9. AVR(atmega)와 Preteus VSM의 만남 - 숨쉬는 LED를 위한 PWM 제어 (3부)

자... 그럼 이번에는 숨쉬는 LED의 소스 코드를 좀 분석해 봅시다.

지난번 소스코드 한번 들여다 보셨나요? 이미 좀 알고 계신 분이라면 금방 이해하셨을테지만, 모르는 분들을 위해 설명한다 생각하고 글을 써 보겠습니다.

우선, Atmega MCU에서 PWM발생을 위해 이해해야 할 그림이 있어요.

아래 그림 한번 보세요. 이 그림을 보고 지지난 글에서 얘기한 Compare Match Interrupt 이해 가시나요?

[Timer2 Compare Match Output Interrupt]

위 그림은, Timer2로 표현한 그림이지만, Timer0도 마찬가지 입니다.(물론, 콘트롤 레지스터는 조금 다릅니다.)

TCNT2(Timer Counter Register)의 값이 하나씩 증가하죠. 쭉 증가해서 255까지 도달하면 다시 0부터 시작하죠. 이렇게 무한히 반복하는 겁니다. 증가한다는 의미로 0부터 255까지를 우상향 화살표로 표시했어요.(물론, 아날로그 회로에서는 실제 전압이 증가할 수도 있지만..마이크로 프로세서에서는 디지털 시스템이므로 레지스터의 값이 증가합니다.) 

근데, 주목해야 할 것이 중간에 OCR2(Output Compare Register)가 있고 수평으로 조그만 막대가 있죠. 이것은 OCR2에 들어 있는 값을 의미하는 것입니다.(여기서는 OCR2=100으로 가정)

 그럼, 인간의 시간 개념으로 타이머를 돌려 봅시다.

1. TCNT2 증가 시작: 0, 1, 2, 3, ......

2. 비교일치 조건 도달 ( 즉, TCNT2 == 100일때 OCR2의 설정값과 일치)

3. 비교일치 인터럽트 발생 --> ISR(TIMER2_Comp_vect) 실행됨.

4. TCNT2 계속 증가: 101, 102, ..... 254, 255

5. TCNT2가 255 --> 0으로 바뀌는 순간

• 오버플로우 인터럽트 발생 : ISR(TIMER2_OVF_vect) 실행됨

6. 다시 1번부터 시작됨. 무한반복

그리고, OC2 Pin 출력을 보면 이것이 바로 PWM 출력입니다. 지난번 글에서 아래 내용 기억나시나요? Non-inverting mode!!
위의 OC2 Pin 출력을 보면 BOTTOM(= 0)에서 High(5V)출력이고, 비교일치(Compare Match)되는 순간(TCNT2 == OCR2 )일때 Clear(Low = 0V)로 내려갑니다. 그리고, 다시 TCNT2가 BOTTOM(=0)으로 가면 다시 High(5V). 그리고 비교일치되면 Low(0V). 이런식으로 무한히 반복되죠. 그럼, 아래 내용이 뭔 의미인지 이해됩니다!!

(원문)

"Clear OC0A on compare match, set OC0A at BOTTOM, (non-inverting mode)"

(해석)

"OC0A 핀(12번 핀: PD6 )을 클리어(논리적으로는 0, 전압으로는 0V)하고, TCNT0 = BOTTOM(0 즉 zero)일 때, 셋(set)한다.(논리적으로 1, 전압으로는 5V)"

그렇다면, Duty Rate를 바꾸려면 어찌해야 할까요?
쉽습니다. 위 그림에서 직관적으로 알 수 있다시피 OCR2의 값을 내부적으로 적당한 때에 바꿔주면 됩니다. 만약, OCR2 == 50이면 위 그림보다 Duty Rate가 절반으로 줄어들 것이며, OCR2 == 200이면 Duty Rate가 위 그림의 두 배가 될 것입니다. 이런 식으로 Duty Rate를 조절하면 LED밝기를 변화시킬 수 있으며, OCR2의 값을 0부터 하나 씩 증가시켜 255까지 가면 자연스럽게 밝아지는 LED가 되죠. 즉, 숨쉬는 LED가 된 것입니다.

잠시 바쁜 관계로,, 오늘은 여기까지.

이만, 총총.

8. AVR(atmega)와 Preteus VSM의 만남 - 숨쉬는 LED를 위한 PWM 제어 (2부)

지난 글에 이어,, 숨쉬는 LED를 제어하기 위한 PWM제어입니다.

이제는 PWM이 무엇인지 좀 감이 잡히시는지요?
'백문이불여일견' 이라서,, PWM동영상 하나 보여드리죠. 제가 간단히 만든겁니다.

[PWM 제어 동영상]

인간의 눈으로 보는것과 동영상으로 촬영한 것은 좀 느낌이 다르긴 하지만,, 그래도 LED의 밝기가 자연스럽게 변화하는 것이 보이시죠? 바로 그것입니다.

[숨쉬는 LED 회로도(Proteus VSM에서)]

위의 회로도를 간단히 설명하면,

• PD0 : LED Green (지난번 강좌때 동작시켰던 LED. 10ms 주기로 On/Off)
• PD5 : LED Yellow (Timer0의 OC0B Pin으로 동작. PWM 출력 나옴)
• PD6 : LED Red (Timer0의 OC0A Pin으로 동작. PWM 출력이 나옴)

나머지는 지난 번과 동일합니다.

그럼, Proteus로 동작을 시켜보겠습니다.

[Proteus VSM 시뮬레이션 동영상]

어떤가요? Duty Rate(On/Off 시간)가 변하는 것이 보이나요?

보이면, PWM 신호를 구분할 수 있는 능력이 생긴겁니다.

좀더 확실한 이해를 위해서 아래에 그림을 하나 캡쳐했습니다.

오실로스코프에서...

• 분홍색 - PD5(OC0B)
• 파랑색 - PD6(OC0A)
• 노란색 - PD0

아래 스코프 그림을 보면, 분홍색과 파란색의 Duty Rate가 다릅니다. 제가 아래 소스코드에서 OC0A와 OC0B의 Duty Rate를 반대로 움직이도록 코딩했거든요. 그래서, 한쪽의 듀티레이트가 서서히 증가할 때(256단계로 증가함) 다른 한쪽은 서서히 감소합니다.

PWM 주파수는 대략 122Hz 정도로 셋팅했죠.(아래 소스코드를 보면 다~~ 나옴)

노파심에 간단히 계산해 봅시다.

Master Clock Freq. = 8 Mhz = 8000000 Hz

Prescale = 1/256

Timer0 TOP value = 256 (Timer0 의 Fast PWM mode with fixed TOP value)

PWM 주파수 = Master Freq / Prescale / Timer TOP value 

                   = 8000000 / 256 /256 = 122.07 Hz

그래서, 아래 그림에서 스코프의 X축 Time Scale은 2ms/Div입니다. 즉 한 칸당 2ms 입니다.

그러므로, 주기는 노락색이 5칸(10ms), 파란색이 약4칸(8ms), 분홍색도 약4칸(8ms)

참고로, 아래에 소스 코드를 첨부합니다.

소스코드 설명은 다음에 시간날때 한번 할 예정입니다.

이만 총총.

------------------------------------------------------------------------

[Source code at Atmel Studio6.0]

#define F_CPU 8000000L   

#include <avr/io.h>

#include <avr/sfr_defs.h>

#include <util/delay.h>

#include <avr/interrupt.h>

#define BYTE unsigned char

// -------------------------------------------------------

// Timer 0 ISR Routine

// -------------------------------------------------------

BYTE t0cnt = 0;

BYTE UDFlag = 0;

ISR(TIMER0_COMPA_vect)  // PD6: CH4 PWM out

{

// nothing

if(UDFlag == 0)

{

t0cnt++;

OCR0A = t0cnt;

if(t0cnt == 255) UDFlag = 1;

}

else

{

t0cnt++;

OCR0A = 256 - t0cnt;

if(t0cnt == 255) UDFlag = 0;

}

}

ISR(TIMER0_COMPB_vect)  // PD5: CH5 PWM out

{

// nothing

OCR0B = 256 - OCR0A;

} 

// Timer0 Init

void init_TM0_FPWM_mode()

{

// TOP = 255(0xFF)

// WGM02:00 = 011 (FPWM mode)

// CS02:00 = 100 (Prescale = 256 ) --> 122Hz(about 8ms = 8000000/256/256 = 122)

// Pin mode = None inverting mode

TCCR0A = _BV(WGM01) | _BV(WGM00); // Mode : Fast PWM

TCCR0A |= _BV(COM0A1) | _BV(COM0B1); // PWM Out Pin Mode: None Inveting mode

TCCR0B = _BV(CS02); // Prescale = 1/256

TCNT0 = 0; // 초기값 넣기(안넣어도 되지만, 확실히 하기 위해서)

OCR0A = 1; // 안넣어도 됨. 하지만, None inverting mode에서 0값은 튀는 값이라서 1로 넣어줌.

OCR0B = 1; // 위와 마찬가지.(상동)

TIMSK0 = _BV(OCIE0A) | _BV(OCIE0B); // Set interrupt mask : Output Compare Interrupt Enable 0A, 0B

}

int main(void)

{

cli(); // 모든 인터럽트 정지.

DDRD = 0xFF; // 모두 출력으로 설정.

PORTD = 0x00; // 출력 초기값은 Off(0V)로 설정.

init_TM0_FPWM_mode(); // Timer0의 초기화 함수. (위에 정의 한 것들)

sei(); // 모든 인터럽트 활성화

    while(1)

    {

        //TODO:: Please write your application code 

_delay_ms(10); // Delay 100ms

PORTD ^= _BV(PD0); // PD0 비트를 XOR 함. 즉, 토글되도록 함. 그래야 LED 깜박임.

    }

}

7. AVR(Atmega)와 Proteus의 만남 - LED를 숨쉬게 하자!! 터미네이터의 눈처럼.. PWM 제어하기!! 1부

오랫만에 글을 다시 올립니다. 이래 저래 정신이 없다보니... 변명 아닌 변명이네요.

오늘은 무엇을 할꼬 하니... 지난 시간에 했던 LED를 좀 더 고급스럽게 제어를 하려고 합니다. 고급스럽게 제어한다고 함은... LED를 좀 더 부드럽게 깜박인다고 할 수 있죠..

혹시, 영화 터미네이터의 빨간 눈알을 기억하시나요?
터미네이터의 전원이 꺼질무렵 빨간 눈빛이 서서히 어두워지고, 다시 살아날때는 다시 서서히 밝아지는 거요..

   

느낌이 잘 와닿지 않으시다면.. 음... 크리스마스 트리 장식용 LED를 생각하시면 금방 이해가 갈 겁니다. 서서히 환해졌다가 서서히 어두워지는 패턴을 반복하는 것 기억나시죠? 그런 것들이 모두 PWM 방식으로 LED(또는 모든 전구)를 제어 하는 것이죠.

그럼, PWM이란 무엇인가?? 한번 알아봅시다.

• PWM = Pulse Width Modulation (펄스 폭 변조)

간단히 용어를 음미해 보면,, 펄스의 폭을 변화시킨다는 거죠? 맞습니다. 그게 끝입니다.

즉, 펄스의 ON되는 폭을 늘였다 줄였다 하는 것이죠. 역으로 생각을 해보면, OFF되는 시간이 줄었다 늘었다 하는 것으로도 생각할 수가 있죠. 아래 그림을 보시죠.

펄스(Pulse)는 주기가 있죠. 위의 예에서는 1/500sec이므로 2ms입니다. 

• 주기(Period) = 2ms (1/500 sec)
• Pulse ON Time
• 1번 = 2ms x 5% = 0.1ms
• 2번 = 2ms x 50% = 1.0ms
• 3번 = 2ms x 90% = 1.8ms

이와 같이, 펄스의 폭을 변화시킴으로써 5V를 유지시키는 시간을 변화시킬 수 있는 것이죠. 만약, 위의 펄스가 LED를 구동시키는 입력이라면, 1번 보다는 2번이 더 밝을 것이며, 2번 보다는 3번이 더 밝겠죠. 

좀더, 재밌게 해보자면, 입력 순서를 아래와 같이 하면 어떨까요?

입력순서: [1번 --> 2번 --> 3번 --> 2번 -->1번 --> 2번 --> 3번 --> ....]

그러면, 예상하시듯이 LED 불빛이 점점 밝았지다가 다시 점점 어두워지고, 다시 점점 밝아지고.. 어두어지고... 이렇게 무한 반복을 하겠죠.^^ 이것이 곧, 숨쉬는 LED의 원리 입니다.

오우케이!! 여기까지는 다 이해하겠는데... 도대체 어떻게 저런 파형을 내 맘대로 제어할 수 있는거죠? 이런 의문이 당연히 들겠죠. 맞습니다. 당연히 이런 의문을 가져야죠. 그리고 그 방법을 찾아 보는 노력을 하는 것이 엔지니어(공학자)의 역할 아닌가요?

우리의 수고를 덜어주기 위해서, Atmel사에서는 친절하게도 아주 편리한 Atmega 칩을 만들어서 그 속에 아주 강력한 타이머(Timer) 기능을 구현해 놓았습니다. 우리는 그 사용법을 조금 공부하고 편하게 쓰면 그만인 거죠. 물론, 그 원리는 알고 써야곘죠.

그럼, 데이터시트를 한번 보시죠.

위 데이터시트를 보면, 타이머/카운터 제로(Timer/Counter 0)는 여러가지 기능이 있습니다. 우선 8비트 크기이며, Timer0에는 두개의 독립적인 출력비교 장치(Output Compare Unit)가 있습니다. 즉, Timer0 하나를 가지고 두개의 출력(독립적)을 낼 수 있죠. 좀 더 쉽게 얘기하자면, Timer 0를 써서 두개의 LED를 구동할 수 있습니다. 그것도 각각 따로따로. 어떤가요? 좋지 않나요. 타이머0의 블럭다이어그램은 아래와 같습니다.

각 레지스터(Register)의 기능을 간단히 설명할께요.

• TCNTn 
• Timer CouNTer 이것은 0부터 255까지 1씩 증가. 다시 0 --> 255 증가.
• 물론, 증가를 하기 위해서는 Tn(Clock)이 들어와야 하죠.
• Tn 앞단에는 Prescaler(분주기)가 있죠? 이것을 통해서 클럭 속도를 줄일 수 있어요.
• 예를 들면, Tn = 8Mhz, Prescale = 1/8 이면 clkTn = 1Mhz가 되죠. 이것에 맞춰서 Edge Triggering에 맞춰서 TCNT 레지스터의 값이 1씩 증가하는 거겠죠..
• OCRnA
• Timer0의 경우에는 OCR0A라고 써야겠죠. 
• 의미는, Output Compare Register 우리말로 하면, 출력 비교 레지스터(저장소)
• 예를들어, OCR0A = 100 이라고 하면 TCNT0의 값이 0부터 시작해서 쭉 증가하다가 100에 도달하면 뭔가 내부적으로 비교일치(Compare Match)신호가 발생해요. 비교일치신호는 s/w내부적으로는 인터럽트(Interrupt)로 발생하고 외부적으로는 OC0A Pin에 신호가 나오죠.(즉, 예를들면,0V에 있다가 비교일치가 발생하면 5V로 바뀌는 것. 그 반대의 경우로도 설정하여 동작할 수도 있음. 설정하기 나름이죠.) 이후 TCNT0는 100을 넘어서 255까지 쭉 증가하다가 다시 0부터 시작하죠. 그리고 또 100에 도달하면 또 비교일치신호 발생. 이렇게 무한번 반복하는 것입니다. 그것도 아주 빠르게...
• 위의 블록다이어그램에서 보면 OCR0A와 TCNT0가 화살표로 등호(=)표시가 있죠? 이 의미가 서로 비교해서 같으면(equal = ), 오른쪽 화살표가 쭉~~ 가서 하나는 OC0A(Int. req= Interrupt request)에서 s/w인터럽트로 발생하고, 또 하나는 waveform generator를 거쳐서 OC0A pin을 통해서 전기적 신호(0V 또는 5V)로 나오는 것입니다. 설명이 기네요....^^
• OCRnB
• 바로 위의 OCRnA와 동일합니다. 이렇게 A, B 두 가지가 있으므로, 독립적으로 두개의 신호(OCnA, OCnB)가 발생하는 것이죠. 물론, OC0B 핀에서는 전기적 신호가 발생하구요.
• 나머지는 위의 OCRnA와 동일합니다.
• TOVn(Int. req.)
• 이것도 뭔가 신호가 발생한 것이죠. 근데 이름이 Timer OVerflow 입니다. 즉, TCNT의 값이 넘치면(Overflow)되면 발생하는데... 넘친다는 의미가 뭘까요?
• 그건, TCNT의 사이즈가 8비트 이므로 0부터 255까지 증가하다가 그 다음이 0으돌아가죠. 이때, 255 --> 0으로 바뀔때가 Overflow입니다. 이때 s/w 인터럽트가 발생하고 s/w 내부적으로 이 순간에 뭔가 원하는 동작을 할 수 있습니다.
• TCCRnA, TCCRnB
• 이건, 제어를 위한 레지스터 입니다. 두 개가 있느네요.
• Timer Counter Control Register 란 뜻입니다.
• 제어 레지스터에 몇가지 설정을 하는데.. 별 것 없어요.
• 세가지만 확실히 설정하면 끝!!
• 1. Timer0의 동작 모드 결정하기 --> WGM00, WGM01, WGM02
• 2. Prescale(분주비) 정해주기 --> CS00, CS01, CS02
• 3. 출력핀 사용 여부 결정하기 --> COM0A1, COM0A0 또는 COM0B1, COM0B0

그럼, 차례대로 아래 그림을 보죠.

첫번째, Timer0의 동작모드 결정(WGM00, WGM01, WGM02)

여러가지 모드가 있죠? 근데, 보통 자신이 자주 사용하는 모드가 있더라구요. 

제가 자주 쓰는 모드는 아래 붉은색 부분입니다. Fast PWM.

2. Prescale(분주비) 정해주기 --> CS00, CS01, CS02

TCCR0B의 오른쪽 3비트가 분주비(Prescale)을 결정합니다. Maser Clock이 주파수가 너무 높으면, Timer를 동작시키기 위한 원하는 주파수로 조금 낮출 수 있어요.

예를들어, Master Clock 주파수가 8Mhz라고 하고, Prescale을 1/64로 하고 싶다면 아래 표15-9에서 처럼 선택하면 됩니다. 그러면, 실제 Timer0로 입력되는 주파수는 8M/64 = 125khz입니다. 이런 식으로 주파수를 낮출 수 있어요. 만약 그냥 8Mhz 넣고 싶다면 CS00=1로만 하면 되죠. 즉, no prescaling.

3. 출력핀 사용 여부 결정하기 --> COM0A1, COM0A0 또는 COM0B1, COM0B0

만약, Timer0의 비교일치(Compare Match) 신호를 외부 핀으로 전기적 출력(간단히 말하면, 0V, 5V의 전기적 출력)으로 하고 싶을 경우 설정하죠. 

간단히 예를들어, Timer0가 fast PWM으로 설정되었을 경우, COM0A1=1, COM0A0=0으로 설정하면,, TCNT0 = OCR0A 와 값이 비교일치(Compare Match)할 때, OC0A 핀으로 출력이 나옵니다. 어떻식으로 나오느냐? 아래 설명을 읽어보세요.

(원문)

"Clear OC0A on compare match, set OC0A at BOTTOM, (non-inverting mode)"

(해석)

"OC0A 핀(12번 핀: PD6 )을 클리어(논리적으로는 0, 전압으로는 0V)하고, TCNT0 = BOTTOM(0 즉 zero)일 때, 셋(set)한다.(논리적으로 1, 전압으로는 5V)"

이해 되시나요?

(atmega 168)

아무튼,, 오늘은 여기까지 해야겠네요.

글을 쓰다보니, 잔소리가 늘어서 길어지네요.

조만간 다음 글을 쓰겠습니다.

이만 총총.

6. AVR(atmega168) 프로그래밍 하기 - ISIS Proteus 사용해서 LED 켜보기.

좀 바뻤던 핑계로 이제 다시 글을 씁니다.
이번에는 Atmega168에 프로그램밍을 하도록 하려고 합니다.
그런데, 실물 하드웨어를 납땜해서 만들기 보다는(물론, 이미 갖고 놀만한 실물은 있지만..) Proteus를 사용해서 돌려보려고 합니다. 코드는 Atmega Studio 6.0을 사용할 거구요.

그럼, 오늘 할 것을 간단히 소개합니다.

1. 주제: Atmega168을 이용해서 LED 깜박이기
2. 준비물

• ISIS Proteus 7.0 (아니면, 더 좋은 버전으로)
• Atmega Studio 6.0 (아니면, 더 좋은 버전으로)
• 끝.

3. 어떻게?

• Proteus로 간단히 회로를 그린다.
• Atmega Studio로 간단한 코딩을 한다.
• 컴파일하고, ELF파일을 Proteus에 연결한다.
• 그리고, Simultation 버튼을 누른다.
• 끝.

말로만 하니까 뭔가 와닿지가 않죠? 그럼, 아래 그림을 보세요.

이것이  프로테우스로 시뮬레이션을 하기 위한 회로도 입니다.

회로는 최대한 간단하게,, PD0에는 LED(Green)을 연결했고, Reset을 위한 간단한 회로와 전원 연결 표시용 LED(RED)만 되어 있지요.

Green LED를 구동시키기 위해서는 PD0(Port D의 0번째)에 On(0V), Off(5V) 신호만 해주면 LED가 깜박이겠죠. 즉, Green LED(D3)의 Anode(양극:삼각형 표시쪽)가 R13에 연결되어 Vcc(5V) 전원단에 연결되어 있잖아요.. 그리고, Green LED의 Cathode는 PD0에 연결되어 있지요. 따라서, PD0의 출력상태(On or Off)에 따라서 Green LED는 켜지거나 꺼지는 거죠.

다시 요약하면,

PD0 = Off(0V) --> Green LED 동작 --> 켜짐.

PD0 = On(5V출력) --> Green LED 미동작 --> 꺼짐.

아시겠죠?

참고로, LED 사용시는 대략 200~300오옴 정도의 저항을 붙여 주세요. LED오래 쓰시려면요.

안그러면, 훌러덩 맛이 가는 사태가 발생할 수 있어요.

왜그러냐구요?

일반적으로 다이오드(LED도 다이오드니까..)는 forward voltage조건이 넘어서면 미친듯이 전류가 증가하죠. 다이오드 특성그래프 한번 찾아 보세요. 대충, 0.6V 넘어서면 훌러덩 전류가 급증하잖아요. 그러다보니, 얘를 제어할 필요가 있죠. 한마디로, 다이오드는 조울증 환자에요. 어떤때는 Off였다가 조금만 기분이 맞으면(즉, Forward voltage조건 충족시) 금새 미친듯이 전류가 증가해요. 그래서, 약이 필요한데,, 그것이 바로 R13 저항이죠. 

내친김에, 아래 스펙을 보세요. Green LED의 것인데, Vf=2.2V, If = 10mA 정도죠.

그럼, Green LED에 흐르는 전류를 계산해봅시다. 

I(D3) = (Vcc - Vf) / R13 = (5.0 -2.2) / 220 = 12.7 mA 

(시뮬레이터에서는 11.5mA 로 나오네요)

아무튼, 이렇듯 LED 사용시에는 LED를 보호하기 위한 전류제한용 저항을 꼭 잊지 마세요.

그럼, 소스코드를 좀 보겠습니다. Atmega Studio 6.0 을 사용하고 있습니다.

(Atmega Studio 관련해서는, 제가 지난 글 올린 것 참조하세요)

보시면, 직관적으로 알 수 있습니다. 순서를 간략히 얘기하자면,

1. PORTD의 입출력 모드를 설정해주고,
2. PORTD의 초기값을 넣어 주시고, (물론, 이 경우에는 PD0의 값만 넣어도 됨)
3. 무한루프(while(1))에 원하는 코드 넣기.(XOR을 사용하여 PD0를 토글 시킴)

참고) 깜박이는 것이 보이게 하기 위해서 Delay 100ms를 넣어줌. 안그러면 너무 빨라서 안보임.

Proteus에는 오실로스코프도 준비되어 있어서,, PD0를 파형을 한번 볼께요.

정확히, 100ms 단위로 On/Off 되지요.

이왕 한김에, 동영상도 캡쳐했어요. 보시죠.

오늘은, 여기까지 하구요..

앞으로 조금씩 글을 올리면서 재밌는 것을 해볼께요.

저도 좀 자료도 찾아보면서 공부를 좀 해야 겠네요..^^

그럼, 이만 총총.