#Arduino #3D printer #아두이노 #3D프린터 # 3D프린터개발산업기사

0. 서론

로터리 인코더는 CLK와 DT라는 두개의 포인트를 가지고 회전을 검출하는 장치입니다.

사실상 원리는 간단하고 이를 아두이노에 활용하기에도 쉽지만 의외로 이 인코더의 작동원리를 이해하기 힘들어 아두이노 코드에 접목하기가 쉽지 않은 것이 현실입니다.

이에 오늘은 로터리인코더(로타리엔코더)의 회전방향 검출에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 로터리 인코더 작동원리

로터리 인코더는 CLK와 DT라는 두개의 포인트로 회전을 검출합니다.

발광부-수광부로 이해해도 좋고, 금속 원판에 포인트가 붙었다 떨어졌다로 이해해도 좋습니다.

어찌되었든 이 두 지점이 거리를 두고 위치하고 있기 때문에 원판이 돌아갈 때 시간차이가 나게 되고, 이 시간차이를 가지고 이 원판이 시계방향으로 회전하는지, 반시계방향으로 회전하는지를 알아낼 수 있습니다.

그림의 이해를 쉽게 하기 위해 원형철판에 두 지점이 닿아있다고 보겠습니다. 이 상황에선 두 포인트 전부 전기가 통하는 상태입니다.(수치로는 1 혹은 HIGH라고 볼 수 있습니다.)
또한 CLK(그림의 Output A)는 DT(Output B)보다 왼쪽에 위치하며, 이미지상으로는 위쪽에 위치합니다.

일단 시계방향으로 돌아갈때를 보죠.
이 상황에서 시계방향으로 돌면 CLK가 먼저 원판에서 떨어집니다. 그리고 그 다음 DT가 떨어지고, 그 다음 다시 CLK가 원판에 붙고, 다시 DT가 붙습니다.
1주기를 살펴보면

이렇게 되는 것을 볼 수 있습니다.
또한 최소 분해능은 1/4주기로 볼 수 있습니다. 1/4주기마다 회전을 검출할 수 있기 때문이죠.

그럼 반시계방향으로 돌아가는 상황을 보도록 합시다.
원판이 반시계방향으로 돌면 DT가 먼저 원판에서 떨어집니다. 다음 CLK가 떨어지고, 다음 DT가 다시 붙고, 다음 CLK가 붙겠죠.
1주기를 살펴보면

이렇게 되는 것을 볼 수 있습니다.

이를 펄스그림으로 보게되면 아래와 같습니다.

2. 소자의 이해(HW-040)

저희가 쓸 소자는 HW040이라는 소자입니다. 이 소자의 특징은 로터리 인코더가 한번 딸깍하고 돌아갈때 위에서 말한 1주기 중 1/2주기씩 움직인다는 것입니다. 이를 이미지로 설명하면 원판에 둘다 붙어있다가 한번 딸깍에 둘다 떨어지고, 다음 딸깍에 둘다 붙는다는 말이 되죠. 참고로 첫 시작값은 보통 CLK, DT 모두 1값으로 시작하는게 보통이나 상황에 따라 달라질 수 있기에 소스코드에서 한번 처음 읽어주도록 합시다.

3. 코드에의 적용

이렇게 1주기에 CLK와 DT값이 4가지로 변화하기 때문에 이 모든 값에 대응해서 코딩을 해야할 것 같지만(물론 이런 경우가 제일 완벽하겠죠), 자세히 들여다보면 어떤 규칙이 있습니다. 바로 CLK값이 변화할때 시계방향이면 DT와 읽는 값이 정 반대이고(CLK가 왼쪽이므로 원판에서 먼저떨어집니다), 반시계방향이면 CLK값이 변화할때 DT값이랑 같다는 것이죠.(CLK가 왼쪽인데, CLK에서 변화가 감지될 때는 이미 DT값이 변한 이후입니다.)

특히 저희가 쓸 소자는 1번 딸깍에 1/2주기씩 진행하기 때문에 모든 상황에 대해서 코딩하는 것이 낭비라고 볼 수도 있기도 하고, 한번 딸깍에 코딩으로 반응이 와야하기 때문에 모든 주기에 대해서 코딩하기 보단 변화를 가지고 코딩하는게 좋습니다.(1주기 코딩을 하게되면 두번 딸깍해야 반응이 오겠죠)

여기서의 포인트는 딱 두가지입니다.

1) CLK값이 변화할때
2) 그 순간 DT와 CLK값의 차이(정방향 변화: 두 값이 차이, 역방향 변화: 두값이 동일)

 그럼 코드를 작성해보겠습니다. 이전과 같이 LED는 각 2, 3, 4번 핀에 대응시키고 로터리 인코더의 CLK, DT는 각 8, 9번 핀에 대응시키겠습니다.(SW는 그냥 스위치처럼 사용하기에 편리하므로 이번 포스팅에서는 제외하겠습니다.) 목표는 로터리 인코더가 오른쪽으로 돌면 빨간불, 왼쪽으로 돌면 파란불이 들어오게 하는 것입니다.

#define LED_R 2 
#define LED_G 3 
#define LED_B 4 
#define CLK 8 
#define DT 9 

bool pre_clk = 0; 

void setup() { 
  pinMode(LED_R, OUTPUT); 
  pinMode(LED_G, OUTPUT); 
  pinMode(LED_B, OUTPUT); 
  pinMode(CLK, INPUT); 
  pinMode(DT, INPUT); 
  pre_clk = digitalRead(CLK); 
} 

void loop() { 
  bool cur_clk = digitalRead(CLK); 
  if(pre_clk != cur_clk){ 
    if(digitalRead(DT) != cur_clk){ 
      digitalWrite(LED_R, HIGH); 
      digitalWrite(LED_G, LOW); 
      digitalWrite(LED_B, LOW); 
    } 
    else{ 
      digitalWrite(LED_R, LOW); 
      digitalWrite(LED_G, LOW); 
      digitalWrite(LED_B, HIGH); 
    } 
  } 
  pre_clk = cur_clk; 
}

#Arduino #3D printer #아두이노 #3D프린터 # 3D프린터개발산업기사

0. 서론(매우 빠른 작동속도를 가진 아두이노)

아두이노는 사실 1ms(1/1000초, 밀리세컨드, millisecond)보다 더 빨리 작동하고 있습니다. 물론 내부의 코드 길이나 상황에 따라 또한 어떤 구문을 실행하냐에 따라 걸리는 속도가 달라지기는하겠습니다만 이론적으로 대략 1/16000초의 속도로 한 명령어를 처리(16MHz)합니다.(이쪽으로 더 나가면 플립플롭(Flip-Flop), 래치(Latch), 클록스피드(Clock speed)와 같은 디지털 논리 회로의 영역으로 들어갑니다)

그래서 루프문 안에 시간을 지연시켜주지 않고 켰다 껐다하는 신호만 준다면 아주 단순한 LED를 깜빡이는 프로그램도 LED가 꺼졌다 켜졌다 하는게 눈으로 안보이고 LED가 계속 켜져있는 것처럼 보일겁니다. 약 0.001초마다 스위치를 계속 켰다껐다 하는거니까요.

1. 가장 쉽게 쓸 수 있는 delay함수

그래서 가장 쉽게 사용할 수 있는 명령 지연 함수가 delay함수입니다. 이 함수 안에 ms(밀리세컨드)단위의 시간을 입력하면 그 시간만큼 쉽게말해 프로세서는 "정지"하죠.

프로세서가 "정지"하기에 다음 명령 실행까지 시간적으로 지연이 되기는 합니다만, 그 "정지"해 있는 동안엔 프로세서가 아무 일도 못한다는 단점이 있습니다. 말그대로 일시정지하는거죠. 그 시간엔 그 어떤 다른 일도 하지 못합니다.

이런건 단순히 LED를 껐다 키거나 하는 단일 소자로 단일 명령을 시키는데는 전혀 걸림돌이 되지 않지만, 만약 "동시에" 일을 시켜야 하면 난감한 상황이 올겁니다.

가령 (delay가 적용된 깜빡이가 있는) 차를 타고가면서 왼쪽 깜빡이를 켰는데,

1) 라이트가 켜진 순간 차가 멈춰버립니다.(불 켜고 딜레이 0.5초=모든 걸 정지 0.5초)
2) 당황하여 깜빡이를 꺼보지만 라이트가 꺼지기 전까진 깜빡이가 꺼지지 않습니다.(깜빡이 스위치를 껐지만 불 꺼지고 딜레이 0.5초 가 지나기 전까지 프로세서는 어떤 입력도 못받아들임)
3) 그리고 깜빡이가 꺼지면서 차가 다시 움직이기 시작합니다.

난감하죠? 100% 교통사고 각입니다.

2. delay의 대안 millis함수

그래서 이를 해결하기위해 여러 방법들을 강구하게되고, 그 중에 하나가 millis함수를 이용하는 겁니다.
(여담으로 이를 "병렬처리"라 하고(순차처리=직렬처리, 동시처리=병렬처리), 이를 구현하기 위해서 CPU시스템적인 부분 뿐만 아니라(여기는 진짜로 각 클록 주파수 사이사이에 명령어들을 배치해서 "병렬처리인 척"하는 부분이긴 합니다만..) 각 언어마다 많은 방법들을 만들어냅니다. 싱크로, 메서드 등이 그것들인데 그건 여기서는 제쳐두죠)

아두이노 프로세서는 프로그램이 작동된 후 자동으로 ms단위로 프로그램이 실행되는 시간을 저장하고 있습니다.
따라서 어떤 A라는 순간의 millis값과 B라는 순간의 millis값을 비교하면 시간이 얼마나 흘렀는지 알 수 있게 되죠.(B ms - A ms = 걸린 시간 ms)
[이 부분은 매우 중요한게, millis뿐만 아니라 어떤 프로그램 언어를 사용하든 시간 차이(time delta)는 매우 중요한 개념이 됩니다.]

거기에 millis함수는 delay함수와 다르게 프로세서를 일정기간 멈추는 명령이 아닙니다. 말그대로 시간만 체크하는 명령어죠.(시계 한번 흘깃 보는 명령어입니다.) 이는 엄청난 강점이 됩니다.

가령 "10분 있다 엄마가 와서 책상에 앉아있나 확인할거야"라는 명령이 있었다고 보면,

delay: 10분동안 아무것도 안하고 내내 책상에 앉아서 멍때리기
millis: 10분동안 틈틈이 시간보면서, 그 안에서 책도보고 컴퓨터도하다가 10분째 착석

결과는 같지만 10분 활용이 다르죠. millis는 엄마의 명령시간 안에서 이런저런 일들을 "같이(병렬)" 처리했으니까요

따라서 millis를 사용하게 되면 경과시간을 알아내어서 시간에 따른 지연 조작을 할 수 있으면서도 내부 명령은 아두이노 속도대로 처리가 되는 병렬처리가 가능해집니다.(프로세서 자체가 멈춰서 시간을 지연하는거나, 사용자가 시계로 체크해서 일정 시간 후를 체크하는 것의 차이?)

3. delay함수와 millis함수의 활용

아두이노 자체 적인 개발 외에도 "3D프린터개발산업기사"의 실기부분에도 이 내용이 활용됩니다.

시험 항목을 보죠.

5) HEATING BED 설정
라) 설정온도인 30'C에 도달하면 LED는 R->G->B 순으로 500ms 간격으로 점등 되도록하며, 모터는 시계방향으로 계속적으로 동작 되도록 합니다.

이 부분인데요, 문제를 잘 보시면 LED가 500ms라는 시간을 가지고 점등이 되는 "와중에" 모터는 계속 돌아가야합니다. 병렬로 작동이 되어야 한다는 것이죠. 그럼 여기서는 millis함수를 써야겠죠.

반대로 굳이 millis함수를 쓸 필요가 없는 항목도 있습니다.

6) EMERGENCY 설정
나) ~ 근접센서에 물체 또는 손을 이용하여 접촉할 경우 ~ 회전 중인 모터가 정지되고, 부저를 1초 간격으로 5회 울린 후 ~

[회전 중인 모터 정지 -> 부저"만" 1초 간격으로 5회 작동 -> ~~]의 순차적인 처리이기때문에 여기서는 굳이 millis안쓰고 delay로 써도 상관이 없습니다.

4. 실제 코드 작성

그러면 실제로 응용은 어떻게 해야할까요?

다른 부분은 다 제쳐두고, HEATING BED 설정의 라)항목만 실행하는 프로그램을 작성해보죠(온도가 30도에 도달하여 조건들을 실행하는 부분만 작성했습니다.)

#define LED_R 2  
#define LED_G 3  
#define LED_B 4

unsigned long start_time = 0;

void setup() {  
  pinMode(LED_R, OUTPUT);
  pinMode(LED_G, OUTPUT);
  pinMode(LED_B, OUTPUT);
}

void loop() {  
  start_time = millis(); // 이벤트 시작시간을 저장  
  unsigned long time_delta = millis() - start_time; // 시간차이(time_delta) 설정(현재시간-이벤트시작시간)  
  while(time_delta < 1500*3){ // 시작시간 기준(time_delta가 0부터 증가할 것이므로) (1500ms * 3번)의 시간동안 작동  
    if(time_delta%1500 < 500){ // 시간차이(이벤트 시작부터 진행된 시간)를 1500으로 나눠서 나머지가 500보다 작으면 
      digitalWrite(LED_R, HIGH); // 빨간불 켜기  
      digitalWrite(LED_G, LOW);  
      digitalWrite(LED_B, LOW);  
    }  
    else if(time_delta%1500 < 1000){ // 근데 나머지가 500 이상이고(위의 if가 거짓이기 때문에 else if로 왔으므로) 1000보다 작으면  
      digitalWrite(LED_R, LOW); // 빨간불 끄기  
      digitalWrite(LED_G, HIGH); // 초록불 켜기  
      digitalWrite(LED_B, LOW);  
    }  
    else{ // 그 외의 경우(위에 조건들이 모두 거짓일 때 else로 오므로 나머지가 1000이상인 경우)  
      digitalWrite(LED_R, LOW);  
      digitalWrite(LED_G, LOW); // 초록불 끄기  
      digitalWrite(LED_B, HIGH); // 파란불 켜기  
    }  
    // 모터 작동 코드 작성: delay가 없으므로 매 순간마다 모터가 작동  
    time_delta = millis() - start_time; // 코드 단위를 실행한 후 time_delta 재설정(이벤트 시작부터 진행된 시간 갱신)
  }  
  // 모든 불 끄기  
  digitalWrite(LED_R, LOW);  
  digitalWrite(LED_G, LOW);  
  digitalWrite(LED_B, LOW);  
  delay(2000); // 마무리 확인용 delay(세 번이 제대로 작동됐는지)  
}

이와 같은 코드가 작성될 것입니다.

5. 여담

참고로 millis함수는 프로그램 시작 후 50여일 이후의 시간도 ms단위로 기록할정도로(물론 50일경 오버플로나서 다시 0으로 돌아간다지만..) 큰 메모리 용량을 필요로 하기 때문에 unsigned long(4바이트)형태의 자료형을 가집니다.

사실 컴퓨터로 코딩할때는 큰 고려사항이 아닙니다만, 아주 제한된 메모리양과 처리속도를 가진 마이크로프로세서에 코딩할때는 전체적인 메모리와 처리속도를 모두 고려해야하는, 어떻게보면 컴퓨터로 프로그래밍하는 것보다 더 복잡한 과정을 거치게 됩니다.(자료형을 무엇을 쓸지, 프로그램 최적화는 어떻게 해야할지, 변수를 전역으로 두고 쓸지 지역으로 두고 쓸지 등..) 아두이노 기본 프로젝트 같은경우에야 문제가 안되겠지만 프로젝트가 커지면 문제죠. 따라서 프로젝트가 크지 않으면 그냥 unsigned long그대로 써주시되, 어차피 실행시간이 길지 않을 거고 다른 작업들로 메모리가 부족한 상황이다 싶으시면 int(2바이트) 자료형으로 써주시면 됩니다.