[임베디드 설계] 시리얼 통신

  앞으로 간단한 것부터 복잡한 임베디드 설계를 할 때, 센서를 활용할 일이 많을 것입니다. 설계를 하다보면 현재 시스템을 모니터링 해야할 일이 많습니다. 지금 환경을 센서가 어떻게 받아들이는지, 내가 원하는 동작이 구현되지 않았을 때, 어느 부분이 잘못됐는지 확인할 방법이 없습니다. 컴퓨터 내에서 C++과 같은 언어로 프로그램을 작성할 경우 한줄한줄 디버깅해서 오류를 찾아내면 되지만 임베디드는 그렇게 하기가 쉽지 않습니다. 이러한 다양한 문제점들을 해결해 줄 것이 바로 시리얼(Serial) 통신입니다.

우선 시리얼(Serial) 통신에 대해 알아보면, 시리얼 통신이란 말 그대로 직렬 통신을 의미합니다. 직렬 통신은 하나 또는 두 개의 전송 선을 사용하여 데이터를 송수신하는 통신 방법을 의미합니다. 하나 또는 두개의 송수신선을 활용하기 때문에 한 번에 한 비트씩 데이터를 지속적으로 주고받습니다. 적은 송수신 선으로 연결이 가능하기 때문에 설계하는데 있어서 비용이 감소되는 장점과 속도가 느린 단점을 가지고 있습니다. 그리고 직렬통신의 경우 동기식(USART) 비동기식(UART) 통신이 있습니다.

 

​* 동기/비동기 통신 (USART, Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter)

  - 동기식 통신

    이 방법은 다른 장비에서 생성된 클럭 또는 자체 생성된 클럭에 동기된 데이터를 송수신 합니다. 송신은 송신하는 쪽에서 각 비트에 추가된 동기 신호(전송 시작을 알리는 신호 또는 끝을 알리는 신호)를 기반으로 수행됩니다. 이 방법은 데이터 전송을 하는데 있어서 시작과 끝을 알리는 추가 신호가 있어서 효율은 좋지만 전송 절차가 복잡해진다는 단점이 존재합니다.

  - 비동기식 통신

    이 방법은 위와는 다르게 각 측의 자체 생성 클럭에 동기화된 데이터를 송수신하게됩니다. 그렇기 때문에 두 통신 개체가 전송 속도 설정이 일치하지 않을 경우 정상적인 통신이 불가능합니다. 즉, 송신 측과 수신 측 모두 초기에 전송할 비트 수에 대해 몇 비트 단위로 전송할 것인지, 초당 몇비트 전송 속도를 이용할 것인지 설정해 주어야 합니다. 그리고 나서 각각은 그 전송 속도와 일치하는 주파수의 동기화 신호를 생성하여 전송을 하게 됩니다. 비동기 통신의 경우 한 번에 한 비트씩 데이터를 송수신하므로, 각 측의 통신 조건이 초기에 일치하지 않으면 정상적인 통신이 불가능 합니다.

 

아두이노 우노의 경우 ATmega328제품으로서 비동기식 통신을 지원한다고 합니다. 보드에 내장된 Microcontroller에 따라 사양이 다를 수 있으니 데이터 시트를 참고하시길 바랍니다.

 

이제 아두이노 우노를 활용하여 배운 내용을 확인해보겠습니다. 아두이노 우노의 경우 0번과 1번핀에 보면 옆에 RX와 TX가 써있는 것을 볼 수 있습니다. 이 핀을 통해서 다른 기기와 통신을 할 수도 있고, USB포트를 활용해 컴퓨터와 통신을 할 수도 있습니다. 우리는 USB포트를 활용하여 통신을 해보도록 하겠습니다. 우선 아두이노에서 시리얼 통신을 하기 위해서 필요한 함수들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 시리얼 통신의 경우 별도의 헤더파일을 추가해주지 않아도 사용이 가능합니다.

- Serial.begin(speed): 위에서 설명한 것 처럼 기기와 통신 속도를 맞추기 위한 설정입니다. 괄호 안에 들어가는 변수는 통신 속도를 의미하는데 300 ~ 115200 까지 입력이 가능합니다. 통상적으로 9600의 속도를 많이 쓰고, 저 같은 경우 115200을 자주 씁니다.

- Serial.print(): 괄호 안의 값을 ASCII 문자열로 출력을 해주는 함수입니다. 우리가 원하는 숫자 값을 넣어주게 되면 해당 숫자를 화면에 출력해고, 문자나 문자열을 넣을 경우에 그대로 모니터에 출력을 해줍니다.

- Serial.prinln(): 위와 같은 역할을 하는 함수입니다. 하지만 '\n'을 써주지 않아도 괄호 안에 있는 문자를 출력해준 후 줄바꿈을 실행해 줍니다.

- Serial.write(): Serial.print()함수와 비슷한 역할을 하는데 print()함수의 경우 String Type의 전송을 실행하지만 Serial.write()함수의 경우 Byte type의 전송을 실행하게 됩니다.

// String Type은 Arduino가 지원하는 문자열 형태의 자료구조입니다. 기존의 C++을 하신 분은 아마 익숙하신 클래스 형태의 자료형입니다. C언어만 공부하신 분들은 char형의 문자열이라고 보시면 이해가 쉬우실 겁니다. 하지만 차이점은 String은 문자열간의 +와 같은 연산이 가능하고 추가적인 다양한 함수를 사용할 수 있습니다. Byte type의 경우 1Byte의 크기를 갖는 변수인데, char와 동일한 크기를 갖습니다. 하지만 char type과는 출력 결과가 명확히 다르게 나타납니다. char형의 경우 ASCII 코드에 따른 문자 변환을 진행하지만 byte type의 경우 그대로 출력하게 됩니다.

- Serial.available(): Serial.available()은 뜻 그대로 이용가능한 것이 있는지 묻는 역할을 합니다. 그래서 이 함수를 사용할 경우 송신 기기에서 송신한 문자열이 있을 경우 읽어올 데이터의 byte수를 리턴하게 됩니다. 그렇기 때문에 이러한 특성을 활용하여 보통 if문에 넣어 수신된 문자가 있는지 확인한 후 있을 경우에만 읽어오도록 설정할 수 있습니다.

- Serial.read(): USART을 통해서 수신된 데이터를 리턴해주게 됩니다. 한번에 한 byte단위로 반환해주게 됩니다. 여기서 읽어온 데이터 값은 int type으로 변형되어 리턴됩니다.

 

이제 위 함수들을 활용하여 예제를 진행해 봅시다.

  예제를 진행하기 앞서서 아두이노 스케치에서 시리얼 데이터를 확인할 수 있는 터미널을 여는 방법을 알아보도록 하겠습니다. 아래의 사진과 같이 시리얼 모니터 아이콘을 클릭하거나 Ctrl + Shift + M을 누르면 열립니다. 그리고 아두이노 스케치는 초기 설정이 9600으로 설정이 되어있기때문에 시리얼 모니터를 열고 나서 우측 하단의 전송 속도를 115200으로 맞춰주어야지 예제 코드가 정상적으로 실행됩니다.

  가장 먼저 아두이노에서 컴퓨터로 문자열을 출력하는 예제를 작성해 봅시다. 이번 예제에서는 별다른 회로 구성 없이 컴퓨터랑 아두이노랑 USB연결만 하시면 됩니다. 우선 우리가 원하는 것은 아두이노가 통신을 하기 위해 아두이노를 준비시키는 것이 첫번째입니다. 그 다음에는 위의 함수들을 활용하여 원하는 문자열을 출력하면 됩니다.

void setup(){
  Serial.begin(115200);  // 통신 속도를 115200으로 설정해줍니다.
}

void loop(){
  Serial.print("print: Hello world!\n");  // String type으로 전송
  Serial.println("println: Hello world!");  // String type으로 전송 후 줄바꿈
  Serial.write("write: Hello world!\n");  // Byte type으로 전송
}

  위의 결과를 보고 차이점이 무엇인지 확인해 봅시다. 그리고 저 문자열이 아니더라도 아래와 같이 다른 것들을 입력해보고 각자 함수별로 차이점을 확인해 보세요.

int ascii = 65;

void setup(){
  Serial.begin(115200);
}

void loop(){
  Serial.print(ascii);  // String type으로 전송했을때의 결과
  Serial.write(ascii);  // Byte type으로 전송했을때의 결과
}

  두번째로 String클래스를 활용해서 문자열 덧셈 등을 확인해 봅시다. 개인적으로 C언어 공부 후에 C++를 공부하면서 가장 반가웠던 클래스입니다. 문자열을 다루기도 훨씬 편한데다가 편리한 함수들이 많았기 때문입니다. 두개의 String type의 문자열을 덧셈 기호를 통해 간단하게 붙일 수 있습니다.

String str1 = "Hello";
String str2 = "world";

void setup(){
  Serial.begin(115200);
}

void loop(){
  Serial.print(str1 + str2 + "\n");  // 문자열끼리의 합치는 과정이기 때문에 '\n'이 아닌 "\n"으로 써줍니다. 
}

 

  마지막으로 아두이노와 컴퓨터가 양방향으로 통신하는 것을 확인해보고 포스팅을 마치도록 하겠습니다. 위에서 설명한 available()함수를 활용하면 됩니다. 컴퓨터에서 문자를 입력하여 아두이노에 전송했을때 그 문자를 아두이노가 다시 컴퓨터로 되돌려 전송하는 코드를 작성해 보겠습니다.

void setup(){
  Serial.begin(115200);
}

void loop(){
  if(Serial.available()){  // 아두이노로 전송된 데이터가 있는지 확인(있을 경우 전송된 byte수를 return)
    Serial.write(Serial.read());  // 1 byte를 읽어들인 후 int type으로 반환
  }
}

  위의 코드를 실행할 경우에 내가 입력한 문자 한글자 한글자가 그대로 돌아와 출력이 되는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 여기서 우리가 문자열을 받았을때 엔터키가 눌린 문자열이 한번에 모아져서 출력이 되도록 하려면 어떻게 짜야하는지 각자 한번 생각해보시고 코드를 작성해보시길 바랍니다.

  참고로 아두이노 우노의 경우 위에서 설명한 것 처럼 0번핀과 1번핀을 활용해 타 기기와 통신을 할 수 있다고 말씀드렸는데, 2개 이상의 기기와 통신을 원할 경우 SoftwareSerial.h헤더 파일을 추가해주면 일반적인 GPIO핀을 통신 핀으로 활용할 수 있습니다. 사용 방법은 아래의 예시와 같습니다. 참고로 다른 기기와 통신을 할경우 RX와 TX를 교차시켜서 연결해주어야 합니다. 그 이유는 내 기기에서 송신한 데이터는 타 기기의 수신부에 들어가야 하기 때문에 교차시켜서 연결해 주시면 됩니다.

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial newSerial(10,11);  // RX: pin 10, Tx: pin 11로 사용

void setup(){
  newSerial.begin(115200);
}

void loop(){
  newSerial.println("Hello new Serial");
}

 

 

< 오늘의 과제 >

1. 위의 소스코드 중 available()함수를 활용하여 내가 보낸 문자를 다시 출력해주는 코드에서 Serial.write()함수 대신에 print함수를 쓰면 어떤 문제가 발생하는지 확인하고, 이를 해결하기 위해서는 어떻게 수정해주어야 하는지 생각해보세요.

​

2. SoftwareSerial를 활용하여 두 대의 아두이노를 연결하고 아래의 조건에 맞는 환경을 만들어 보세요.

- 2명의 사용자가 사용하는 USART 채팅 프로그램

- Client1이 컴퓨터를 통해 문자열을 입력하면, Arduino가 수신하여 client2와 연결된 Arduino로 전송하고, Client2의 Arduino가 Client2의 컴퓨터에 수신된 문자열을 출력

- Client2의 입력 역시 동일하게 Client1의 컴퓨터에 출력되어야 합니다.

 

// 이 예제의 경우 아두이노 스케치는 1개의 아두이노의 시리얼 모니터를 지원합니다 그렇기 때문에, 다른 한개의 아두이노는 putty 와 같은 Serial 터미널 프로그램을 활용하여 열 수 있습니다.