[라즈베리파이4] GPIO 활용한 밝기에 따른 LED 점등 회로 설계

 

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목차

• GPIO
• RPI.GPIO 라이브러리 
• 파이선 모듈화 코딩(LED on/off)
• 회로도 배치
• 조도센서 원리
• MCP3008(ADC) 원리
• 추가 개념 : PWM 제어
• 추가 개념 : SPI 통신

 

 

 

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GPIO

 

GPIO는 General Purpose Input / Output 으로, 말 그대로 범용 입출력 인터페이스입니다. PCB, ICT보드 등 다양한 전자기판에서 내부 회로 이외 외부적으로 물리적으로 소통할 수 있는 장치로, 이를 이용해서 LED, Servo Motor, 초음파센서 등 다양한 물리적 외부 장치들에 대해서 배선하고 연결하여 제어 할 수 있습니다.

 

 

 

 

RPi.GPIO 라이브러리

파이선에서 파즈베리파이의 gpio핀을 제어할 수 있도록 해주는 라이브러리이다. 라즈비언에 기본 설치 되어 있다.

 

 

 

코드 예시

# 1.라이브러리 임포트
import RPi.GPIO as gpio

# 1.1 에러 제거
gpio.warnings(False)


# 2. gpio setup, 핀 넘버부르는 방식 설정, Board와 BCM 방식
# gpio.BOARD : 8번핀은 GPIO.BCM 모드에서 14번 핀과 동일
# gpio.BCM : Broadcom chip-specific pin numbers로 
# Broadcom SOC 칩에서 사용하는 핀이름을 사용하겠다는 의미 
gpio.setmode(gpio.BCM)



# 3.핀 모드 설정, input 또는 output
gpio.setup(12, gpio.IN)
gpio.setup(18, gpio.OUT)


# 4. 메인 쓰레드
try:
    while 1:
        button = gpio.input(12)
        ...
        gpio.output(18, gpio.HIGH)
        ...
# 5. 필수)프로그램 종료전, 리소스 반납하기 / 반드시 클린업
finally:
    gpio.cleanup()

 

파이선 모듈화 코딩

file save를 ledOnOff 라고 저장하자

 

그리고 작동에 따른 led 의 동작유무를 파악하기 위해선, 일일히 import 해서 RPi~ 하지말고,

 

단순히 import ledOnOff as led 라고 입력해서 해당 메소드들을 시행하도록하자.

# 1.라이브러리 임포트
import RPi.GPIO as gpio
import time as t

# 2. gpio setup, 핀 넘버부르는 방식 설정, Board와 BCM 방식
# gpio.BOARD : 8번핀은 GPIO.BCM 모드에서 14번 핀과 동일
# gpio.BCM : Broadcom chip-specific pin numbers로 
# Broadcom SOC 칩에서 사용하는 핀이름을 사용하겠다는 의미 
gpio.setmode(gpio.BCM)


# 3.핀 모드 설정, input 또는 output
gpio.setup(18, gpio.OUT)


# 4. 메인 쓰레드
def ledOn():
	gpio.output(18, gpio.HIGH)
    
def ledOff():
	gpio.output(18,gpio.LOW)
 
def ledFlk():
	while 1:
		gpio.output(18,gpio.HIGH)
        t.sleep(1)
        gpio.output(18,gpio.LOW)

 

 

회로도 배치

대략적인 느낌을 파악하기

 

 

 

조도센서

조도센서는 빛의 밝기에 따라 값이 바뀌는 저항이라고도 할 수 있습니다.

저항은 전류를 방해하는 힘인데요. 빛의 밝기에 따라 조도 센서는 조도 센서 내의 저항값을 결정합니다

주위가 밝으면 조도 센서의 저항값이 감소하고, 주위가 어두우면 조도 센서의 저항이 증가합니다.

 

조도 센서는 밝으면 약 1k 옴의 저항값을 내보내고 어두우면 약 50k 옴까지의 저항값을 내보내어 입력값을 조절합니다.

 

조도센서의 경우 미세한 빛의 밝기를 측정하는데 사용되므로 analogRead() 문을 사용합니다.

 

아날로그 입력핀은 ANALOG IN 에 꽃아야 합니다.(디지털 입력핀쪽이 아닙니다)

 

 

 

MCP3008(ADC)

 

• 2.7~5.5V 가능하지만 클 수록 샘플링 속도가 빠르다.
• ch0~7 : 아날로글 신호 넣어주는곳이다.
• SPI : 통신규격 - 라즈베리파이 (라즈베리파이에서는 2개의 핀을 제공)

라즈베리 파이에는 자체ADC 기능이 없습니다. 그래서 ADC 칩을 따로 사용해야 합니다.

 

MCP3008는 8채널의 A/D Converter 입니다.

 

센서의 아날로그 출력값을 디지털 값으로 변환하는 ADC 칩입니다.

 

실행 하기 전 세팅 : https://m.blog.naver.com/icbanq/221693166697

라즈베리파이 - MCP3008모듈 제어하기

 

 

 

MCP3008 IC를 구동하려면 동작방식과 SPI 통신으로 보내야 할 데이터를 알아야 해서,

MCP3008 데이터시트를 봅시다.

 

MCP3008 IC는 slave로 동작하고, (CPOL, CPHA) = (0, 0), (1, 1)의 SPI 모드를 지원하는데요. (0, 0)모드의 신호 타이밍은 다음처럼 8비트로 세번 나누어져 있습니다. 첫 바이트에는 라즈베리파이로 MOSI(DIN)을 통해 0x01을 보내서 start를 알립니다. 그 다음 두번째 바이트의 상위 4비트를 보내면, 나머지 비트들은 이 IC의 동작에 영향을 미치지 않습니다. 이 상위 4비트를 통해 ADC값을 얻고자 하는 채널을 선택하게 됩니다.

 

MCP3008이 D0 입력까지 받으면, MCP3008은 MISO(DOUT)핀을 통해 null 비트로 시작하는 ADC값을 라즈베리파이로 보내기 시작합니다. MISO로 전달되는 신호 중, 두번째 바이트의 하위 2비트가 10비트 ADC값 중 최상위 비트입니다. 그 뒤 세번째 바이트의 8비트는 하위 8비트의 ADC 값입니다.

 

위 타이밍도에서 봤던 Single/Diff, D2, D1, D0 네 비트는 다음처럼 ADC를 수행할 채널을 선택합니다.

 

 

 

라즈베리파이에서 실행시킨 Python 코드입니다. MCU뿐 아니라 Python에서도 비트연산이 가능해서 비트연산을 사용했습니다.

 

import spidev, time

def analog_read(channel):
    r = spi.xfer2([1, (0x08+channel)<<4, 0])
    adc_out = ((r[1]&0x03)<<8) + r[2]
    return adc_out

 
 
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)
spi.max_speed_hz = 1000000

while True:
    adc = analog_read(1)
    voltage = adc*3.3/1023
    print("ADC = %s(%d)  Voltage = %.3fV" % (hex(adc), adc, voltage))
    time.sleep(0.5)

 

PWM

PWM이란(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 효율적인 스위칭 제어의 기본이 되는, 디지털 출력으로 아날로그 회로를 제어 하는 기술입니다.

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초기에는 통신용으로 개발 된 기술 이었으나, 전류, 전압 제어용으로 탁월한 방식이었기 때문에,

현재는 통신보다는 DC쪽 전력제어나 모터 제어 기술로 사용되고 있습니다.

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간단히 설명하자면, 일정한 주기 내에서 Duty비를 변화 시켜서 평균 전압을 제어하는 방법입니다.

​

PWM의 구성

기본적으로 아래와 같은 구성를 가지고 있습니다.

PWM 신호 발생기의 구성

콤퍼레이터(전압비교회로)의 +입력에 삼각파를 입력하고, - 입력에 제어 신호를 입력합니다.

그러면 콤퍼레이터의 출력에는 입력 신호의 레벨 변화에 따라서 펄스 폭이 다른 출력이 나타나게 됩니다.

​

입력에 따른 PWM 출력 신호

PWM은 주기가 일정하고, 제어입력 신호에 따라서 펄스 폭의 듀티비가 변화하는 것을 의미 합니다.

출력 트랜지스터가 ON하고 있는 동안에만 모터에 전류가 흐르게 됩니다.

​

듀티비가 클 수록 모터에 전류가 흐르는 전체 시간이 길어지겠지요.

​

DC 모터 등의 속도제어를 입력 신호의 변화 만으로 간단히 할 수 있는 것입니다.

(모터가 빠른 주파수의 변화에 기계 반응을 하지 않는다는 것을 이용하는 것입니다.)

 

 

SPI통신 그리고 그외 통신

SPI는 Serial Peripheral Interface의 약자로 해석시 ‘직렬 주변기기 인터페이스’. 

 

SPI는 1:N 통신을 지원하는 동기식 통신 방식이다.

 

SPI 통신을 위해서는 반드시 하나의 마스터와 하나 이상의 슬레이브 기기가 존재해야 한다. 통신을 위해서는 최소 4개의 선이 필요한데, MISO, MOSI, SCK, SS가 그것이다. 하나씩 살펴보면,

 

 

- MOSI : Master Out, Slave In – 마스터에서 데이터를 출력하기 위한 신호 선

- MISO : Master In, Slave Out – 슬레이브에서 데이터를 출력하기 위한 신호 선

- SCK : Clock 신호 선

- SS : Slave Select – 데이터를 송수신할 슬레이브를 선택하기 위한 신호 선

 

 

데이터를 전송하고 수신하는 선이 따로 있기 때문에 전송과 수신이 동시에 이루어질 수 있어서 송수신이 하나의 선으로 이루어지는 I2C 통신에 비해 속도가 빠르다. 그리고 마스터에서 출력하는 선과 슬레이브에서 출력하는 선이 정해져 있어 시리얼 통신처럼 Rx, Tx 선이 맨날 헷갈릴 일도 없다. 난 맨날 헷갈리거든…

 

 

 

속도가 빠르다는 장점 때문에 SPI는 주로 빠른 데이터 전송 속도를 필요로 하는 데에 많이 사용된다. 대표적으로 이더넷 통신이나 SD 쉴드 같은.

 

 

 

SPI 통신 역시 I2C 통신처럼 하나의 마스터에 여러 개의 슬레이브가 연결될 수 있기 때문에, 슬레이브를 선택하기 위한 솔루션이 필요하게 되는데, SPI는 그 방법으로 SS 신호를 사용하고 있다. SS는 Slave Select라는 뜻 그대로 슬레이브를 선택하는 선으로, 하나의 슬레이브에 하나의 SS 선을 사용한다.

 

 

 

 

 

요렇게. SCK와 MOSI, MISO 신호 선은 공통으로 사용한다.

 

 

여러 개의 슬레이브 기기가 마스터에 연결될 수 있지만, 슬레이브 개수만큼 SS 신호 선이 늘어나게 되므로 여러 개의 슬레이브가 존재할 때에는 물리적으로 비효율적이다. 핀 개수가 여유 있으면 상관없겠지만, 보통은 없다.

 

동기화 통신 방식이므로 통신에는 클럭 신호가 사용되며, 클럭 신호는 마스터에서만 출력된다. 다음은 마스터와 슬레이브가 데이터를 주고 받는 신호를 그림으로 나타낸 것이다.

 

 

https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi 

 

데이터 송수신을 위해 제일 먼저 SS 신호로 슬레이브를 선택한 후 클럭 신호를 생성하고, 클럭 신호에 맞춰 데이터를 전송한다.

 

 

위 그림에서는 마치 데이터 전송 후 수신 받는 것처럼 되어 있지만, 사실은 데이터를 전송하는 중에도 MISO 신호 선으로 슬레이브의 데이터가 수신될 수 있다. 전송과 수신이 동시에 이루어질 수 있다는 것이 SPI의 가장 큰 장점!

 

 

그림에서는 클럭 신호가 HIGH로 바뀔 때 데이터를 읽는 것으로 되어 있지만, SPI 통신에서는 HIGH로 바뀔 때 데이터를 읽을 지 LOW로 바뀔 때 데이터를 읽을 지 지정할 수 있다. 그리고 클럭 신호가 HIGH로 먼저 시작하는지, LOW로 먼저 시작하는지 역시 결정할 수 있다 . 물론 슬레이브와 방식이 동일해야 한다.

 

 

 

예, 라즈베리피이와 비슷한 아두이노의 경우)

아두이노 메가(Mega 2560/ADK)는 SPI 통신을 위한 핀으로 50~53번 핀이 지정되어 있고, 우노(Uno)의 경우 “ICSP”라는 포트로 따로 나와있다. 메가에 있는 “ICSP” 포트 역시 50~53번과 연결되어 SPI 포트로 사용할 수 있다.

 

 

 

우노(Uno)

메가(Mega 2560/ADK)

 

 

 

ICSP 포트의 핀 순서는 다음과 같다.

 

 

 

 

위 순서대로 보드에 표시해보면,

 

 

 

요렇게 된다. 핀 포트의 왼쪽 상단에 점으로 표시된 핀이 1번 핀이라는 것에 유의하자.

 

 

메가에서 53번 핀이 SS 핀으로 지정되어 있지만, 사실 SS 핀은 어느 핀을 사용해도 상관 없다. 53번을 SS라고 지정해둔 건 참고용이랄까. 아두이노에서 제공하는 SPI 예제를 보면 53번(우노의 경우에는 10번)을 주로 SS 핀으로 사용하는 것을 알 수 있다. 보통은 변경할 수 있으므로 아무 핀이나 사용해도 상관 엄슴.

 

 

여기까지 정리해보면.

 

 

 

- SPI 통신은 MOSI, MISO, SCK, SS 핀으로 이루어지는 동기식 직렬 통신 방식이다.

- 데이터 출력 신호 선과 입력 신호 선이 따로 있어 동시에 송수신이 가능하다.

- 슬레이브를 SS 신호로 선택한다.

- 그래서 I2C 통신보다 속도가 빠르다는 장점

- SS 신호 선을 이용하면 여러 개의 슬레이브를 연결할 수 있지만 슬레이브 개수만큼 SS 신호 선이 필요하므로 슬레이브가 많아질 경우에는 비효율적이다