Quick Reference "Jellibi = Arduino Nano"

JellibiSample 저장소(https://github.com/signaled/JellibiSample) 는 아두이노나노 호환보드인 젤리비보드를 이용하여 주행로봇, 그리퍼등을 구현하는 샘플코드가 있습니다.

이 문서에서는 샘플코드를 이해하거나 사용하는 데 필요한 아두이노 플랫폼에 대한 간단한 설치 및 설정 방법을 소개합니다. 그리고 아두이노 플랫폼을 통해 로봇젤리비를 움직이거나 그리퍼를 조작하는데 필요한 기초적인 제어과 제어신호를 만들어 내는 방법에 대해 설명합니다.

아두이노 설치 및 젤리비보드 연결

아두이노의 역사나 원리등의 배경지식은 여기서(wikipedia) 살펴 볼 수 있습니다.

• 아두이노 설치

  • 윈도우즈의 마이크로소프트 스토어, 우분투의 소프트웨어 센터에서 아두이노를 설치 할 수 있습니다.
  • 또한 아두이노의 공식 홈페이지(https://www.arduino.com)에서도 아두이노 툴의 설치파일을 다운로드 받아 설치합니다.

• 아두이노 실행 및 젤리비 보드 연결

  • 아두이노와 젤리비보드의 연결은 시리얼포트를 통해 연결됩니다. 젤리비보드의 마이크로 USB 단자와 PC 의 USB 단자를 연결하면 윈도우는 젤리비보드와 연결할 수 있는 시리얼 포트를 만들어 준비합니다.
    • 이 과정에서 "CH340" USB to Serial 칩셋 드라이버를 PC 에 설치 할 필요가 있습니다. 젤리비보드는 윈도우와 같은 OS 에서 시리얼 포트를 만들어 젤리비보드와 연결하도록 알려주는 "CH340" 칩셋을 가지고 있습니다.
  • 윈도우의 장치 관리자에서 시리얼 포트의 이름(번호)를 확인하여 아두이노 툴에 적용합니다. ex. COM1
  • 아두이노를 실행 한 후 메뉴 > 툴 > 포트 에 장치 관리자에서 확인한 시리얼포트를 선택합니다.
    • 메뉴 > 툴 > 보드 메뉴에 아두이노 나노(Arduino Nano) 를 선택합니다.
    • 메뉴 > 툴 > 프로세서 메뉴에는 Atmega328P(Old bootloader) 를 선택합니다.

• 기본 소스코드

  • 아두이노는 처음 실행할 때 두개의 빈 함수를 준비해 줍니다.

    void setup() {
        
    }
    
    void loop() {
        
    }

  • setup 함수는 젤리비보드가 동작을 시작할 때 처음에 한번 호출 되는 함수입니다.
    이 함수 안에는 동작을 준비하는 각종 초기화 코드를 적어 줍니다.

  • loop 함수는 setup 함수가 호출 된 이후 계속해서 호출되어 동작하는 함수입니다.
    이 함수 안에는 젤리비보드의 동작 내용을 코딩합니다.

• 젤리비보드에 코딩 적용

  • setup 함수와 loop 함수를 모두 작성한 후 컴파일 및 다운로드하여 젤리비 보드를 움직일 수 있습니다.

  • 아두이노 툴의 메뉴 > 스케치 > 확인/컴파일 메뉴를 선택하여 코드를 컴파일하고 젤리비보드에서 사용할 코드를 만듭니다. 이 때 코딩에 오류가 있을 경우 화면 하단에 오류내용을 표시하여 알려줍니다.

  • 컴파일에 오류가 없으면 젤리비 보드에 코딩을 적용합니다. 아두이노 툴의 메뉴 > 스케치 > 업로드 를 선택하면 (컴파일하여) 업로딩을 진행합니다.

  • 문제없이 업로드가 완료되면 곧 코드가 실행됩니다.

아두이노에서 젤리비보드의 신호를 읽고 쓰기

젤리비보드에 연결된 버튼의 입력을 받고 LED 를 켜고 서보를 움직이며 모터를 돌리기 위한 몇 가지 신호와 이 신호를 해석하는 방법에 대해 이해를 하면 코딩에 도움이 됩니다.

젤리비보드에 가운데에는 정사각형 모양의 검은색 칩이 하나 있습니다. 이 칩 이름은 "ATmega 328P" 입니다. 우리가 아두이노 툴에서 작성한 코드를 컴파일하여 다운로드 하면 그 코드를 동작시키는 조그마한 프로세서(Micom) 입니다. 이 칩에 32개의 다리가 달려 있는데 이 다리를 ''핀(Pin)'' 이라고 칭합니다. 이 핀들에는 (직류)전원을 받도록 설계 된 핀도 있고, 접지(GND) 로 연결되는 핀도 있습니다. 또 버튼으로 연결되어 버튼의 상태를 알아 낼 수 있는 핀도 있으며 CDS (조도) 센서와 연결되어 주변 밝기를 알아낼 수 있는 핀도 있습니다.

이런 핀들에 신호가 어떤식으로 들어오고 나가는지 또 신호를 해석하는 아두이노의 방법등을 소개합니다.

GPIO (General Purpose Input/Output)

GPIO 는 가장 간단히 신호를 주고 받는 형태 입니다. 핀(포트) 과 연결된 선로의 상태를 LOW(0) 또는 HIGH(1) 두가지로 감지 또는 제어하는 방법입니다.

젤리비 보드에서 GPIO 는 버튼과 LED 를 제어하는데 사용됩니다. 또 모터의 회전방향을 제어하는데에도 사용됩니다.

버튼의 눌림 여부에 따라 버튼과 핀(포트) 사이의 선로는 전기적으로 3.3V(HIGH, 1) 또는 0V(LOW, 0) 로 바뀌게 됩니다. 이 전기적인 변화를 GPIO 입력 으로 감지하여 버튼의 눌림 여부를 판단 합니다.

버튼과는 반대로 젤리비의 핀(포트)을 GPIO 출력 으로 제어하면 연결되어 있는 LED 를 켜거나 끌 수 있습니다.

void setup() {
    // 아두이노 에서는 핀을 GPIO 로 동작하도록 pinMode 함수로 초기화 합니다. 
    // pinMode 의 인자로 핀이름(번호) 와 제어 방향(입력/출력) 을 설정할 수 있습니다.
    pinMode(A1, INPUT); // 젤리비 보드의 버튼과 연결된 A1 핀을 GPIO 입력으로 설정합니다.
    pinMode(11, OUTPUT); //젤리비 보드에 LED 와 연결된 D11 핀을 GPIO 출력으로 설정합니다. 
}

void loop() {
    // 버튼을 누르면 A1 핀과 연결된 선로를 LOW 로 변경합니다. 
    // A1 핀(포트) 의 상태를 읽어들이는 함수로 아두이노에서는 digitalRead 를 사용합니다. 
    // digitalRead 함수의 인자로 핀이름(번호) 를 적어주고 
    // 응답으로 리턴값으로 HIGH(1) 또는 LOW(0) 를 받을 수 있습니다. 
    if (LOW == digitalRead(A1)) {
        // digitalWrite 함수를 사용하여 연결된 선로의 상태를 변경할 수 있습니다. 
        // 11번 핀의 상태를 HIGH(1) 로 변경함으로써 LED 를 켜게 됩니다.
        digitalWrite(11, HIGH);  
    } else {
        digitalWrite(11, LOW);
    }
}

ADC (Analog Digital Converter)

ADC 는 핀(포트) 에 입력되는 전기적 신호가 얼마나 크고 작은지(전압이 얼마나 크고 작은지)를 수치화하는 방법을 제공합니다. 핀 이름이 A 로 시작하는 핀이 ADC 를 적용할 수 있는 핀(포트)입니다. 젤리비 보드에서 ADC 로 사용하는 핀은 CDS 센서(조도 센서)가 연결되어 있는 "A2" 포트, 센서 보드에 장착된 IR 센서와 연결된 "A3" / "A6" / "A7" 포트 등이 있습니다. ADC 를 할 수 있는 능력이 있는 이러한 포트들을 아두이노에서는 아날로그포트 라고 부르며 이름의 첫번째에 'A' 를 붙여 부릅니다.

CDS 센서(조도 센서, A2) 나 IR 센서 모두 빛을 감지하는 센서 입니다. 밝고 어두움의 정도를 ADC 를 이용하여 수치화 하고 프로그램에서 활용합니다.

void setup() {
    Serial.begin(115200);
	// 아두이노의 아날로그포트를 ADC 용도로 사용할 경우 
    // GPIO 초기화와 같이 pinMode 로 설정할 필요는 없습니다. 
}
void loop() {
    // A2 에 연결된 조도센서에서 밝기의 정도를 ADC 함
    // 아두이노에서 아날로그포트의 값을 ADC 할 때 analogRead 함수를 사용합니다.
    // 응답값의 범위는 0 ~ 1023 입니다. 최대값이 1023인 이유는  
    // 칩(Atmega328P) 의 구성에 따라 달라지게 됩니다. 
    int level = analogRead(A2);
    Serial.print("CDS Level :");
    Serial.println(level);
}

PWM (Pulse Width Modulation)

PWM 은 주기를 가지는 파형을 이야기 합니다. 젤리비 보드에서는 이 PWM 파형을 만들어 모터(주행용 DC 모터, 그리퍼용 서보모터) 의 회전 속도 또는 회전 각도를 제어합니다. 또 LED 의 밝기도 제어할 수 있습니다.

PWM 은 주기(Period) 와 듀티비(Duty ratio) 로 구성되는데, 주기는 한펄스가 만들어지는데 소요되는 시간이며 듀티비는 한펄스 에서 HIGH 인 구간이 얼마나 차지하는지(또는 LOW인 구간이 얼마나 되는지)를 나타내는데 이 두가지로 파형이 어떻게 생겼는지 판단할 수 있습니다.

이 PWM 파형을 젤리비보드의 핀(포트)에서 만들어내고 모터를 제어하는 모터 드라이버 IC 에 전달합니다. 모터 드라이버 IC 는 PWM 파형을 읽어 듀티비(Duty Ratio) 을 알아내고 이를 모터의 회전속도를 제어하는 데 사용합니다.

LED 와 연결된 핀(포트) 에서 PWM 을 만들어내고 듀티비에 조작하면 LED 의 밝기가 변화됩니다.

젤리비보드에서는 주기는 제어하지 않고 듀티비만을 조작하여 모터를 제어합니다.

void setup() { 
    // 5, 6, 10, 11번 핀에서 PWM을 출력하기 위해   
    // 핀 속성을 OUTPUT 으로 설정합니다.
    pinMode(5, OUTPUT);
    pinMode(6, OUTPUT);
    pinMode(11, OUTPUT);
    pinMode(10, OUTPUT);
}
void loop() {
    // 5번핀 과 6번핀에 연결된 모터를 가감속합니다.
    // 10번핀과 11번핀에 연결된 LED의 밝기를 조정합니다.
    // 최대값은 255 이고 이때 듀티비는 100% 입니다.
    // 128 일 때에는 50%, 0일 때에는 0% 입니다.
    for (int i=0;i<255; i+=5){
        analogWrite(5, i);
        analogWrite(6, i);
        analogWrite(11, i);
        analogWrite(10, i);
        delay(50);
    }
    
    delay(100);
    // 5번핀과 6번핀에 연결된 모터를 감속함
    for (int i=255; i>=0; i-=5) {
        analogWrite(5, i);
        analogWrite(6, i);
        analogWrite(11, i);
        analogWrite(10, i);
        delay(50);
    }
    delay(100);
}

젤리비보드는 위에서 설명한 세가지 제어 신호 및 해석 방법으로 모든 동작을 완성할 수 있습니다.

그리퍼를 사용하기 위해 서보모터를 제어할 경우 아두이노의 Servo 라는 이름의 라이브러리를 사용합니다. Servo 라이브러리를 사용하더라도 실제로 PWM 신호를 만들어내어 제어한다는 사실을 이해하고 있으면 코드를 작성하고 이해하는데 도움이 됩니다. 버튼을 사용할 때도 GPIO 입력을 통해서 버튼의 상태를 읽을 수 있다는 사실을 이해하며 코딩을 하면 젤리비를 통해 원하는 동작을 한층 쉽게 완성할 수 있습니다.