어 있으며 이는 디지털 입출력 핀 13번에 연결되어 있습니다. 이 LED를 깜박이는 예제는 이미 아두이노 IDE에서 제공되고 있으며 '파일|예제'에서 'Blink'를 선택하여 불러올 수 있으며, 다양한 예제들은 여기서 확인할 수 있습니다.

읽어들인 소스 코드인 스케치 파일은 다음과 같습니다.

int led = 13;

void setup() {

    pinMode(led, OUTPUT);

}

void loop() {

    // turn the LED on (HIGH is the voltage level)

    digitalWrite(led, HIGH);

    delay(1000); // wait for a second

    // turn the LED off by making the voltage LOW

    digitalWrite(led, LOW); 

    delay(1000); // wait for a second

}

setup() 함수 내에서 pinMode() 함수는 첫 번째 인자로 핀의 번호를, 두 번째 인자는 입출력 모드를 지정하게 되는데, 입력이면 'INPUT'을 출력이면 'OUTPUT'을 설정하게 됩니다. 그러므로 pinMode(led, OUTPUT)는 13번 핀을 출력으로 사용하겠다는 의미입니다. 참고로 아두이노에서 제공하는 함수의 문법(Syntax)이나 인자(Parameter)에 대한 자세한 설명은 아두이노 홈페이지에서 확인할 수 있습니다.

https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage 

사실 전통적인 표준 라이브러리 AVR libc의 문법으로는 위의 pinMode 함수는 DDRD = 0b01000000; PORTD = 0b01000000; 이들 두 문장을 대체하게 됩니다. 아두이노에서 같은 기능을 하기 위해 고유 서브함수를 호출한 반면, 표준 라이브러리는 단순한 매크로(macro)들의 사용만으로 속도나 실행 크기면에서 우수하다는 것입니다. 하지만 표준 라이브러리는 ATmega328P에 대한 전문적인 지식이 요구되어 초보자에게 결코 쉽지 않다는 것입니다.

특히 속도의 측면에서 빠른 처리나 인터럽트 처리를 요구하는 장치를 동작시키는 경우에는 아두이노는 표준 라이브러리에 비해서 상당한 열쇠에 놓이게 됩니다. AVR 칩이 C 언어를 지원함에도 불구하고 아직도 어셈블러(Assembler)로 개발하는 경우가 있는데, 이것도 같은 이유에서라는 것입니다. 하지만 점차 MCU의 속도는 끊임없이 진화하고 리소스도 풍부해지기 때문에 크게 문제는 되지 않을 것입니다.

loop() 함수내에서 digitalWrite() 함수는 첫 번째 인자로 지정된 핀에, 두 번째 인자로 HIGH 혹은 LOW 값을 쓰는데 사용하는 함수로 digitalWrite(led, HIGH)는 이미 출력으로 지정된 13번 핀에 HIGH 값을 내보냄을 의미합니다. 입출력의 지정없이 이 함수를 사용할 수는 없으며 전원 전압이 5V이면 13번 핀은 5V의 전압이 인가되어 LED를 점등하게 됩니다.

또한 delay() 함수는 입력된 시간만큼 동작을 멈추는 용도로 사용되어 delay(1000)은 1000ms 동안 지연을 줄 목적으로 사용됩니다. 여기서 단위는 ms임을 주목해야 합니다.

결국 loop() 함수 내의 동작은 13번 핀을 점등하고 1s를 기다렸다가 다시 소등하고 1s를 기다리는 코드로, loop() 함수는 영원히 반복하게 되므로 끊임 없이 LED를 1초 간격으로 점등과 소등을 반복하게 됩니다,

Arduino Uno R3는 가장 널리 사용되는 입문용 기본 보드로 R3는 세번째 버젼을 의미합니다. 이 보드는 8-bit 마이크로 콘트롤러인 ATmega328P을 탑재하며 PC와 USB로 연결할 수 있어 프로그램 다운로드 및 시리얼 통신에 가능합니다. 그 밖에도 ATmega16U2의 또 다른 마이크로 콘트롤러를 내장하는데, 이는 기존 보드들에서 사용하던 FTDI FT232R USB-to-Serial 드라이버 칩을 대체하기 위한 것으로 USB-to-Serial 변환 프로그램이 들어 있습니다. ATmega328P는 1KB의 부트로터(Bootloader)용을 포함한 32KB의 Flash 메모리와 2KB의 SRAM, 1KB의 EEPROM을 갖고 있으며, 클럭 속도(Clock speed)는 16MHz입니다.

5V로 동작하는 이 Uno 보드의 전원공급은 두 가지 방법이 있는데, 첫번째는 USB로부터 제공되는 5V를 그대로 사용할 수 있으며, 두번째로는 7~12V의 AC 어댑터를 잭에 꼽아 외부에서 공급하는 방법인데 이는 Uno 보드가 내부적으로 5V를 정류하는 레귤레이터(Regulator)를 내장하고 있기 때문이며 위의 두 가지 전원이 모두 연결되어 있다면 외부 전원이 우선이 됩니다.

디지털 입출력 핀 14개 (0번~13번)

디지털 입출력 핀들을 이용해서 외부의 이진 신호를 읽어들어나 또는 이진 신호를 내보낼 수 있다. 디지털 입출력으로 사용되면서 또한 다른 기능을 가지는 핀들이 있는데, 이 기능들은 한 핀으로 두가지를 다 사용할 수는 없으며 다른 기능은 다음과 같습니다.

• 0번~1번: 시리얼 통신에 사용되어 USB로 PC와 통신을 할 수 있습니다.

• 2번~3번: 인터럽트(interrupt) 기능을 갖습니다.

• 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀은 PWM 기능을 가지며 아날로그 출력을 흉내낼 수 있다.

아날로그 입력 핀 6개 (A0~A5)

외부의 아날로그 입력값을 읽어들여 ATmega328P칩 내부의 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여 0~1023 사이의 숫자로 변환합니다. 이때 필요한 기준 전압은 5V 이지만 1.1V의 내부 전압이 사용될 수 있으며 AREF핀으로 기준 전압을 직접 인가할 수도 있습니다. 그리고 아날로그 핀은 디지털 입출력 핀으로도 사용할 수 있습니다.

아날로그 출력핀 6개 (3,5,6,9,10,11번 핀)

아날로그 출력핀은 0~5V사이의 전압 값(256레벨)을 가질 수 있으며 이는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 동작하므로 흉내를 내는 것입니다.

인터럽트 (2, 3번 핀)

2번과 3번 핀에 가해진 외부 이벤트를 감지하여 사용자가 원하는 방향으로 이를 처리하기 위한 기능으로 이를 인터럽트 처리(interrupt handling)라 부르는데, 즉 이 핀들에 변화가 있는면 하드웨어는 즉각적으로 알리고 이때 사용자가 원하는 정해진 동작을 코딩하여 사용합니다.

ICSP for ATmega328 : 기존의 ATmega328P에 ICSP(In Circuit Serial Programming)를 위한 SPI 통신용 6핀 포트입니다. ICSP는 전통적으로 마이크로 컨트롤러에 직접 펌웨어를 프로그래밍하기 위해 마련된 것입니다.

ICSP for USB interface : 기존의 ATmega16U2에 ICSP(In Circuit Serial Programming)를 위한 SPI 통신용 6핀 포트입니다. 

TWI(I2C) 통신 : A0, A1 핀

아두이노(Arduino)는 오픈 소스(Open Source)를 기반으로 한 단일 보드(board) 마이크로 컨트롤러입니다. 2005년 이탈리아 사람에 의해서 최초 만들어지기 시작한 프로젝트로 현재에도 진행 중에 있으며 Arduino는 이탈리아어로 영어의 'Best Friend'와 같은 의미를 가진다고 알려집니다.

아두이노는 대부분 Atmel社의 ATmega8이나 ATmega32U4, ATmega168, ATmega328, ATmega2560 등을 탑재한 보드로 이들 마이크로 컨트롤러에 탑재할 펌웨어(Firmware)를 개발하는 환경에서부터 컴파일 및 독립적으로 작동할 수 있도록 업로드 과정이 편리하여 최근에 전 세계적으로 인기를 끌고 있습니다. 

2011년에는 구글의 안드로이드(Android)가 아두이노를 하드웨어 파트너로 선택한 이유도 이런 확장성과 편리함 때문에 상호간에 시너지 효과를 기대해 보자는 것으로 풀이되며, 이러한 추세에 힘입어 얼마전에는 Intel社에서도 아두이노 플랫폼에 자사의 Quark Processor를 탑재한 갈릴레오(Galilo)를 출시하였는데, 이러한 것도 내내 동일한 맥락이라는 것입니다.

갈릴레오 보드

하드웨어에 서툰 사람들조차도 아두아노에 관심을 가지게 만드는 이유는 요구하는 제품이 기존의 AVR의 개발환경에 비하여 뚜렷하게 간소화됨으로 말미암아 편리함일 수도 있지만, 이러한 과정들이 복잡하지 않아 소프트웨어 제작이나 다양한 하드웨어 DIY(Do It Yourself)를 즐기는 사람들에게 호기심을 불러 일으키기에 충분하였기 때문일 것입니다.

그럼 아두이노는 어떤 장점이 있는지 요약하여 봅니다.

1) 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 간소화 되었다는 것입니다.

가장 큰 장점으로 기존의 AVR 프로그래밍은 WinAVR로 컴파일하여 별도의 ISP 장치를 통해 업로드 해야하는 번거로운 과정을 거쳐야 하는데, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 보드 내 USB 포트에서 PC의 USB 포트로 케이블을 연결하는 것만으로 쉽게 업로드 할 수 있다는 것입니다.

2) Windows를 비롯한 Mac OS X 및 Linux와 같은 다양한 OS 환경을 지원합니다.

3) 다양한 소프트웨어와 연동이 가능하다는 것입니다.

사용자들이 기존에 즐겨 사용하여 익숙했었던 Flash나 Processing, Max/MSP, Android, Object C, Labview, Pure Data 등과 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다는 것입니다.

4) 가격이 저렴합니다.

사실 마이크로컨트롤러를 배우고 싶어서 강좌를 듣거나 데모보드를 구입하려면 최소한 수 십만원 정도 이상을 호가하는데, 이에 비해 아두이노 보드는 상대적으로 매우 저렴하다는 것입니다.

5) 아두이노는 오프 소스입니다.

아두이노는 보드의 회로도가 공개되어 있으며 개발환경 조차도 오픈 소스이고 이로 인해 각종 회로도나 펌웨어 소스가 웹상에서 다량 공유되어 있다는 것입니다. 뿐만 아니라 여러 개발자들이 만들어 놓은 라이브러리 조차도 공유되어 개발 시간을 단축시키고 있다는 것입니다. 

다음은 아두이노 포럼입니다.

http://forum.arduino.cc/

현재 가장 많이 사용되는 아두이노는 보드는 기본형 우노(Arduino UNO)로써 손바닥만한 크기를 가지면서 ATmega328을 탑재하고 있는데 6개의 아날로그 입력단자와 14개의 디지털 입출력단자를 지원합니다. 이러한 입출력 단자들은 우노 보드에 위로 쌓아(Stack-up) 연결된 확장보드(Shield 보드, Shield-up 보드)에 서로 연결되고, 사용자는 1개 이상의 이들 확장보드에 주변회로를 직접 꾸며주게 됩니다.