아두이노 TWI(I2C) 통신 클럭 주파수 변경하기

 아두이노의 TWI 통신 (I2C라고도 한다)은 두 가닥의 선(SDA, SCL)만으로 여러 개의 디바이스와 통신을 할 수 있다는 장점을 가진다. 이것의 통신 속도는 마스터 기기에서 발생시키는 클럭(SCL)신호를 기준으로 정해지며 보통 많이 사용되는 표준 주파수는 100kHz 와 400kHz 이다. 단순하게 이론적으로 계산하면 100kHz 의 주파수라면 초당 100k 비트(바이트 아님)를 전송할 수 있으며 초당 약 12.5k 바이트를 전송할 수 있다.

 아두이노의 I2C 통신에 사용되는 클럭 주파수는 100kHz로 맞추어져 있다. 아두이노에서 쓰이는 AVR은 400kHz 의 주파수도 지원을 하며 대부분의 I2C 통신 기기들이 이 주파수를 지원한다. 그런데 아두이노 API에서는 이 클럭 주파수를 조절하는 함수나 메쏘드가 없다. 이것을 400kHz로 상향시키기 위해서는 다음과 같이 약간 번거로운 과정을 거쳐야 한다.

 아두이노 IDE 1.5.5 와 윈도즈를 기준으로 설명하도록 하겠다. 먼저 다음 파일을 연다

C:\Program Files \ Arduino \ hardware \ arduino \ avr \ libraries \ Wire \ utility \ twi.h

이 코드의 윗 부분에 보면 다음과 같은 상수가 있다.

#ifndef TWI_FREQ #define TWI_FREQ 100000L #endif

이름에서 알 수 있듯이 TWI_FREQ 상수가 I2C 통신의 클럭 주파수를 정의한 상수이다. 이 상수를 400000L 로 바꾸면 된다.

#ifndef TWI_FREQ #define TWI_FREQ 400000L #endif

이렇게 변경하고 저장한 후 한 가지 과정을 더 거쳐야 한다. 현재 프로젝트의 (과거에 100kHz 상수 값으로 생성되었던)오브젝트 파일들인 wire.cpp.o , twi.c.o 파일들을 제거해야 하는데 이것을 제거하지 않으면 과거에 컴파일된 오브젝트파일을 가지고 링크를 하기 때문에 변경 사항이 적용되지 않는다.

다음의 폴더를 열어보자. (윈도7의 경우임)

C:\ Users \ [user id] \ AppData \ Local \ Temp

이 폴더 하위에 많은 build***********.tmp 폴더는 아두이노 프로젝트가 컴파일되면서 생성되는 임시파일들을 저장하는 폴더이다. 이것들을 모두 삭제한 다음 다시 컴파일하면 변경된 속도가 적용된다. 만약  위와 같이 오브젝트 (임시)파일을 삭제하는 절차가 번거로우면 아예 프로젝트를 새로 생성해서 코드를 붙여넣은 후 컴파일하면 된다.

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아두이노 아날로그 출력(PWM) 주파수 바꾸기

 아두이노 우노의 경우 PWM주파수가 980Hz (5,6번 핀)와 490Hz(3, 9, 10, 11번 핀)로 고정되어 있다. 보통의 경우(LED의 밝기를 제어한다든가 소형 모터를 돌릴 때)에는 이 주파수를 사용하는 것에 별 문제는 없다.

[표 1] 아두이노 우노의 pwm 주파수

핀 번호	PWM 주파수
5, 6	980Hz
3, 9, 10,11	490Hz

하지만 중소형 이상의 DC모터를 구동하는 경우에는 보통 10KHz 이상의 PWM 주파수를 사용하므로 아두이노에서 제공하는 기본 주파수로는 DC모터를 구동하기에 적절하지 않다. 이 주파수가 중요한 이유는 만약 PWM주파수가 너무 낮다면 모터의 속도를 정밀하게 제어할 수 없으며 모터에서 소음이 발생하는 경우도 있기 때문이다.

 

 이런 경우에 PWM 주파수를 변경해야 하는데 아두이노의 표준 API에는 아쉽게도 PWM의 주파수를 조절할 수 있는 함수를 제공하지 않지만 사용자가 만들어 놓은 라이브러리가 있다. 아래의 페이지에 자세하게 설명되어 있다.

• pwm.h 라이브러리
• pwm.h 라이브러리 다운로드 링크

다운로드 받은 파일의 압축을 풀면 세 개의 폴더가 있는데 이 중 PWM 폴더를 아래의 폴더에 복사하여 붙여넣는다.

<아두이노 IDE 설치 폴더>\Arduino\libraries

윈도우즈 시스템에서는 보통 아래의 폴더이다.

C:\Program Files\Arduino\libraries

그러면 아두이노 IDE에 다음 [그림 6.6.1]과 같은 항목이 생성된다. 이 항목을 선택하면 텍스트 에디터에 다음과 같이 인클루드문이 추가된다.

#include <PWM.h>

이것으로 이 라이브러리를 사용할 준비가 된 것이다.

[그림 1] pwm.h를 메뉴에서 인클루드하는 방법

이 라이브러리에서는 다음과 같이 다섯 개의 전역 함수를 제공한다.

[표 1] pwm.h에서 제공하는 전역 함수들

함수명	기능
InitTimers()	Initializes all timers. Needs to be called before changing the timers frequency or setting the duty on a pin
InitTimersSafe()	Same as InitTimers() except timer 0 is not initialized in order to preserve time keeping functions
pwmWrite(uint8_t pin, uint8_t val)	Same as 'analogWrite()', but it only works with initialized timers. Continue to use analogWrite() on uninitialized timers
SetPinFrequency(int8_t pin, int32_t frequency)	Sets the pin's frequency (in Hz) and returns a bool for success. 주파수 범위는 31Hz~2MHz 사이이다. Sets the pin's frequency (in Hz) and returns a bool for success. 주파수 범위는 31Hz~2MHz 사이이다.
SetPinFrequencySafe(int8_t pin, int32_t frequency)	Same as SetPinFrequency except it does not affect timer 0. 주파수 범위는 31Hz~2MHz 사이이다.

여기서 보면 InitTimers() 와 SetPinFrequency() 함수는 함께 사용되는데 이 함수들은 내부적으로 timer0번을 초기화시킨다. 따라서 시간 관련 함수인 millis(), micros(), delay(), delayMicroseconds() 함수들이 정상 동작하지 않는다. 그리고 3, 5, 9, 10번 핀을 PWM 핀으로 사용할 수 있다.

 반면 InitTimersSafe()와 SetPinFrequency() 함수는 역시 쌍으로 사용되는데 timer0를 초기화시키지 않으므로 시간 관련 함수들이 정상적으로 동작한다. 그리고 3,9,10번 핀을 PWM으로 사용할 수 있다. 두 경우 모두 PWM값을 쓰기 위해서는 analogWrite()함수 대신 pwmWrite()함수를 사용한다.

[표 2] pwm.h 의 두 함수 그룹 비교

함수 그룹	특징	장단점	적용 핀
InitTimers() SetPinFrequency()	timer0 초기화	millis(), micros(), delay(), delayMicroseconds() 함수들이 정상 동작하지 않는다.	3, 5, 9, 10
InitTimersSafe() SetPinFrequencySafe()	timer0 초기화 안함	millis(), micros(), delay(), delayMicroseconds() 함수들이 정상 동작한다.	3, 9, 10

시간 관련 함수들이 정상적으로 동작 하지 않는 것은 큰 문제이므로 InitTimersSafe() 과 SetPinFrequencySafe() 함수를 사용하는 것이 좋을 것이다.

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[00100] 아두이노 두에(Due) 의 PWM 주파수 바꾸기

  아두이노 Due의 PWM 주파수는 1KHz 로 정해져 있다. 그런데 응용 분야에 따라서 이 주파수를 변경해 주어야 하는 경우가 있다. 하지만 아두이노에서 PWM의 주파수를 바꿔주는 공식 API 는 없어서 무척이나 불편하다. 그래도 AVR 계열의 아두이노에서는 이런 불편을 해소하기 위해서 사용자가 작성한 라이브러리 (PWM.h)라도 있는 것 같은데 Due의 경우에는 아직까지 그런 라이브러리는 없는 것 같다.

  구글링을 해본 결과 아주 방법이 없는 것은 아니었다. 일단 다음의 헤더 파일을 연다.(윈도의 경우)

Program Files > Arduino > hardware > arduino > sam > variants > arduino_due_x > variant.h

64비트 윈도라면 Program Files(x86) 폴더 밑을 뒤져야 한다. 이 파일을 열면 다음과 같이 정의된 부분이 나온다.

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

/*

* PWM

*/

#define PWM_INTERFACE PWM

#define PWM_INTERFACE_ID ID_PWM

#define PWM_FREQUENCY 1000

#define PWM_MAX_DUTY_CYCLE 255

#define PWM_MIN_DUTY_CYCLE 0

#define PWM_RESOLUTION 8

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

이 상수값들을 변경하면 PWM의 주파수나 기본 분해능을 설정할 수 있다고 한다. 예를 들어서 주파수를 10KHz로 변경하고 싶다면 PWM_FREQUENCY 를 10000 으로 바꾸면 된다.

  조그만 장난감 모터는 1KHz 로도 충분하다. 내가 가지고 있는 모터는 조금 용량이 큰데 (12V/12.9W) 이 정도만 되도 주파수를 조금 키워야 한다. 몇 번 실험해보니 12KHz 정도가 적당한 것 같다.

(2V 이상 인가되어야 회전이 시작됨)
[#00100]