ATmega128 개념 정리

본 포스트는 ATmega128을 공부하면서 처음 접하거나, 이해하지 못 했거나, 궁금한 개념 및 모든 요소에 대한 내용을 공부하고 작성 및 정리하여 관리하는 용도의 포스트입니다.

Register 정리

I/O Register

DDRx

DDRx(Data Direction Register x)는 각 PIN들의 출력 방향을 I/O으로 설정합니다.

• 1 : 출력
• 0 : 입력

[예시1]

DDRA = 0xFF;

A포트를 전체 출력으로 설정합니다.

[예시2]

DDRD = 0x00;

D포트를 전체 입력으로 설정합니다.

PORTx

출력용 데이터 값을 설정합니다.

• 1 : 5V (High)
• 0 : 0V (Low)

[예시1]

PORTA = 0xFF;

A포트에 전체 5V를 출력합니다. 제가 사용하고 있는 ATmega128의 회로는 Active-Low 방식이므로, 5V가 흐르게 되면 PORTA에 연결된 LED 센서에 불빛이 안 들어옵니다.

[예시2]

PORTA = 0x00;

A포트에 전체 0V를 출력합니다.

PIN

입력으로 설정된 PIN의 값을 읽습니다.

DDRx, PORTx, PINx의 연관성?

DDRx, PORTx, PINx 등을 레지스터라고 부릅니다. PIN51 : PA0 = PORTA의 첫 번째 포트. DDRA = PORTA의 입출력을 설정하는 레지스터.

[참고자료]

• [AVR 기초][ATmega128] DDR, PORT, PIN, LED 8개 깜빡이기

• 아트메가128의 DDRx,PORTx,PINx,포트특징 알아보기

Interrupt Register

SREG

SREG(Status Register)는 Global Interrupt의 사용 여부를 설정합니다. index7 비트의 값에 따라 Global Interrupt를 활성화하거나 비활성화 할 수 있습니다.

• 1 : 모든 Interrupt 활성화
• 0 : 모든 Interrupt 비활성화

비트7(I)는 CPU Interrupt를 전역으로 제어하는 비트입니다.

Microchip Studio에서 SREG가 정상 작동 되지 않는 이슈가 있습니다. 따라서, SREG를 사용해 index7 비트를 직접 활성화 해주는 것 대신, sei() 함수를 사용하여 Global Interrupt를 활성화 해줄 수 있습니다.

EIMSK

EIMSK(External Interrupt Mask Register)는 INT 0번 핀부터 INT 7번 핀의 활성화 여부를 설정합니다.

• 1 : 활성화
• 0 : 비활성화

reset하면 해당 interrupt가 금지 됩니다. (Vector Num : 0, Program Address : $0000)

EICRx

INTx PIN을 제어할 수 있는 레지스터입니다. EICRx 레지스터는 두 가지로 나뉩니다.

EICRA

EICRA(External Interrupt Control Register A)는 INT0부터 ~ INT3까지 핀에 대하여 설정 값을 관리합니다.

EICRB

EICRA(External Interrupt Control Register B)는 INT4부터 ~ INT7까지 핀에 대하여 설정 값을 관리합니다.

sei()

SREG에서 비트7의 값을 1로 설정합니다.

ADC Register

ADMUX

ADMUX(ADC Multiplexer Selection Register)는 AD 변환을 위한 Reference Voltage(기준 전압)와 Input Voltage(입력 전압)를 선택하는 데 사용됩니다.

[!Bit7, Bit6]

Bit7, 6은 각각 REFS1, REF0(Reference Selection Bit)를 담당하고 있습니다.

REFS1	REFS0	Reference Voltage
0	0	외부의 AREF 단자로 입력된 전압을 사용
0	1	외부의 AVCC 단자로 입력된 전압을 사용
1	0	-
1	1	내부의 2.56V를 사용

[Bit 5] Bit5는 ADLAR(ADC Left Adjust Result) 기능을 확보하고 있습니다. ADLAR 값이 1이면, 변환 결과 값을 ADCH/L에 저장할 때 좌측으로 끝을 맞추어 저장합니다.

[Bit4:0] Bit4부터 ~ Bit0까지 각각 MUXn (Analog Channel and Gain Selection Bit) 기능을 확보하고 있습니다. MUXn은 ADC에 연결되는 Analog Input Channel과 Differential Input Channel(차동 입력 채널)에 대한 선택을 할 수 있습니다.

ADCSRA

ADCSRA(ADC Control and Status Register A)는 AD Conversion을 Control하거나 AD Conversion의 Status를 나타내는 데 사용됩니다.

[Bit7] ADEN(ADC Enable) : ADC Enable Bit입니다. 1 : Enable 0 : Disable(default)

[Bit6] ADSC(Analog Start Conversion) : ADC Conversion을 Start합니다. 1 : Enable 0 : Disable(default) 단일 변환 모드일 때 단 한 번만 작동됩니다. Free Running Mode일 때, Conversion 동작을 반복합니다.

[Bit5] ADFR(ADC Free Running Start) : ADC Free Running Mode입니다. 1 : Free Running Mode -> 연속해서 Conversion하는 Mode. 0 : Single Conversion Mode(default) -> 한 번씩 Conversion하는 Mode.

[Bit4] ADIF(ADC Interrupt Flag) : ADC Conversion Done Interrupt가 request되고, 그 Status를 이 Bit(4)에 표시합니다.

[Bit3] ADIE(ADC Interrupt Enable) : ADC Interrupt 활성화 관련 Bit입니다. 1 : Enable 0 : Disable(default)

[Bit2:0] ADPS(ADC Prescaler Select Bit) : ADC에 인가되는 클럭(clock)의 분주비를 설정합니다.

ADPS2	ADPS1	ASPS0	Prescaler
0	0	0	1
0	0	1	2
0	1	0	4
0	1	1	8
1	0	0	16
1	0	1	32
1	1	0	64
1	1	1	128

ADCH/L

ADC의 Conversion Result를 Save합니다.

ADLAR = 0일 떄,

Conversion Result를 ADCH/L에 저장할 때, 우측으로 끝을 맞추어 저장합니다.

ADLAR = 1일 때,

Conversion Result를 ADCH/L에 저장할 때, 좌측으로 끝을 맞추어 저장합니다.

UART Register

USART 0과 1을 제어하기 위해서는 USART 0 / 1 관련 레지스터( UDRn, UCSRnA, UCSRnB, UCSRnC, UBRRnH, UBRRnL )의 사용법을 알아야 합니다.

URDn(Usart I/O Data Register)

• UDRn 레지스터는 송/수신되는 Data 값을 저장하는 버퍼역할을 하게 됩니다.
• 송신할 때는 TXBn의 Data를 전송합니다.
• 수신할 때는 RXBn의 Data를 저장하게 됩니다.

UCSRnA (Usart Control and Status Register A)

[Bit 1] U2Xn(Double the USART Transmission Speed) 비동기 모드에서만 유효한 것으로서, 클럭의 분주비를 16에서 8로 절반만큼 낮추어 전송 속도를 2배 높이는 기능을 수행합니다.

• U2Xn = 0 : 분주비 16
• U2Xn = 1 : 분주비 8

[Bit 0] MPCMn(USART Multi-Processor Communication Mode)

• MPCMn = 1 : 멀티프로세서 통신모드로 설정한다.

UCSRnB (Usart Control and Status Register B)

[Bit 7] RXCIEn(RX Complete Interrupt Enable)

• RXCIEn = 1 : 수신완료 인터럽트 활성화, UCSRnA의 RXn이 1이되면 인터럽트 발생됩니다.

[Bit 6] TXCIEn(TX Complete Interrupt Enable)

• TXCIEn = 1 : 송신완료 인터럽트 활성화, UCSRnA의 TXn이 1이되면 인터럽트 발생됩니다.

[Bit 5] UDRIEn(Data Register Empty Interrupt Enable)

• UDRIEn = 1 : 송신 데이터 레지스터 준비완료 인터럽트 활성화, UCSRnA의 UDREn이 1이되면 인터럽트 발생됩니다.

[Bit 4] RXENn(Receiver Enable)

• RXENn = 1 : 수신 동작 활성화, I/O핀이 아닌 통신핀으로 동작하도록 합니다.

[Bit 3] TXENn(Transmitter Enable)

• TXENn = 1 : 송신 동작 활성화, I/O핀이 아닌 통신핀으로 동작하도록 합니다.

[Bit 2] UCSZn2(Character Size) UCSZnC의 UCSZn1~UCSZn0 bit와 함께 전송 문자의 데이터 bit수를 설정합니다.

[Bit 1] RXB8n(Receive Data Bit 8) 전송 데이터수가 9로 설정된 경우 수신된 9번째 데이터를 저장하게 됩니다. UDRn 레지스터보다 먼저 읽혀야 합니다.

[Bit 0] TXB8n(Transmit Data Bit 8) 전송 데이터수가 9로 설정된 경우 송신될 9번째 데이터를 저장하게 됩니다. UDRn 레지스터보다 먼저 쓰여야 합니다.

UCSRnC (Usart Control and Status Register C)

[Bit 6] USMSELn(Mode Select)

• USMSELn = 1 : 동기 전송 모드
• USMSELn = 0 : 비동기 전송 모드

[Bit 5:4] UPMn1, UPMn0(Parity Mode)

[Bit 3] USBSn(Stop Bit Select)

• USBSn = 1 : Stop bit 2개로 설정
• USBSn = 0 : Stop bit 1개로 설정

[Bit 2:1] UCSZn1, UCSZn0(Character Size) UCSRnB의 UCSZn2 bit와 함께 전송합니다. 문자의 데이터 bit수를 설정합니다.

[Bit 0] UCPOLn(Clock Polarity) 동기 전송 모드의 슬레이브 동작에서만 사용됩니다.

• UCPOLn = 1 : 송신데이터는 XCKn 클럭의 하강 엣지에서 새로운 값이 출력 수신데이터는 XCKn 클럭의 상승 엣지에서 검출됩니다.
• UCPOLn = 0 : 송신데이터는 XCKn 클럭의 상승 엣지에서 새로운 값이 출력 수신데이터는 XCKn 클럭의 하강 엣지에서 검출됩니다.

UBRRnH/L (Baud Rate Register)

USART의 송/수신 속도를 설정합니다. UBRRnL 설정 후 UBRRnH를 나중에 write 해야 합니다.

Timer Interrupt Register

Timer Interrupt를 제어하기 위해서는 TIMSK, TCCRn, TCNTn register의 사용법을 알아야 합니다.

TIMSK

TIMSK(Timer Interrupt Mask Register)는 Counter 0과 Counter2를 허용하는 register입니다.

TIMSK[Bit5:2]는 TIMER1를 다룰 때 사용하는 register입니다.

[Bit0] TOIEn(Overflow Interrupt Enable)

• 1 : Overflow Interrupt Enable
• 0 : Overflow Interrupt Disable

[Bit1] OCIEn(Output Compare Match Interrupt Enable)

• 1 : Output Compare Match Interrupt 활성화
• 0 : Output Compare Match Interrupt 비활성화

OVF Interrupt, COMP Interrupt, CAPT Interrupt를 사용하기 위해서는 sei() 함수를 먼저 호출해야 합니다.

[Bit2] TOIE1(Timer/Counter1 Overflow Interrupt Enable)

• 1 : Overflow Interrupt Enable
• 0 : Overflow Interrupt Disable

[Bit4:3] OCIE1x(Timer/Counter1 Output Compare Match A, B Interrupt Enable)

• 1 : Output Compare Match Interrupt Enable
• 0 : Output Compare Match Interrupt Disable

[Bit5] TICIE1(Timer/Counter1 Input Capture Interrupt Enable)

• 1 : Input Capture Interrupt Enable
• 0 : Input Capture Interrupt Disable

TCCRn(n = 0, 2)

TCCRn(Timer/Counter Control Register)는 Timer/Counter n번의 동작 방식에 대한 모든 것을 Control합니다.

[Bit 2:0] CS02, CS01, CS00 (Clock Select)
Select Prescaler

Select Prescaler

[Bit 6, 3]

1. Waveform Generation Mode

[Bit 5:4]

1. Compare Output Mode, non-PWM Mode

TCNT0(n = 0, 2)

TCNTn(Timer/Counter Register)는 한 주기당 들어오는 신호를 Counting 해주는 register입니다.

TCNT0은 Timer/Counter 0 의 8bit Counter value를 저장하고 있는 register입니다. Timer/Counter 0 의 값이 자동으로 갱신 됩니다.

Timer/Counter1 Register

Timer/Counter1 관련 register에는 다음과 같은 register들이 존재합니다.

• TCCR1A, TCCR1B, TCCR1C
• TCNT1H, TCNT1L
• OCR1AH, OCR1AL, OCR1BH, OCR1BL, OCR1CH, OCR1CL
• ICR1H, ICR1L
• SFIOR
• TIMSK, ETIMSK, TIFR, ETIFR

TCCR1A

TCCR1A(Timer/Counter1 Control Register A)는 Working Mode(동작 모드)와 Prescaler를 결정합니다.

[Bit7:6] COMnA1:0 : Compare Output Mode for Channel A

[Bit5:4] COMnB1:0: Compare Output Mode for Channel B

[Bit3:2] COMnC1:0: Compare Output Mode for Channel C

[Bit1:0] WGM11, WGM10 : Waveform Generation Mode TCCR1B에 WGM13, WGM12과 결합하여 Working Mode를 Setting합니다.

TCCR1B

TCCR1B(Timer/Counter1 Control Register B)는 Working Mode와 Prescaler를 결정합니다.

[Bit7] ICNC1(Input Capture Noise Canceler)
Bit7을 1로 Setting해주면 Input Capture 단자 ICP1로 Input되는 Capture Sinal을 위한 Noise Delete Circuit이 작동됩니다. Noise Delete Circuit이 작동하면 Input Capture Signal을 Filtering하게 되는데 이를 이용하면 System Clock의 4 Cycle만큼 Delay되어 작동합니다.

[Bit6]ICES1(Input Capture Edge Select)
Input Capture 단자 ICP1로 Inpupt되는 Signal의 Edge의 Detecting Method를 결정합니다.

• 1 : Rising Edge일 때 검출합니다.
• 0 : Falling Edge일 때 검출합니다.

[Bit5] WGM13, WGM12 : Waveform Generation Mode
TCCR1A에 WGM11, WGM10과 결합하여 Working Mode를 Setting합니다.

[Bit4:3] : WGM13, WGM12 : Waveform Generation Mode
TCCR1A에 WGM11, WGM10과 결합하여 Working Mode를 Setting합니다.

[Bit2:0]

TCCR1C

TCCR1C(Timer/Counter1 Control Register C)는 Working Mode와 Prescaler를 결정합니다.

[Bit7:5] FOC1x(Force Output Compare for Channel x) Force Output Compare Bit는 CTC Mode 또는 PWM Mode에서 강제로 Output Compare를 발생시킬 때 사용된다. 일반적으로 Output Compare Match가 발생하면 Setting된 Action (핀 토글, 설정, 클리어 등)이 수행되지만, FOC Bit를 사용하면 현재 Timer value를 무시하고 즉시 Output Compare 동작을 강제로 수행할 수 있습니다.

TCNT1H and TCNT1L

Timer/Counter1의 16bit counter value를 저장하고 있습니다.

OCR1x

TCNT1과 compare하여 OC1x 단자에 출력 신호를 발생하기 위한 16Bit register입니다.

ICR1

Input Capture Signal ICP1에 의하여 TCNT1 value를 capture하여 save하는 16Bit register입니다. Fast PWM Mode에서 Timer의 TOP value로 Setting될 수 있습니다.

TIFR

TIFR(Timer/Counter Interrupt Flag Register)은

[Bit5] ICF1(Timer/Counter1 Input Capture Flag)
Timer/Counter1의 외부 IC1핀의 Input Capture Signal 또는 Analog 비교기의 Signal로 인하여 Capture 동작이 되면 Bit5가 1로 Setting되면서 Input Capture Interrupt가 request됩니다. Bit5는 Interrupt 처리의 시작과 함께 0으로 Clear됩니다.

개념 정리

Switch 관련 개념

Switch 연결 방식

1. Pull Up 방식

Pull Up 방식은 Floating 상태일 때 값을 끌어올리는 방식입니다. Switch가 눌렸을 때는 논리값 0이 입력됩니다.

2. Pull Down 방식

Pull Down 방식은 Floating 상태일 때 값을 끌어내리는 방식입니다. Switch가 눌렸을 때는 논리값 1이 입력됩니다.

[참고자료]

• pullup, pulldown
• IO(Input and Output) - 2
  

Floating 상태

스위치가 떨어져 입력이 5V인지, 0V인지 알 수 없는 상태를 의미합니다.

Chattering 현상

스위치의 상태가 변하는 순간 기계적 진동에 의해 매우 짧은 시간 이내에 열림과 닫힘이 반복 되는 현상을 의미합니다. 한 번의 스위치 눌림이 여러 번 눌린 것처럼 인식 되는 현상입니다.

해결 방안

커패시터를 사용하여 Chattering 현상을 방지할 수 있습니다.

Interrupt 관련 개념

Interrupt는 CPU가 현재 작업 중인 일보다 먼저 처리해야 하는 급한 일이 발행하면, 현재 작업을 잠시 중단하고 급한 일을 처리한 후 원래 일을 수행하는 작업을 의미합니다.

[처리 순서] Interrupt 발생 -> 현재 실행 중인 프로그램의 주소 저장 -> ISR 실행 -> ISR 종료 후 기존 프로그램의 중지된 부분부터 다시 실행.

Interrupt 우선순위

Interrupt 요청이 중복되는 경우, 우선순위가 높은 Interrupt가 먼저 실행됩니다.

• Data Sheet p.59

ISR

ISR(Interrupt Service Routine)은 Interrupt가 발생되었을 때 처리되는 작업입니다.

External Interrupt

외부핀 INT0부터 ~ INT7까지 직접 입력되는(High & Low) 값으로 인터럽트 신호가 발생하여 미리 정해놓은 ISR이 실행되는 작업입니다.

감지 방법

ADC 관련 개념

A/D Convertor(Analog to Digital Convertor)는 연속적인 Analog Signal을 부호화된 Digital Signal로 변환하는 기계 장치입니다.

예시)

• 온도
• 습도
• 압력 등.

변환 과정

Analog Signal을 표본화 -> 양자와 -> 부호화 순으로 변환합니다.

표본화(sampling)

Analog Signal을 일정한 간격으로 sampling하여 PAM(Pulse Amplitude Modulation) Signal을 얻습니다. 이때, data의 size가 최초로 결정됩니다. Analog Signal으로부터 많은 sample을 추출함으로서 데이터의 크기가 더 커집니다.

양자화(Quantization)

Quantization에서는 data의 size를 결정합니다. 1.23, 3.42 등의 Analog Signal을 0과 1인 Digital Signal로 매핑합니다. 이러한 매핑 과정을 Quantization이라고 합니다.

부호화(Encoding)

Quantization된 값을 2진 Digitan Sign(부호)로 변환하는 과정입니다.

[참고 자료]

• 디지털 신호 변환 과정(PCM) : 표본화, 양자화, 부호화
• 표본화, 양자화, 부호화

A/D Convertor 구성

범용 PORTF의 특수 기능

ADC0~ADC7 : 8채널 10bit A/D Convertor의 아날로그 입력 단자입니다.

ADC 정확도 성능 향상을 위한 독립 전원 구성

• AVCC : Analog Supply (VCC의 전압의 ±0.3𝑉를 유지 해야 함) = 독립적인 아날로그 회로 전원 단자
• AGND : Analog Ground (반드시 GND와 연결) = 기준전원 입력 단자
• AREF : Analog Reference Voltage = 아날로그 회로 접지 단자
  

A/D Convertor 잡음 제거

A/D Convertor의 경우에는 노이즈에 매우 민감하기 때문에 ATmega128 내에서도 AVCC, AREF, AGND와 같 은 ADC 전원 구성도 따로 되어 있으며, 사용자 또한 몇 가지 사항을 주의하여 사용해야 합니다.

1. 아날로그 입력선은 최소한으로 짧게 하고 잡음의 영향이 없도록 회로를 구성한다.
2. 아날로그 전원단자 AVCC에 VCC를 인가할 때는 LC필터를 거쳐 안정화 시킨다.
3. 아날로그 회로의 모든 접지는 AGND에 접지하여 한 포인트에서만 GND와 접속한다.
4. ADC 동작중에는 병렬 I/O 포트의 논리상태를 스위칭 하지 않는다.
5. 잡음에 민감한 아날로그 소자의 ADC의 경우에는 Adc Noise Reduction mode를 사용한다.
6. 잡음이 심하여 결과값의 변동이 심하면 디지털 필터를 사용하거나 평균치를 구하여 사용한다.

Text LCD 관련 개념

LCD(Liquid Crystal Display)는 액정표시장치입니다.

LCD 특징

1. +5V 단일 전원 사용
2. LCD 컨트롤러에 CG ROM, CG RAM, DD RAM등을 내장하여 작은 사이즈
3. MCU와의 인터페이스가 표준화 되어 있어 어떤 MCU이던 회로 구성이 쉬움
4. 8Bit, 4Bit 인터페이스 중에 선택할 수 있음
5. LCD 제조회사에 구별 없이 내부 명령이 표준화 되어 있음
6. 1행 분자 수에 따라 다양한 모델이 있음
7. ASCII 문자를 모두 표시할 수 있음

LCD 모듈의 외부 구조

RS(Register Select : PIN4)

입력 신호만 받는 단자로서 LCD의 제어명령/데이터 입력 제어신호를 설정합니다.

R/W (Read/Write : PIN5)

입력 신호만 받는 단자로서 액정 표시 모듈에 데이터 혹은 명령 읽기/쓰기를 할 때 사용합니다.

EN (Enable : PIN6)

입력 신호만 받는 단자로서 LCD를 동작하게 하는 단자입니다.

LCD 모듈 프로그래밍

LCD Command List

표시 클리어

화면을 지운 후 커서는 홈 위치(00 번지 - 1 행 1 열)로 돌아갑니다.

커서 홈

x는 무효 비트이며, 1 이든 0 이든 상관없습니다. 커서를 0 으로 돌아가게 합니다.

엔트리 모드 세트

커서의 진행방향(AC의 증감 방향과 같다) 및 표시를 Shift 시킬 것인지를 지정합니다.

• Increment/Decrement
• I/D = 1 : Address를 +1
• I/D = 0 : Address 를 -1
  
• Shift S가 1 일 때, 표시된 문자 전체를 좌/우로 이동시킵니다.
• 단, 이때 커서의 위치는 변하지 않습니다.
• I/D=1, S=1: 좌로 Shift
• I/D=0, S=1: 우로 Shift
• S=0: 표시는 Shift 되지 않습니다.

표시 ON/OFF 제어

표시 ON/OFF, 커서 ON/OFF, 커서 위치에 있는 문자의 점멸을 설정합니다.

• D=1: 표시 ON, D=0: 표시 OFF
• C=1: 커서 ON, C=0: 커서 OFF
• B=1: 점멸 ON, B=0: 점멸 OFF

커서/표시 시프트

DD RAM의 내용은 변경하지 않고, 커서 이동과 표시 Shift 를 합니다. 커서의 이동은 1 행의 40 번째에서 2 행의 처음으로 옵니다. 그러나 표시 Shift 는 두 행이 동시에 됩니다.

S/C=0, R/L=0: 커서 위치를 좌로 이동 (AC -= 1) S/C=0, R/L=1: 커서 위치를 우로 이동 (AC += 1) S/C=1, R/L=0: 표시 전체를 좌로 이동, 표시는 커서에 따라 움직입니다. S/C=1, R/L=1: 표시 전체를 우로 이동, 커서는 움직이지 않습니다.

펑션 시프트

DL=1: 8 비트(DB[0:7]) 인터페이스 세트 **DL=0: 4 비트(DB[4:7]) 인터페이스 세트, 상위 4 비트 전송 후 하위 4 비트 전송 ** N: 표시 행수의 설정(0: 1 행, 1: 2 행) F: 문자 폰트를 설정 (0: 5×7 도트, 1: 5×10 도트)

통신 관련 개념

통신 개념

여기서 다루는 통신은 OSI 7계층 중, 물리 계층에 속한 통신을 주로 다룹니다.

통신은 Serial Communication와 Parallel Communication으로 구분됩니다.

(TCP/UDP는 OSI 7계층 중 전송 계층에 포함되는 통신)

비교 기준	Serial Bus	Parallel
전송 속도	비교적 느림	비교적 빠름
케이블 복잡성	단순, 2~4개의 와이어	복잡, 다수의 와이어
전송거리	긴거리에 적합	짧은 거리에 적합
노이즈 민감도	비교적 덜 민감	민감
비용	낮은 비용	높은 비용
동기화	동기 & 비동기	정교한 동기화
사용 사례	장거리 통신, MCU 인터페이스	컴퓨터 버스

Serial Communication

한 번에 한 가지 data를 송수신 하는 방식입니다. Data 전송 시, 하나의 Data Line이 필요합니다.

Serial Communication에는 다양한 통신 종류가 있습니다. 대표적으로 UART, I2C, SPI 등이 있습니다.

UART

UART0, UART1 2개의 통신 포트로 구성되어 있습니다.

-동기 모드/비동기 모드 -전이중통신 -멀티프로세서 통신 -높은 정밀도의 보레이트 발생기 내장 -전송데이터 5~9bit 설정 -Stop bit 1~2 설정 -패리티비트 bit 설정 -에러 검출 가능 (-> 패리티비트) -노이즈 필터링

[MCU에 할당된 PORT PIN들]

[MCU 외부에 할당된 PORT PART들]

UART Data 전송 Fromat

Atmega128의 비동기 모드 데이터 전송 포맷이 있습니다.

• 항상 Low 상태
• 데이터 포함 비트
• 데이터 전송 시 오류 검증을 위한 비트, 3가지 모드  None : 설정 X, 이 모드 설정 시 비트 제거
  • Even : 짝수 패리티, 1의 개수가 짝수 일시 1
  • Odd : 홀수 패리티, 1의 개수가 홀수 일시 1
• 항상 High, 이 비트가 Low 상태이면 에러
• 두번째 비트는 동작 지연을 위하여 사용

전송 프레임은 최소 7bit 에서 최대 13bit로 구성되어 있습니다.

• Start Bit : 1  ( 표준 : 1 bit )
• Data Bit : 5 ~ 9  ( 표준 : 8 bit )
• Parity Bit : No, Even or Odd  ( 표준 : 0 bit )
• Stop Bit : 1 ~ 2  ( 표준 : 1 bit )

USART

USART(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver and Transmitter)는 Parallel Data의 form을 Serial form으로 conversion하여 data를 communicatino하는 개별 직접 회로입니다. RS-232, RS-422, RS-485와 같은 통신 표준과 함께 사용합니다.

이때, USART는 동기통신, UART는 비동기통신(통신 전 장치 간 전송 속도 동일하게 설정 필요)이라는 차이가 있습니다.

통신 종류

RS-232

• 직렬 통신(RX, TX로 구성)
• 통신 길이가 짧음
• 1:1 통신에 유리함.

RS-485

• 다중 통신(D+, D-로 구성)
• 통신 길이가 긺
• DIR 설정이 필요함

Full Duplex : 양방향 동시 데이터 통신이 가능합니다. Half Duplex : 송신과 수신이 동시에 불가능합니다.

Parallel Communication

한 번에 여러가지 data를 송수신 하는 방식입니다.

[참고 자료]

• 실무자가 들려주는 Serial 통신 기술[직렬 통신]
• Serial 통신류(UART, I2C, TWI, SPI, RS-422, RS485)

선 연결 시 주의사항

ISP Upload PIN(주황 박스)과 UART Communication PIN(파랑 박스)을 동시에 연결하면 안 됩니다.

TIMER 0/2 관련 개념

Counter

• Counter는 Clock의 Rasing Edge를 Counting합니다.
  

• Counter는 외부 핀(TOSC1, TOSC2, T1, T2, T3)을 통해서 들어오는 Pulse(펄스)를 계수Edge Detector(계수)하여 Event Counter로서 동작 됩니다.

Timer

• Timer는 Counter의 Clock 입력을 일정 주기로 넣어 시간을 Counting합니다.
  

• MCU의 내부 Clock을 이용하여 일정시간 간격의 Pulse를 만들어 내거나 일정시간 경과 후에 Interrupt를 발생시킵니다.

Prescaler(분주비)

• Clock Source의 주기를 n배수로 늘려주는 모듈입니다.
• 긴 주기의 Timer를 만들 때 사용합니다.

TIMER0/2 vs TIMER1/3

Timer Period Setting

Timer Period Setting은 Count 수를 Setting하는 방법입니다.

Period : Clock Source * Prescale * Count

\[T = \frac{Prescale * Count}{FreqMCU}\]

Keyword	Description
BOTTOM	Timer/Counter가 가질 수 있는 Minimum Value 0x00을 나타냅니다.
MAX	Timer/Counter가 가질 수 있는 Maximum Value 0xFF를 나타냅니다.
TOP	각 동작모드에 따라 Counter가 실제로 도달하는 Maximum Value를 나타냅니다. (CTC모드의 경우 TOP = OCR)

Timer Interrupt

Interrupt Type

• Overflow
• Compare Match
• Capture Event

Timer Overflow Interrupt

1. 1/Clock 마다 TCNTn의 값이 1 증가합니다.
2. TCNTn 값이 Overflow가 되면 interrupt가 발생합니다.

Timer Working

[8Bit Timer 0, 2의 Basic Working]

1. count하는 input pulse의 개수를 TCNTn에 기록합니다.
2. 8Bit Timer므로 TCNTn이 2^8 (=255) 일 때 input pulse가 추가되면 TCNTn은 0으로 기록됩니다.
3. 0xFF 에서 0x00으로 넘어갈 때 오버플로우가 발생합니다.

Timer Overflow Calculation

Timer OVF Interrupt Cycle Calculation

1. TCNT가 증가하는 시간을 변경합니다.(Changing Prescaler)
2. TCNT의 초기값을 변경합니다.

1. Changing Prescaler

2. Changing TCNT Initial Value

Timer OVF Interrupt Calculation

TIMER 1/3 관련 개념

TIMER 1/3 특징

• 16bit (0x0000 ~ 0xFFFF) 구조입니다.
• Prescaler는 10bit (0x0000 ~ 0x3FF)입니다.
• Overflow, Output Compare Match A/B/C, Input Capture Interrupt를 사용할 수 있습니다.
• Output Compare Match할 때 Timer를 Clear (CTC Mode)합니다.

TIMER 1/3 Working

• 내/외부 Clock 중 하나를 선택하여 기준 Clock으로 지정합니다.
• Timer/Counter1, 3은 0x0000~0xFFFF까지 Count하여 Overflow되면 OVF Interrupt가 걸립니다.
• Timer/Counter1, 3은 0x0000~0xFFFF까지 Count하다가 지속적으로 TCNT값과 OCR값을 비교하여 같으면 COMP Interrupt가 걸립니다.
• Timer/Counter1, 3은 외부 ICPn PIN으로부터 트리거 신호가 입력되면 현재의 TCNTn 의 값이 Input Capture Register ICRn으로 저장되면서 IC Interrupt가 걸립니다.

PWM 관련 개념

정의

1. Analog 방식의 속도 Control 방법
   • 구동 전압 그 자체를 변화 시킵니다.
2. PWM 방식 (Pulse Width Modulation)
   • 펄스의 폭을 변조하는 방식입니다.

Fast PWM Mode

Phase Correct PWM Mode (126P)

Fast PWM Mode (125P)

Input Capture 관련 개념

• Embeded System에서 Input Signal을 다루는 방법의 하나로 Input Signal가 들어 왔을 때의 Timestamp를 memory에 저장하는 기능입니다.
• 외부 Signal의 발생 Time을 알아내는 용도로 활용됩니다.
• PWM 측정, 기간 측정, Event Time Capture

Ultrasonic Sensor 관련 개념

Electric Parameter

Principle of Operation

IR Sensor 관련 개념

IR Sensor는 발광부와 수광부로 구성되어 있습니다. 발광부는 빛을 발사 하는 센서입니다.

• White Object는 Light를 대부분 반사합니다.
• Black Object는 Light를 대부분 흡수합니다.
• 따라서 IR Sensor로 White와 Black을 구분할 수 있습니다.

Light Emitting Diode

발광부(Light Emitting Diode)는 빛을 발사합니다.

Spec	Description
Positive Voltage	Light Emitting Part의 긴 다리와 연결합니다.
Negative Voltage	Light Emitting Part의 짧은 다리와 연결합니다.

Light Receiving Diode

수광부(Light Receiving Diode)는 발광부에서 발사되어 반사된 빛을 흡수합니다. | Spec | Description | | :—: | :—:| | Positive Voltage | Light Receiving Part의 짧은 다리와 연결합니다. | | Negative Voltage | Light Receiving Part의 긴 다리와 연결합니다. |

Phototransistor

• Phototransistor는 Base Connection(단자)이 Light에 의해 Enable됩니다.
• 일반적인 BJT에서 Base PIN의 역할을 Outside Light(외부 광선)이 대신 합니다.
• Outside Light의 양에 비례하여 transistor를 지나는 전류의 크기가 변합니다.

Filter

Filter는 통상적인 의미로 특정 성질을 가진 것을 차단하거나 통과 시키는 기능을 담당합니다.

[Type]
-불순물 필터(에어컨, 공기청정기, 정수기, 청소기 등)
-음향필터(주파수 조절)
-광학필터(카메라 렌즈)
-신호처리 필터(임베디드)

Analog Filter

Analog Filter는 Analog Electronic Components(resistor, capacitor, inductor, Operational Amplifier(연산 증폭기) 등)으로 구성된 circuit이 Filter의 역할을 수행합니다.

e.g)

• Low Pass Filter(저역통과필터)
• High Pass Filter(고역통과필터)

Analog Filter는 noise를 완전히 제거하지 못하기에, Digital Filter를 적용해야 합니다.

Digital Filter

ADC Converter를 통해 Conversion된 Digital Input Signal을 이용하는 방식의 Filter이며 programming을 통해 noise를 제거합니다. programming의 특성상 User의 request에 맞게 수정이 가능하므로 다양한 방면에 활용될 수 있습니다.

e.g)

• Median(중간값) -> 일정 개수의 data를 받아 순서대로 sorting하여 median을 extract(추출)합니다.
• Average(평균값) -> 일정 개수의 data를 받아 average를 구합니다.
• Moving average(이동평균) -> Sensor의 data를 들어오는 순서대로 새롭게 Update하여 average(평균치)를 구합니다.

Max-Min Normalization

Max-Min Normalization(최대-최소 정규화)를 통해 Sensor Value의 범위가 차이 나는 경우 Normalization을 통해서 0과 1 사이의 값으로 conversion할 수 있으며, 더 쉽게 사용할 수 있습니다.