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2015년 11월 4일 수요일

아두이노의 tone() 함수로 멜로디 연주하기

아두이노에는 tone()함수가 제공되는데 부저나 스피커로 음을 발생시킬 수 있는 함수이다. 기본 문법은 다음과 같다.

tone(pin, freq [, duration]);

pin : 부저나 스피커가 연결된 디지털 핀번호
freq : 주파수 (범위 : 31 ~ 65535)
duration : (옵션) 음의 발생 시간

여기서 duration은 주파수 지속시간으로서 이 시간이 지난 후에 noTone()함수가 자동으로 호출되는 것과 같은 효과를 낸다. duration이 생략되면 noTone()함수가 호출될 때까지 음이 계속 발생된다. 예를 들어서 11번 핀에 부저가 연결되었다면 다음과 같이 한다.

tone(11, 262); // ‘도’음 발생

delay(500);

noTone(11);

이 코드는 ‘도’음을 0.5초간 발생시키는데 다음과 같이 할 수 있다.

tone(11, 262, 500);

이렇게 하면 음 발생 직후 다른 작업을 수행할 수 있으며 500ms후에는 내부 인터럽트가 발생하여 음발생이 자동으로 정지된다. 하지만 단음만 생성할 경우에는 상관없지만 연속음을 생성할 경우에는 주의해야 한다.

tone(11, 262, 500); // ‘도’음

tone(11, 294, 500); // ‘레’음

tone(11, 330, 500); // ‘미’음

이렇게 하면 맨 마지막의 ‘미’음만 발생하게 된다. (왜?) 따라서 올바른 동작을 위해서는 다음과 같이 해야 한다.

tone(11, 262); // ‘도’음 발생

delay(500);

tone(11, 294); // ‘레’음 발생

delay(500);

tone(11, 330); // ‘미’음 발생

delay(500);

noTone(11);

tone(11, 262); // ‘도’

delay(500);

tone(11, 294); // ‘레’

delay(500);

tone(11, 330, 500); // ‘미’

tone()함수는 내부적으로 타이머를 사용하므로 다음과 같은 점들을 주의해야 한다.

이 함수를 사용할 경우 3번 11번 핀의 PWM이 정상적으로 동작되지 않는다.
한 번에 하나의 주파수만 발생시킬 수 있으며 여러 핀에 동시에 다른 음을 발생시킬 수 없다.

특정 음에 해당되는 주파수를 일일이 숫자로 기입하는 것은 가독성 면에서 좋지 않으며 이를 개선하기 위해서 아두이노에서는 음의 주파수만을 모아놓은 “pitches.h”라는 헤더파일을 제공한다. 내용은 다음과 같다.

/*************************************************

* Public Constants

*************************************************/

#define NOTE_B0 31

#define NOTE_C1 33

#define NOTE_CS1 35

#define NOTE_D1 37

#define NOTE_DS1 39

#define NOTE_E1 41

#define NOTE_F1 44

#define NOTE_FS1 46

#define NOTE_G1 49

#define NOTE_GS1 52

#define NOTE_A1 55

#define NOTE_AS1 58

#define NOTE_B1 62

#define NOTE_C2 65

#define NOTE_CS2 69

#define NOTE_D2 73

#define NOTE_DS2 78

#define NOTE_E2 82

#define NOTE_F2 87

#define NOTE_FS2 93

#define NOTE_G2 98

#define NOTE_GS2 104

#define NOTE_A2 110

#define NOTE_AS2 117

#define NOTE_B2 123

#define NOTE_C3 131

#define NOTE_CS3 139

#define NOTE_D3 147

#define NOTE_DS3 156

#define NOTE_E3 165

#define NOTE_F3 175

#define NOTE_FS3 185

#define NOTE_G3 196

#define NOTE_GS3 208

#define NOTE_A3 220

#define NOTE_AS3 233

#define NOTE_B3 247

#define NOTE_C4 262

#define NOTE_CS4 277

#define NOTE_D4 294

#define NOTE_DS4 311

#define NOTE_E4 330

#define NOTE_F4 349

#define NOTE_FS4 370

#define NOTE_G4 392

#define NOTE_GS4 415

#define NOTE_A4 440

#define NOTE_AS4 466

#define NOTE_B4 494

#define NOTE_C5 523

#define NOTE_CS5 554

#define NOTE_D5 587

#define NOTE_DS5 622

#define NOTE_E5 659

#define NOTE_F5 698

#define NOTE_FS5 740

#define NOTE_G5 784

#define NOTE_GS5 831

#define NOTE_A5 880

#define NOTE_AS5 932

#define NOTE_B5 988

#define NOTE_C6 1047

#define NOTE_CS6 1109

#define NOTE_D6 1175

#define NOTE_DS6 1245

#define NOTE_E6 1319

#define NOTE_F6 1397

#define NOTE_FS6 1480

#define NOTE_G6 1568

#define NOTE_GS6 1661

#define NOTE_A6 1760

#define NOTE_AS6 1865

#define NOTE_B6 1976

#define NOTE_C7 2093

#define NOTE_CS7 2217

#define NOTE_D7 2349

#define NOTE_DS7 2489

#define NOTE_E7 2637

#define NOTE_F7 2794

#define NOTE_FS7 2960

#define NOTE_G7 3136

#define NOTE_GS7 3322

#define NOTE_A7 3520

#define NOTE_AS7 3729

#define NOTE_B7 3951

#define NOTE_C8 4186

#define NOTE_CS8 4435

#define NOTE_D8 4699

#define NOTE_DS8 4978

이 헤더파일은 전역 상수 정의로만 이루어져 있으므로 실행 파일의 용량을 증가시키진 않는다. 따라서 이 파일을 폴도에 복사한 후 인클루드시켜서 필요한 주파수를 사용하면 된다.

#include “pitches.h”

…

tone(11, NOTE_C3, 1000); // 3도 ‘도’음을 1초간 발생

...

이렇게 주파수(숫자) 대신 상수 이름을 사용하면 가독성이 높아지게 된다.

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c{ard},n{ad054}

2015년 7월 5일 일요일

자바(JAVA) 개요

자바(JAVA)는 컴퓨터 프로그래밍 언어 중의 하나로 썬마이크로시스템스(Sun Microsystems, 이하 썬) 라는 회사에서 개발하여 1996년 1월에 초기 버전이 발표된 객체 지향 (object-oriented) 언어이다. 썬의 제임스 고슬링, 아서 밴 호프와 같은 엔지니들이 처음 설계하였다고 알려져 있다.

[그림 1] 자바의 창시자인 제임스 고슬링과 마스코트(duke) 이미지

원래는 썬의 엔지니어들에 의해서 가전 제품에 탑재될 소프트웨어를 만들려는 목표로 1990년에 개발이 시작되었다. 프로젝트의 초기에는 C++을 확장하여 사용하려 했지만 적합하지 않다고 판단하여 C++의 장점은 취하고 단점은 보안한 새로운 언어인 Oak 가 만들어졌다. 이후에 인터넷에 적합하도록 개발 방향이 바뀌면서 자바로 이름을 바꾸고 정식 버전을 1996년 1월에 발표하였다. 인터넷이 보급되면서 운영 체제와 상관 없이 어디에서든 실행할 수 있는 자바의 특성과 자바 애플릿(applet)의 인기에 힘입어 널리 사용되기 시작하였다.

자바는 “Write once, run anywhere”라는 모토에 충실하여 한번 작성되어 컴파일된 실행 파일은 운영 체제와 상관없이 실행 가능하다. 이것이 가능한 이유는 자바 컴파일러는 소스 프로그램을 특정 기계어로 번역하지 않고 가상 언어로 번역한다. 그리고 그 가상 언어를 특정 기계어로 번역하여 실행하는 시스템을 자바 가상 머신(Java virtual machine, JVM)이라고 한다. (이름에 머신이라는 말이 붙어 있지만 이것도 프로그램이다.) 이 자바 가상 머신(Java Virtual Machine)은 여러 OS용으로 만들어져 있으므로 이것이 설치된 곳이라면 윈도PC, 맥, 리눅스, 서버 컴퓨터, 심지어 가전 제품 등 가리지 않고 어디에서든 자바 프로그램을 실행할 수 있다. 이러한 장점으로 인해서 자바는 다양한 기종의 컴퓨터와 운영 체제가 공존하는 인터넷 환경에 적합한 언어로서 인터넷의 발전과 함께 많은 사용자를 확보해 나갔다. 또한 기존의 C++언어의 장점은 채택하되 잘 사용하지 않는 부분은 배제하고 비교적 배우기 쉬운 간결한 문법도 사용자층을 넓히는데 한몫했다. 그리고 풍부한 클래스 라이브러리(Java API)가 공개되어 있기 때문에 프로그래머는 이것을 잘 활용하면 손쉽게 강력한 기능의 프로그램을 작성할 수 있다.

자바를 처음 개발해서 보급했던 썬마이크로시스템스는 2010년에 데이터베이스로 유명한 오라클 (Oracle) 이라는 회사에 합병되었으며 따라서 현재 자바는 오라클사에 의해서 유지/배포되고 있다. 한 예로 구글의 안드로이드는 자바의 API를 이용하여 작성한 달빅(Dalvik)이라는 가상 머신 위에서 자바로 작성된 앱을 구동하며 자바 개발자들을 안드로이드로 끌어들여 큰 성공을 거두었다. 하지만 이로 인해서 오라클과 구글 간 자바 API의 사용료(저작권료)에 대한 소송이 진행되고 있기도 하다.

자바 언어의 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

운영체제에 독립적이다. 한번 만들어진 실행 파일은 자바 가상 머신이 설치된 곳이라면 어느 곳에서든지 바로 실행할 수 있다.
겍체 지향 언어이면서 배우기 쉽고 간결한 문법을 가지고 있다.
포인터(pointer)를 다룰 필요 없이 메모리 관리를 가상 머신이 자동으로 수행한다.
네트워크, 분산 처리, 멀티 쓰레딩을 지원한다.
최근에는 성능도 많이 개선되어 c/c++로 작성된 프로그램에 비해서도 그 실행 속도가 뒤지지 않는다.

앞으로는 이러한 특징을 가지는 자바 언어의 기본적인 개발 방법에 대해서 알아보도록 하겠다.

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c{java},n{jv003}

2015년 6월 20일 토요일

맥시마(maxima)를 공부하면서 느낀 점들

이번 학기에 <공학수학1> 교과목에 적용해 보려고 Maxima를 날마다 조금씩 공부하면서 강의용 부교재도 작성하고 있다. 당연한 이야기지만 프로그램 하나를 익히는 데에도 인내심을 가지고 시간을 꾸준히 투자해야 한다는 것을 새삼 느끼고 있다.

: Prof. William F. Schelter (1947-2001. 수학자, Maxima를 유지, 발전시킴)

이런 무료 프로그램이 한두 개가 아니긴 하지만 긴 세월 동안 이 프로그램을 개발해오고 지금도 시간을 들여서 업그레이드를 해 주고 있는 익명의 프로그래머들이 참 대단하게 느껴진다. 뭔가 다른 수익 모델도 없어 보이는데 말이다.

사용에 큰 불만은 없는데 하나 꼽아보라면 전반적으로 명령어 기반의 프로그램이라서 (윈도우만 사용해 온 나로서는) 익히는데 시간이 많이 걸린다는 점이다. 위의 그림은 미분방정식을 푸는 것인데 명령이 직관적이지 않고 여러 줄의 명령이 입력되어야 한다. (그렇지만 미분방정식을 기호적으로 풀어주는 것만으로도 대단한 것이다.) 그리고 자연 로그 함수의 이름이 log() 여서 수학책의 log함수(밑수가 10인)와 혼동된다는 점 정도이다. 자연 로그는 ln(), 그냥 로그 함수는 log()였으면 좋았을 텐데.

이 내용을 학생들이 잘 따라와 줄까 하는 점도 조금 걱정이 되긴 하는데 딱딱한 수식만 나열하면서 수업을 하는 것 보다는 흥미를 끌 수는 있을 것 같다. 시간이 되면 기본 사용법 동영상도 몇 개 만들어 보고 싶다.

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c{mx},n{mx002}

2015년 6월 11일 목요일

지능형 로봇(intelligent robot)

단순히 로봇이 인간의 동작이나 기능만을 흉내내는 단계를 넘어서서 인간과 유사하게 사고하여 스스로 판단을 내리는 단계에 도달하기 위해서 현재에도 전세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, 단순하게 정해진 알고리듬에 따라서 작업을 수행할 수 있는 로봇이 아니라 주어진 상황에서 스스로 독자적으로 판단하여 목적을 달성할 수 있는 로봇을 지능형 로봇 (intelligent robot)이라고 할 수 있다.

지능형 로봇의 세 가지 핵심적인 기능은 다음과 같다.

❶ 외부 환경을 인식한다.

❷ 스스로 상황을 판단한다.

❸ 자율적으로 동작한다.

이러한 기능을 갖춘 지능형 로봇은 가정용 로봇, 재난 구조용 로봇, 자율 주행 자동차 등과 같은 형태로 실생활에 들어오고 있다.

대학생들이 쉽게 접할 수 있는 고전적인 지능형 로봇의 예로 마이크로마우스(micro mouse)라는 로봇이 있다. 전기/전자 분야의 국제 학회인 IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineering)의 Computer Society 에서 1977년 5월 제안하여 1979년 첫 대회를 개최하였으며, 주목적은 전기/전자 공학도들로 하여금 컴퓨터의 응용력과 개발 능력을 향상시키는 것이었다. 그 후 이 경기는 유럽, 일본, 동남아, 한국 등으로 전파되어 많은 국제 경기와 국내 경기가 매년 개최되었다.

[그림 1] 마이크로마우스

마이크로마우스는 미로라는 외부 환경을 인식해야 하고 스스로 미로의 구조와 골인 지점까지의 경로를 탐색(판단)해야 한다. 그리고 탐색된 경로를 주파하여 골인 지점까지 움직여야 하며 인간이 외부에서 조정하는 것이 허락되지 않는다. 앞에서 기술한 지능형 로봇의 세 가지 요소를 모두 가지고 있는 것이다.

지능형 로봇은 국제 로봇 연맹 (International Federation of Robotics, IFR) 에서 다음과 같이 분류하고 있다.

[표 1] 지능형 로봇의 분류

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c{gr},n{gr002}

2015년 6월 3일 수요일

ATmega8(A)의 개략적인 특징

여기에서는 AVR에 입문하는데 적합한 디바이스로 ATmega8(A)의 개략적인 특징에 대해서 설명하도록 하겠다. AVR의 이름을 보면 끝에 A가 붙는 것들이 있는데 (ATmega8A, ATmega128A등) 이것은 기존에는 5V용과 저전압(3.3V)용이 따로 구분되어 있었는데 (ATmega8, ATmega8L이 각각 존재했었다.) ATmega8A는 이 두 AVR을 하나의 uC로 통합한 것이다. 즉, ATmega8A는 5V와 3.3V 두 전압에서 모두 구동이 가능하고 (데이터쉬트상의 구동전압은 2.7V~5.5V이다.) 전력 특성을 개선하였으면서 사용법은 기존의 ATmega8/8L과 동일하다.

실습용으로 ATmega8A를 선택한 이유는 일단 28핀 PDIP패키지가 제공되어 (TQFP, MLF패키지도 있음) 초보자들이 납땜을 해서 (혹은 빵판에 꽂아서) 실험을 하기에 편리하며 이 칩과 내장 주변기기를 제어하는 방법을 잘 알아두면 상위계열이나 하위 계열의 디바이스들을 모두 쉽게 다룰 수 있게 된다는 점이다. 따라서 만약 ATmega8A의 하드웨어를 충분히 숙지하고 개발이 익숙해진다면 거의 모든 (ATmega2560과 같은 최상위의 디바이스도 포함해서) AVR디바이스를 별다른 추가 학습 없이 다룰 수 있게 된다. 본 절에서는 ATmega8A의 특징에 대해서 알아보도록 한다.

[그림 1] ATmega8(A)의 외형. 좌측으로부터 PDIP, TQFT, MLF

ATmega8(A)는 AVR RISC 구조로 제조된 저전력 소모용 CMOS 8bit μC이다. 한 개의 클록 사이클 안에 강력한 명령을 수행하여 1MHz 당 최대 1MIPS(million instructions per second)의 처리속도를 낼 수 있으며 시스템 디자이너가 처리속도 대비 전력 소모를 최적화 할 수 있도록 제조되었다. AVR의 핵심은 산술연산장치 (ALU)에 직렬로 연결된 32개의 범용레지스터를 가지며 이들을 이용한 풍부한 명령어들이 마련되어 있다는 것이다. 단일 클록 사이클 이내 실행되는 한 개의 단일 명령어로써 두 개의 독립적인 레지스터를 처리할 수 있도록 하였다. 이러한 구조는 재래식 CISC uC보다 10배 이상 빠른 처리속도를 낼 수 있을 정도로 보다 효과적인 코드 방식을 지원한다.

ATmega8(A)는 내부에 프로그램 가능한 8K바이트의 프로그램 가능한 플래시 메모리, 128byte 의 SRAM이 있고 128byte의 프로그램 가능한 EEPROM이 내장되어 있다. AVR계열의 μC는 ISP (in-system programming) 기능을 가지고 있다고 앞에서 말한 바가 있다. 즉 롬라이터(rom writer)같은 부가적인 장비 없이 PC와 연결하여 SPI 직렬 인터페이스를 통해서 내부의 플래시메모리에 프로그램을 써 넣을 수 있어서 편리하게 실험하는데 아주 유용한 기능이다. 한 개의 단일 칩에 기능이 향상된 RISC 8bit μC를 내장형 프로그래머블 플래시 및 다양한 부가장치를 조합함으로 사용자가 사용하기 쉽고 수많은 다른 제어 응용 분야에서도 비용면에서 효과적인 강력한 uC이다.

데이터쉬트에 소개된 ATmega8A의 하드웨어 특징을 정리하면 다음과 같다.

고성능, 저전력 소모용 RISC 구조 설계
130개의 강력한 명령어 (대부분 단일 클록에 실행 가능)
32×8 범용 레지스터
16MHz에서 최대 16MIPS의 처리 속도
2사이클 곱셈기 내장
데이터와 비휘발성 프로그램 메모리 구조
8K byte 플래시메모리 내장 (최대 10,000번 읽기/쓰기 가능)
512 byte EEPROM 내장 (최대 100,000번 읽기/쓰기 가능)
1K byte의 내부 SRAM
상온(25도)에서 100년간 데이터 보존 (플래시롬/EEPROM)
크기 조절 가능한 부트로더 영역 (부트 프로그램에 의한 ISP가능)
플래시롬과 EEPROM 데이터 보호용 프로그래밍 잠금 기능.
주변장치의 특성
23개의 프로그램 가능한 I/O 포트
2개의 8bit 타이머/카운터 내장
1개의 16bit 타이머/카운터 내장
별도의 오실레이터 연결 가능한 실시간 카운터
6채널(PDIP) 10bit ADC 내장
별도의 오실레이터가 내장된 프로그램 가능한 워치도그 타이머
마스터/슬레이브 SPI (serial programming interface) 내장
프로그램 가능한 직렬 USART 내장
아날로그 비교기 내장
휴식모드 (idle mode) 및 절전모드 (power down mode)로 전환 가능
동작 전압 및 클럭 주파수 : 2.7~5.5V, 0~16 MHz
패키지 : 28핀의 PDIP형, 32핀의 TQFP와 MLF

초보자가 실험하기에는 28핀을 갖는 PDIP 패키지가 좋은데 빵판에 꼽아서 회로를 꾸밀수 있기 때문이다.

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c{am8},n{a8m007}

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2015년 11월 4일 수요일

아두이노의 tone() 함수로 멜로디 연주하기

tone(pin, freq [, duration]);

tone(11, 262); // ‘도’음 발생

delay(500);

noTone(11);

tone(11, 262, 500);

tone(11, 262, 500); // ‘도’음

tone(11, 294, 500); // ‘레’음

tone(11, 330, 500); // ‘미’음

tone(11, 262); // ‘도’음 발생

delay(500);

tone(11, 294); // ‘레’음 발생

delay(500);

tone(11, 330); // ‘미’음 발생

delay(500);

noTone(11);

tone(11, 262); // ‘도’

delay(500);

tone(11, 294); // ‘레’

delay(500);

tone(11, 330, 500); // ‘미’

/*************************************************

* Public Constants

*************************************************/

#define NOTE_B0 31

#define NOTE_C1 33

#define NOTE_CS1 35

#define NOTE_D1 37

#define NOTE_DS1 39

#define NOTE_E1 41

#define NOTE_F1 44

#define NOTE_FS1 46

#define NOTE_G1 49

#define NOTE_GS1 52

#define NOTE_A1 55

#define NOTE_AS1 58

#define NOTE_B1 62

#define NOTE_C2 65

#define NOTE_CS2 69

#define NOTE_D2 73

#define NOTE_DS2 78

#define NOTE_E2 82

#define NOTE_F2 87

#define NOTE_FS2 93

#define NOTE_G2 98

#define NOTE_GS2 104

#define NOTE_A2 110

#define NOTE_AS2 117

#define NOTE_B2 123

#define NOTE_C3 131

#define NOTE_CS3 139

#define NOTE_D3 147

#define NOTE_DS3 156

#define NOTE_E3 165

#define NOTE_F3 175

#define NOTE_FS3 185

#define NOTE_G3 196

#define NOTE_GS3 208

#define NOTE_A3 220

#define NOTE_AS3 233

#define NOTE_B3 247

#define NOTE_C4 262

#define NOTE_CS4 277

#define NOTE_D4 294

#define NOTE_DS4 311

#define NOTE_E4 330

#define NOTE_F4 349

#define NOTE_FS4 370

#define NOTE_G4 392

#define NOTE_GS4 415

#define NOTE_A4 440

#define NOTE_AS4 466

#define NOTE_B4 494

#define NOTE_C5 523

#define NOTE_CS5 554

#define NOTE_D5 587

#define NOTE_DS5 622

#define NOTE_E5 659