로봇HW - 1. MCU HW

HW 설계 문서

- 하드웨어 구성도(블록 다이어그램) : 모듈별 신호, 데이터 교환관계 표현

- 회로도 : 모듈 간 전기적 연결 표시

- 부품배치도(아트워크) : 실제 부품, 모듈을 배치 한 것

 

ATmega328 블록다이어그램

 

ATmega328p를 이용한 회로도 예시

 

 

 

 

부품 정보 확인하기

- 부품 리스트 : HW 구성 부품 목록 BOM(bill of materials 라고 함.

- 부품 데이터 시트 : 수동, 능동 소자의 기계/전기/기능적 특성을 알려줌

 

FPGA

- PLD Programmable Logic Device 보다 다양한 기능을 구현할수 있는 소자. 수백만 논리게이트 내장.

- 주문형 반도체 ASIC보다 느리고, 덜복잡하고 소비전력이 크지만 소량 생산이 용이

- HDL : 하드웨어 기술 언어로 VHDL, Verilog가 있으며 FPGA에서 하드웨어 기능 구현하는데 사용

 

 

 

하드웨어 구성요소와 하드웨어 시스템 관계

 

하드웨어 구성요소 종류

- 마이크로 프로세서 : 기계어 처리하는 논리회로

- 메모리 : 반도체로 만든 기억소자. SRAM(큰비용, 저용량), DRAM(캐패시터, 대용량. 동작방식에따라DRAM, SDRAM..)

- 저장장치 :  메모리에비해 느리나 저비용 대용량

- 입출력 장치 : 데이터 입출력 수행. 구분 방식으로 데이터 전송형식 직렬/병렬, 순차 흐름제어방식 동기/비동기로 구분

   ex) 비디오입출력(HDMI, DVI), 오디오입출력(I2S, SPDIF), 데이터 통신 장치(USB, IEEE1394, CAN, RS-232), 저장장치(PATA, SATA), 제어 장치(I2C, SPI, PWM, GPIO), 사용자 입력(키보드), 테스트(JTAG)

- 전원 장치 : 전원 공급 장치. 12V, 5V, 3.3V, 1.8V 등의 직류 전압이 많이 사용. 고압 교류 전원 110, 220V를 VDC로 변환함

- 시스템 구동장치 : 클럭(일정 주파수 전기적 펄스신호, 동기 기준), 리셋회로(쿨럭으로 동작하는 회로 초기화위한 신호)

전원공급회로. 5v를 인가받아 3.3v, 2.5v, 1.8v 만듬

클럭회로. 클럭을 생성해 회로 내 다른 구성요소에 공급

리셋 회로. 캐패시터와 저항으로 시상수회로를 만들어 지연시킨 리셋신호 발생시킴

 

 

메모리맵과 메모리 인터페이스

- 주소 버스(A0-A12)와 데이터 버스(D0-D15)을 통해 메모리 RW 수행

 

 

 

로봇 센서 종류

- 조이스틱 : XY축 움직임, 눌림 감지

- 소리 센서 : 소리 크기

- 장애물 감지, 불꽃 감지, 자기 센서, 터치 센서, 손습도 센서, 버튼, 심장 박동, 충격 센서, 로터리 엔코더, 기울기 스위치 등

 

로봇 MCU 입출력, 제어 모듈

- 릴레이 : 작은 신호로 큰전압/전류 ONOFF

- 부저 : 단음 소리

- 레이저 송신기, IR 송신기, LCD, 모터, 서보모터, FND

+ 통신 모듈 : 블루투스, 지그비, RF

 

센서 신호

- 디지털 출력 : 0 /5V or 0/3.3v 등, 거리가 멀면 감쇄되므로 리피터를 쓰기도 함.

- 아날로그  출력 : 0 ~ 5(3.3)v 사이 전압이나 4~ 20mA의 전류로 보냄.

- 통신 프레임 출력 : 사용하는 통신 프로토콜과 프레임에 따라 센서는 프레임 출력함.

 

 

프로세서

- CPU : 중앙 처리 장치 일반 범용PC에 사용

- MPU : 저비용 저속 소형 CPU ex) intel 4004

- MCU : MPU에 주변장치를 추가해 하나로 통합한 칩. MCU = MPU + 메모리 + 통신부 + 입출력부 등

 

통신 포트

- MCU는 다양한 통신 프로토콜을 따르는 기기들과 연결할수 있도록 통신 포트 제공

- 기본적으로 RS-232의 UART를 제공. TWI(=SPI), I2C, CAN, 이더넷도 제공하기도 함.

- MCU는 작은 전압을 쓰므로 먼 거리의 장치와 통신하기 위해 신호 증폭을 위한 IC, 안테나, 커넥터 등 사용

- 아래 장치는 3.3v MCU의 신호를 +-15V의 RS-232 통신으로 변환하도록 MAX3232를 이용한 회로

 

 

 

MCU 데이터시트 살펴보기

- 16MHz, 20MHz 동작. 488바이트 RAM. 16비트 워치독 타이머 등등..

 

 

로봇 MCU 입출력

- 디지털을 위한 입출력포트, 아날로그 입출력포트, 범용입출력포트 GPIO등 다양하게 제공

- 출력 전류가 수십 mA로 작아 필요시 트랜지스터나 연산증폭기 사용

- 센서 출력이 4~20mA 전류인 경우 -> 저항을 연결해 전압으로 변환. 

- 센서 출력이 너무 작거나 크다 -> 증폭 회로 이득을 조절 필요

 

 

MCU의 추가 기능

1. ISP In system Programming

- MCU가 동작할수 있도록 비휘발성 메모리에 펌웨어 업로드 필요. 

 -> 기억장치를 회로서 분리시키지 않고, 보드에 있는 그대로 내부 EEPROM이나 플래시메모리에 다운로드 하는 기능

- 개발 PC와 MCU간 통신을 위해 ISP 장비 필요. 인터페이스에 따라 ISP, PDI, TPI등이라 부름.

 

2. 절전기능

- 절전을 위한 슬립모드 지원