[아두이노] 택스위치와 디바운싱(debouncing)

 택스위치에 대해서는 이전 포스트에서 기본적인 내용을 다루었다. 여기에서는 인터럽트를 이용해서 스위치를 누를 때마다 LED가 토글(toggle)되는 프로그램을 작성하도록 하겠다. 즉, 스위치 신호의 폴링 에지 (falling edge)에서 LED의 출력 신호가 반전되도록 하는 프로그램을 작성하도록 하겠다.

터치센서와 다르게 기계적인 접점을 갖는 스위치는 점점이 붙거나 떨어지는 순간에 바운싱(bouncing) 현상이 있다. 이것은 접점이 붙거나 떨어지는 그 짧은 순간에 접점이 고속으로 여러 번 on/off 되는 현상을 말하며 기계적인 스위치라면 반드시 발생하는 현상이다. 이것은  짧은 순간(약 100ms 이내임)에 여러 번 접점이 붙었다가 떨어지는 것을 반복하므로 의도하지 않게 인터럽트가 여러 번 발생할 수 있으므로 이러한 바운싱 현상을 제거해야 올바르게 동작하는데 이것을 디바운싱(debouncing)이라고 한다.

 다음 그림에서 하단의 그림이 바운싱을 도시한 것이고 이것을 제거한 깨끗한 신호가 상단에 도시되어 있다.

[그림 1] (a) 디바운싱 (b) 바운싱 현상

<- 디바운스된 신호 <- 기계적 접점의 바운싱 현상

 디바운싱하는데 여러 가지 방법들이 알려져 있는데 크게 두 가지로 분류할 수 있으며 하드웨어적인 방법과 소프트웨어적인 것이다. 하드웨어적인 방법은 RC 저역 필터를 슈미트트리거나 디지털 인버터에 직결한 후 이 신호를 포트 핀에 연결하는 방법인데 아래의 회로도가 대표적인 것이다.

[그림 2] 디바운싱 회로

대표적인 디바운싱 회로도 RC 필터와 슈미트트리거가 직결되어 있다. 이 회로도를 사용하면 아두이노의 내부 풀업 저항은 사용하지 못한다.

 하지만 아두이노와 같은 프로세서가 사용된다면 부가적인 디바운싱 회로 없이 소프트웨어적으로 이것을 구현하여 불필요한 인터럽트를 억제할 수 있다. 여기에서는 그 방법에 대해서 설명하도록 하겠다.  기본적인 아이디어는 ISR 함수 안에서 바운싱이 없어질 때 까지 기다렸다가 스위치 신호를 다시 읽어서 정상 호출된 것인가 아닌가를 판별하는 것이다.

falling edge 의 경우 디바운싱

 만약 INT0핀에 택스위치를 연결하고  폴링 에지에 인터럽트가 걸리도록 설정되었다고 가정하자.

attachInterrupt(INT0, toggleLed, FALLING);

 ISR 함수 처음에 바운싱이 안정될 때 까지 일정시간(80ms 정도가 적당하다.) 지연시킨 후 다음과 같이 스위치 신호를 읽은 다음 그것으로 올바른 인터럽트 호출인가를 판단한다.

void isr() {    _delay_ms(80);    if (digitalRead(SW)==HIGH) return;    <실제 인터럽트 처리 루틴>    ,,, }

 이 코드를 보면 80ms 지연시킨 이후에 스위치 값을 읽어 HIGH라면 잘못 호출된 것으로 판단하고 아무 일도 않고 리턴한다. 즉, 이 경우는 rising edge의 바운싱 구간에서 호출된 것으로 판단하는 것이다. 반대로 80ms 지연시킨 이후에 스위치 값이 LOW라면 falling edge에서 정상 호출된 것으로 간주하고 이후에 있는 인터럽트 처리 루틴을 실행시키는 것이다.

 이 방법은  손으로 버튼을 조작하는 경우 정밀한 제어가 필요치 않으므로 필자의 경험상 너무 빠르게 버튼을 동작시키지 않는 한 대부분 정상 작동한다.

 이 설명에서 처음 소개하는 함수가 있는데 바로 _delay_ms() 함수이다. 이름을 보면 지연시키는 함수라는 것을 알 수 있을 텐데 왜 아두이노의 표준 함수인 delay() 함수 대신 이 함수를 사용했는지 의문이 들 것이다. ISR함수 안에서 아두이노의 시간관련 함수인 다음 함수들은 정상 동작하지 않는다.(주의!)

delay(), delayMicrosecond(), millis(), micros()

이 함수들은 내부적으로 타이머 인터럽트를 사용하므로 ISR안에서는 작동할 수 없다. 이유는 ISR이 호출되는 순간 인터럽트가 자동으로 막히고 ISR의 끝나야 인터럽트가 다시 가능하게 되기 때문이다. avr에 대한 지식이 있다면 이해가 쉽게 가겠지만 일단은 위 함수들은 ISR 안에서 정상 동작하지 않는다고만 알아도 된다. 이것은 필자가 구글링을 해 보고 직접 실험으로 확인한 사실이다.

 반면에 _delay_ms()함수는 단순히 소트프웨어적으로 지연을 시켜주는 함수라서 ISR안에서도 정상 작동한다. 단, 이 함수를 사용하기 위해서는 다음과 같이 헤더 파일을 인클루드 시켜야 한다. (avr-gcc에서 사용되는 유틸리티 라이브러리이다.)

#include<util/delay.h>

전체 프로그램은 다음과 같다.

#include<util/delay.h> #define SW 2 void setup() {          pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);          pinMode(SW, INPUT_PULLUP);          attachInterrupt(INT0, toggleLed, FALLING); } void loop() { } void toggleLed() {  _delay_ms(80);  if (digitalRead(SW)==HIGH) return;  digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN)); }

 스위치의 디바운싱은 고전적이만 해결하기 꽤 까다로운 문제이다. 하지만 여기서 소개한 방법을 사용하면 대부분의 경우 잘 동작한다.

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