전자 기초

전자부품

리눅스 명령어

통신 프로토콜 & Raspberry Pi GPIO

Raspberry Pi의 I2C, SPI, UART 통신 프로토콜

GPIO(General Purpose Input/Output)

라즈베리파이 실습

느낀점

• 어떠한 신호를 원하는 형태로 제어하고 처리하는 시스템
• 전기 신호를 처리하거나 전자 장치의 동작을 제어하는 데 사용

• 전압: 전기를 공급하기 위해 사용되는 전기적인 차이를 의미함 [단위: 볼트(V)]
• 전류: 흐르는 전기의 양을 나타냄. 전압에 의해 유도 [단위: 암페어(A)]

• 옴의 법칙은 전압(V), 전류(I), 저항(R) 간의 관계를 설명하는 법칙
  • 전압(V): 전류(I)와 저항(R)의 곱한 값이다.(전류가 증가하면 전압도 증가)
  • 전류(I): 저항(R)과 반비례한다.(저항이 증가하면 전류가 감소)
  • 저항(R): 전압(V)과 비례한다.(저항이 증가하면 전압도 증가)

• 아날로그 신호: 연속적인 값으로 표현되는 신호. 시간에 따라 연속적으로 변화하며 소리나 음악, 온도계 등 실제 환경에서 얻은 데이터를 처리하는데 주로 사용
• 디지털 신호: 이산적인 값으로 표현되는 신호. 시간에 따라 일정한 간격으로 값이 변화, 0과 1로 구성된 비트(bit) 형태로 정보를 전달하며 디지털 신호는 컴퓨터, 휴대폰 데이터 처리하는데 사용

• 직류(Direct Current): 전압의 크기와 방향이 일정하게 유지되는 전류의 형태. 평상시 사용하던 건전지(배터리)가 직류 전류이며 라즈베리파이 또한 직류를 사용
• 교류(Alternating Current): 시간에 따라 전압의 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류의 형태. 가정에서 사용하는 전기가 교류 전류이며 단상 220V 60Hz 이다.

• 직렬로 연결된 저항들에 걸리는 전압을 계산할 때 사용하는 법칙
• 이 법칙은 회로 내의 각 저항에 걸리는 전압이 해당 저항값에 비례한다는 원리를 기반함

• 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 이하 PWM은 펄스의 폭을 조절하는 제어 방법으로, 주로 LED의 밝기를 조절하거나 모터의 출력을 조절할 때 사용됨

• 수동소자: 전기적 에너지를 소모, 축적 혹은 통과 할 뿐 다른 역할을 하지 않는 소자. 수동적으로 작용하기 때문에 외부전원 없이 단독으로도 동작할 수 있음
• 능동소자: 작은 신호를 큰 출력 신호로 변화시킬 수 있는 전자부품 소자. 에너지 보존 법칙이 성립해야 하므로 다른 전원 장치로부터 에너지를 얻어야만 작동

• 저항(R): 전기적인 저항을 가지는 소자. 전류의 흐름을 방해하거나 전압을 나누는 역할을 함
• 인덕터(L): 전기적인 에너지를 저장하고 방출하는 소자. 전류의 변화를 막거나 필터링하는 역할
• 커패시터(C): 두 개의 도체판 사이 공간에 전하를 모으는 소자. 전기를 일시적으로 저장함

• 4색 띠 저항 읽는법: 첫번째 띠는 10의 자리수의 숫자, 두번째 띠는 1의 자리수, 세번째 띠는 10의 배수를 의미. 마지막 네번째 띠는 오차를 나타냄
• 5색 띠 저항 읽는법: 첫번째 띠는 100의 자리수의 숫자, 두번째 띠는 10의 자리수, 세번째 때는 1의 자리 수. 5색의 경우 네번째 띠는 10의 배수, 마지막 다섯번째 띠는 오차를 나타냄

• 정류 다이오드: 전류를 일정한 방향으로 흐를 수 있도록 도와주는 소자로 역전류를 방지하여 회로를 보호하는 역할
• 트랜지스터: 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 기능을 가진 소자. 주로 작은 소리를 증폭하여 출력하는 스피커, 전원을 키고 끄는 스위치로 사용

• 고속 데이터 전송을 위한 직렬 통신 인터페이스
• 컴퓨터와 외부 하드웨어 장치 간의 연결을 가능하게 함

• Raspberry Pi 4 및 그 이상의 모델에서 PCIe 레인을 제공
  • 기본적으로 USB 포트로 활용되지만 특정 보드에서는 PCIe 슬롯으로 전환 가능
• Raspberry Pi Compute Module 4(CM4)
  • 풀 사이즈 라즈베리파이에서 직접 PCIe 슬롯 제공은 없지만 CM4에서 PCIe 지원
  • PCIe 2.0 x1 레인 사용 가능(단일 레인, 최대 5Gbps)

• 특징
  • 마스터-슬레이브 방식의 양방향 통신
  • 핀이 적음
  • 속도: 기본속도는 100kHz, 최대 3.4MHz
  • 주소: 각 슬레이브 장치는 고유한 주소를 가짐
• 활용
  • 온도 센서, RTC(Real Time Clock), LCD 디스플레이 등
• I2C 통신 구조
  • 마스터: 클럭을 제공하고 데이터를 요청하거나 전송
  • 슬레이브: 요청에 따라 데이터를 제공하거나 수신

• 특징
  • 마스터-슬레이브 방식의 동기식 통신
  • 빠른 속도: MHz 단위의 빠른 데이터 전송(최대 10MHz 이상)
  • 다중 장치 연결: 각각의 슬레이브는 CS(Chip Select)
• 4개의 주요 핀
  • MOSI(Master Out Slave In): 마스터에서 슬레이브로 데이터 전송
  • MISO(Master In Slave Out): 슬레이브에서 마스터로 데이터 전송
  • SCK(Serial Clock): 마스터가 제공하는 클럭 신호
  • CS(Chip Select): 슬레이브 장치를 선택
• SPI 활용 예시
  • 고해상도 디스플레이, SD 카드, DAC(디지털-아날로그 변환기)

• 특징
  • 비동기식 직렬 통신
• 단일 장치 간 통신
  • 두 장치 간의 직렬 통신, 마스터-슬레이브 개념 없음
• 핀이 적음
  • TX(Transmit): 데이터를 전송하는 핀
  • RX(Receive): 데이터를 수신하는 핀

• 속도: SPI > I2C > UART
• 복잡성: SPI가 가장 복잡, I2C는 간단한 주소 체계, UART는 점대점 간 통신
• 핀이 필요: SPI(4개 이상) > I2C(2개) > UART(2개)
• 장치 수: I2C는 여러 슬레이브 가능, SPI는 여러 슬레이브 가능, UART는 1:1 통신

• I2C, SPI, UART 사용 설정: raspi-config에서 통신 프로토콜을 활성화 가능

 sudo raspi-config

• Python 라이브러리: smbus, spidev, pySerial 라이브러리로 통신 구현 가능

• I2C 예제(온도 센서 읽기)

import smbus
bus = smbus.SMBus(1)
temp = bus.read_byte_data(0x48, 0)
print("Temperature: ", temp)

• SPI 예제(ADC 값 읽기)

import spidev
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
adc = spi.xfer2([1, (8 + 0) << 4, 0])
print("ADC value: ", adc)

• UART 예제(GPS 모듈 데이터 읽기)

import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 9600, timeout=1)
while True:
    gps_data = ser.readline()
    print(gps_data.decode('utf-8'))

• 전자 회로와의 상호작용을 위한 범용 핀
• 디지털 신호를 입력받거나 출력할 수 있음

• Physical Pin Numbering: 실제 보드에서의 핀 번호
• BCM Numbering: BCM Numbering: Broadcom SoC에서 정의된 핀 번호
• 3.3V 핀과 5V 핀: 전원 공급
• GND 핀: 접지
• GPIO 핀: 데이터 입력 / 출력 제어

• 입력: 스위치 등 외부 장치로부터 신호 수신
• 출력: LED 같은 장치 제어
• PWM: 서브 모터와 같은 장치의 속도 및 위치 제어
• I2C, SPI, UART: 통신 프로토콜을 사용한 외부 장치와의 데이터 교환

• Python 사용: RPi.GPIO 라이브러리로 핀 제어 가능
• C/C++, Scratch, Node.js 등도 사용 가능
• LED를 켜고 끄는 간단한 Python 코드:

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 핀 설정
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

# LED 켜기/끄기
GPIO.output(18, GPIO.HIGH)  # LED 켜기
time.sleep(1)
GPIO.output(18, GPIO.LOW)   # LED 끄기
GPIO.cleanup()

• 코드

from gpiozero import LED

led = LED(12) # LED 핀 OUTPUT 지정: GPIO 12

# 무한반복
while True:
    number_input=int(input("Enter 0 or 1: ")) # 코드 실행 시 Enter 0 or 1: 출력
    
    if number_input == 1: # 1 입력 시 LED ON
        led.on()
        print('P1 on -> led1 on')
    if number_input == 0: # 0 입력 시 LED OFF
        led.off()
        print('P1 off -> led1 off')

• 실습 사진

• 실습 동영상

• 코드

from gpiozero import LED
from gpiozero import Button
from time import sleep

led = LED(21) # LED 핀 OUTPUT 지정: GPIO 21
switch = Button(20) # 스위치 핀 INPUT 지정: GPIO 20
pullup = LED(16) # 풀업 핀 OUTPUT 지정: GPIO 16

# 무한반복
while True:
    pullup.on() # 풀업 '1' 상태 유지
    sleep(0.5) # 0.5초 딜레이
    
    if switch.is_pressed: # 스위치를 누르고 있으면 LED ON
        led.on()
        print("switch: on")
    else: # 스위치에서 손을 떼면 LED OFF
        led.off()
        print("switch: off")

• 실습 사진

  

• 실습 동영상

• 코드

from gpiozero import LED
from gpiozero import Button
from time import sleep

led = LED(21) # LED 핀 OUTPUT 지정: GPIO 21
switch = Button(20) # 스위치 핀 INPUT 지정: GPIO 20
pulldown = LED(16) # 풀다운 핀 OUTPUT 지정: GPIO 16

# 무한반복
while True: 
    pulldown.off() # 풀다운 '0' 유지
    sleep(0.5) # 0.5초 딜레이

    if switch.is_pressed: # 버튼을 누르지 않을 시 LED OFF
        led.off()
        print("switch: off")
      else: # 버튼을 누르고 있을 때 LED ON
        led.on()
        print("switch: on")

• 실습 사진

  

• 실습 동영상

• 기초전기전자에 대해 다시한번 복습하는 시간을 가졌고 라즈베리파이로 실습을 해보며 파이썬으로 어떻게 적용하는지 제대로 알 수 있는 시간이였습니다. GPIO와 I2C, SPI, UART들에 대해서도 다시 확인할 수 있었고 리눅스 명령어들을 처음 봤었는데 어떻게 사용하는지 알 수 있는 시간이였습니다.