라즈베리 파이 센서

이 기사에서 Rushi Gajjar , 책 Raspberry Pi Sensors의 저자인 RasPi 프로젝트를 빌드하는 데 필요한 기본 요구사항을 확인할 수 있습니다. 전자 제품 없이는 하루도 보낼 수 없잖아요? 전자 제품은 칫솔부터 자동차, 항공기 및 우주선에 이르기까지 어디에나 있습니다. 이 기사는 RasPi로 작업하는 동안 매우 유용할 수 있는 전자 제품의 개념을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

전자 관련 책을 많이 읽었을 수 있으며 실제로 프로젝트를 만들거나 구축하고 싶을 때 개념에 지루해했을 수 있습니다. 전자 제품과 그 응용 분야에 대해 설명하는 데는 이유가 있어야 한다고 생각합니다.

전자 제품에 대해 알게 되면 전자 부품 간의 통신과 이를 수행하기 위한 다양한 기술과 관련하여 통신 프로토콜과 그 용도를 살펴보겠습니다. RasPi에서 GPIO 작업을 시작하기 전에 유용한 팁과 주의 사항이 나열되어 있습니다. 그런 다음 GPIO의 기능을 이해하고 쉘, Python 및 C 코드를 사용하여 LED를 깜박입니다.

전자공학의 몇 가지 기본 사항을 살펴보겠습니다.

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전자공학의 기본 용어

전자 제품의 세계에는 수많은 용어가 사용됩니다. 하드웨어에서 소프트웨어에 이르기까지 놀라운 제품과 프로젝트를 만드는 데 사용되는 수백만 가지 개념이 있습니다. RasPi는 GPIO 포트를 통해 연결된 다양한 전자 장치를 제어하고 인터페이스하는 데 매우 편안하게 해주는 풍부한 전자 부품이 내장된 단일 보드 컴퓨터라는 것을 이미 알고 있습니다. 일반적으로 전자 제품에 대해 이야기할 때 하드웨어 또는 여러 집적 회로로 구성된 회로입니다. (IC ) 다른 저항, 커패시터, 인덕터 및 더 많은 구성 요소를 사용합니다. 그러나 항상 그런 것은 아닙니다. 프로그래밍 가능한 IC로 하드웨어를 구축할 때 내부 프로그래밍(소프트웨어)도 처리해야 합니다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러나 마이크로프로세서, 또는 RasPi의 경우에도 IC에 프로그램(기술적으로 영구적으로 프로그램 굽기/덤프)을 공급하여 IC에 전원이 공급될 때 다음 단계를 따르도록 할 수 있습니다. 우리가 원하는 방식으로 프로그램하고 행동합니다. 이것이 로봇, 세탁기 및 기타 가전 제품이 작동하는 방식입니다. 이러한 모든 어플라이언스는 응용 프로그램에 따라 다른 설계 복잡성을 가지고 있습니다. 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 수행할 수 있는 몇 가지 기능이 있습니다. 설계자는 두 가지 모두를 실험하여 절충안을 분석해야 합니다. 예를 들어 디코더 기능은 소프트웨어로 작성할 수 있으며 논리 IC를 연결하여 하드웨어에서 구현할 수도 있습니다. 개발자는 이러한 종류의 기능을 설계하기 위해 속도, 크기(하드웨어와 소프트웨어 모두에서), 복잡성 및 더 많은 매개변수를 분석해야 합니다. 이러한 이론을 논의하는 요점은 전자 장치가 얼마나 복잡할 수 있는지에 대한 아이디어를 얻는 것입니다. RasPi 프로젝트를 빌드하는 동안 자주 필요하기 때문에 이러한 용어를 아는 것이 매우 중요합니다.

누가 전압을 발견 했습니까? 좋아요, 지금은 중요하지 않습니다. 먼저 이해합시다. 기본 개념은 물의 흐름 뒤에 있는 물리학을 따릅니다. 물은 두 가지 방식으로 흐를 수 있습니다. 하나는 폭포(예:산 정상에서 지상으로)이고 두 번째는 워터 펌프를 사용하는 강제 흐름입니다. 전압을 이해하는 이면의 개념은 비슷합니다. 전압은 두 지점 사이의 전위차로, 전압 차이로 인해 높은 전위에서 낮은 전위로 전하(전자)가 흐를 수 있습니다. 앞의 예를 이해하려면 폭포수에 비유할 수 있는 번개와 물 펌프에 비유할 수 있는 배터리를 생각해 보십시오. 배터리가 회로에 연결되면 배터리 내부의 화학 반응이 양극 단자에서 음극 단자로 전하의 흐름을 펌핑합니다. 전압은 항상 볼트(V)로 표시됩니다. AA 배터리 셀은 일반적으로 3V를 공급합니다. 그런데 전압이라는 용어는 당시 배터리 셀로 알려진 볼타 전지를 발명한 위대한 과학자 알레산드로 볼타의 이름을 따서 명명되었습니다.

전류는 전하(전자)의 흐름입니다. 전압 차가 생성될 때마다 전류가 양극(상단) 단자에서 음극(하단) 단자로 고정된 방향으로 흐릅니다(일반 전류라고 함). 전류는 암페어(A)로 측정됩니다. 전자 전류는 배터리의 음극 단자에서 양극 단자로 흐릅니다. 혼동을 방지하기 위해 배터리 또는 소스의 양극 단자에서 음극 단자까지의 기존 전류를 따릅니다.

옥스퍼드 사전에 있는 "resist"라는 단어의 의미는 "멈추거나 방지하려고 시도하다"입니다. 정의에서 알 수 있듯이 저항은 단순히 전류의 흐름을 방지합니다. 저항에 전류가 흐르면 저항에 전압 강하가 발생합니다. 이 강하는 저항을 통해 흐르는 전류의 양과 저항 값에 직접적으로 의존합니다. 저항(또는 회로)에서 전압 강하의 양을 계산하는 데 사용되는 공식이 있으며, 이를 옴의 법칙이라고도 합니다(V =I * R ). 저항은 옴(Ω)으로 측정됩니다. 이 예에서 저항이 어떻게 계산되는지 봅시다. 저항이 10Ω이고 저항에서 흐르는 전류가 1A이면 저항 양단의 전압 강하는 10V입니다. 다음은 또 다른 예입니다. 5V 전원에 LED를 연결할 때 330Ω 저항을 LED와 직렬로 연결하여 과도한 전류로 인해 LED가 끊어지는 것을 방지합니다. 저항기는 내부에 약간의 전압을 떨어뜨리고 LED를 보호합니다. 우리는 프로젝트를 개발하기 위해 저항기를 광범위하게 사용할 것입니다.

저항기는 열의 형태로 에너지를 발산합니다. 이와 대조적으로 커패시터는 두 개의 전도성 판 사이에 에너지를 저장합니다. 종종 커패시터는 필터 회로에 공급되는 전압을 필터링하고 증폭기 회로에서 명확한 음성을 생성하는 데 사용됩니다. 이 기사에서는 커패시턴스의 개념을 설명하는 것이 너무 무거우므로 요점으로 가겠습니다. 에너지를 저장할 배터리가 있는데 회로에 커패시터를 사용해야 하는 이유는 무엇입니까? 회로에 커패시터를 사용하면 몇 가지 이점이 있습니다. 많은 책에서 이것이 필터 또는 서지 억제기 역할을 한다고 말하고 전력 평활, 디커플링, DC 차단 등과 같은 용어를 사용합니다. 우리 애플리케이션에서 센서가 있는 커패시터를 사용하면 마이크로프로세서가 해당 전압 값을 읽을 수 있는 충분한 시간을 갖도록 일정 시간 동안 전압 레벨을 유지합니다. 센서의 데이터는 매우 다양합니다. 잘못된 계산을 피하기 위해 마이크로프로세서가 해당 값을 읽는 동안 안정적이어야 합니다. 커패시터의 유지 시간은 RC 시정수에 따라 달라지며, 이는 실제로 사용할 때 설명하겠습니다.

이제 주목해야 할 흥미로운 점이 있습니다. 단자에서 사용할 수 있는 전압이 있지만 단자 간에 연결된 구성 요소가 없는 경우에는 종종 개방 회로라고 하는 전류 흐름이 없습니다. 반대로 두 개의 단자가 연결되어 구성 요소가 있든 없든 전하가 흐르면 단락, 연결 회로 또는 폐쇄 회로라고 합니다.

<블록 인용>

다음은 경고입니다. 배터리, 어댑터 및 충전기와 같은 전원 공급 장치의 두 단자를 단락(직접 연결)하지 마십시오. 이는 화재 손상 및 구성 요소 고장을 포함하여 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다. 저항이 없는 도선을 연결하면 옴의 법칙에 따라 R =0Ω, I =V/0이므로 I =∞A가 됩니다. 이론상으로는 무한(uncountable)이라고 하며, 실제로는 불이나 폭발을 의미합니다!

전기 이론에서 구성 요소를 통해 흐르는 전류가 경로로 나뉘지 않으면 직렬 연결입니다. 또한 각 구성 요소에 흐르는 전류가 동일하면 해당 구성 요소를 직렬이라고 합니다. 모든 구성 요소의 전압이 동일하면 연결이 병렬이라고 합니다. 회로에는 직렬 및 병렬 연결의 조합이 있을 수 있습니다. 따라서 회로는 순전히 직렬 또는 병렬 회로가 아닐 수 있습니다. 다음 다이어그램에 표시된 회로를 연구해 보겠습니다.

언뜻 보기에 이 그림은 많은 표기법으로 복잡해 보이지만 각 구성 요소를 개별적으로 살펴보겠습니다. 왼쪽 그림은 구성 요소의 직렬 연결입니다. 배터리 공급 전압 (V ) 및 현재 (나 ). 전류 흐름의 방향은 시계 방향으로 표시됩니다. 설명한 바와 같이 직렬 연결에서 모든 구성 요소에 흐르는 전류는 동일하지만 모든 구성 요소의 전압 값은 다릅니다. 따라서 V =V1 + V2 + V3 . 예를 들어 배터리가 12V를 공급하는 경우 각 저항의 전압은 4V입니다. 각 저항을 통해 흐르는 전류는 4mA입니다(V =IR 및 R =R1 + R2 + R3 =3K ).

오른쪽 그림은 병렬 연결을 나타냅니다. 여기에서 각 구성 요소는 동일한 전압을 얻지만 전류는 다른 경로로 나뉩니다. 배터리의 양극 단자에서 흐르는 전류는 I이며 I1과 I2로 나뉩니다. I1이 다음 노드로 흐를 때 다시 두 부분으로 나누어 R5와 R6을 통해 흐른다. 따라서 병렬 회로에서 I =I1 + I2 . 전압은 모든 저항에서 동일하게 유지됩니다. 예를 들어 배터리가 12V를 공급하는 경우 모든 저항의 전압은 12V이지만 모든 저항을 통과하는 전류는 다릅니다. 병렬 연결 예에서 각 회로에 흐르는 전류는 전류 분할 방정식을 적용하여 계산할 수 있습니다. 계산해 보세요!

직렬 및 병렬 회로의 조합이 있는 경우 더 많은 계산과 분석이 필요합니다. Kirchhoff의 법칙, 노드 및 메쉬 방정식은 이러한 종류의 회로를 푸는 데 사용할 수 있습니다. 이 모든 것은 이 기사에서 설명하기에는 너무 복잡합니다. 표준 회로 이론 관련 서적을 참조하고 이에 대한 전문 지식을 얻을 수 있습니다.

<블록 인용>

Kirchhoff의 전류 법칙:전기 회로의 모든 노드(접합)에서 해당 노드로 흐르는 전류의 합은 해당 노드에서 흐르는 전류의 합과 같습니다.

Kirchhoff의 전압 법칙:닫힌 네트워크 주변의 전위차(전압)의 방향 합은 0입니다.

풀업 및 풀다운 저항은 전자 시스템 설계에서 중요한 용어 중 하나입니다. 제목에서 알 수 있듯이 풀업 및 풀다운의 두 가지 유형의 풀링 저항이 있습니다. 둘 다 동일한 기능을 가지고 있지만 차이점은 풀업 저항은 단자를 공급된 전압으로 당기고 풀다운 저항은 단자를 접지 또는 공통 라인으로 당깁니다. 풀링 저항을 노드나 터미널에 연결하는 것의 중요성은 특정 터미널에 입력이 없을 때 논리 레벨을 기본값으로 되돌리는 것입니다. 풀업 또는 풀다운 저항을 포함하는 이점은 회로를 노이즈에 취약하게 만들고 로직 레벨(1 또는 0)을 전압 측면에서(노이즈로 인한) 작은 변화에서 변경할 수 없다는 것입니다. 단말기. 다음 그림에 표시된 예를 살펴보겠습니다. NOT 게이트가 있는 풀업 예를 보여줍니다(NOT 게이트는 OUT 단자에서 반전된 출력을 제공하므로 논리 1이 입력이면 출력은 논리 0입니다). 풀업 저항이 있는 경우와 없는 경우의 효과를 살펴보겠습니다. 풀다운 저항도 마찬가지입니다.

일반적으로 논리 게이트는 입력 단자의 임피던스가 높기 때문에 입력 단자에 연결이 없을 때를 플로팅(floating)이라고 합니다. 이제 앞의 그림에서 가장 왼쪽 연결은 스위치가 열려 있을 때(OFF 상태) 입력 단자를 부동 상태로 유지하고 노이즈가 NOT 게이트의 입력 상태를 변경할 수 있기 때문에 권장되지 않습니다. 소음의 원인은 무엇이든 될 수 있습니다. 열린 터미널조차도 안테나 역할을 할 수 있으며 NOT 게이트의 핀에 노이즈를 생성할 수 있습니다. 가운데 보이는 회로는 저항이 없는 pull-up 회로이므로 사용하지 않는 것이 좋습니다. 이러한 종류의 연결을 풀업이라고 할 수 있지만 절대 사용해서는 안 됩니다. 스위치가 닫힐 때(ON 상태) VCC는 단락과 동일한 접지에 대한 직접 경로를 얻습니다. 많은 양의 전류가 VCC에서 접지로 흐르게 되어 회로가 손상될 수 있습니다.

가장 오른쪽 그림은 약간의 전압 강하가 발생하는 저항이 있기 때문에 가장 좋은 풀업 방법을 보여줍니다. 스위치가 열리면 NOT 게이트의 터미널이 기본값인 VCC(풀업)로 플로팅됩니다. 스위치가 닫히면 NOT 게이트의 입력 단자가 접지에 연결되고 논리 0 상태가 됩니다. 저항을 통해 흐르는 전류는 이번에는 공칭입니다. 예를 들어 VCC =5V, R7 =1K, I =V/R인 경우 , 다음 I =5mA, 이는 안전 영역에 있습니다. 풀다운 회로의 경우 스위치와 저항 사이에 교환이 있을 수 있습니다. 저항은 접지와 NOT 게이트의 입력 단자 사이에 연결됩니다. 센서와 IC를 사용할 때 데이터시트나 기술매뉴얼에 pull-up이나 pull-down을 사용하는 표기가 있으면 필요한 곳에 사용하는 것을 권장함을 유념하시기 바랍니다.

통신 프로토콜

지금까지 많은 이론이었습니다. 마이크로프로세서의 주변 장치로 IC 및 디지털 센서를 비롯한 수많은 구성 요소가 있을 수 있습니다. 주변 장치에는 많은 양의 데이터가 있을 수 있으며 이를 프로세서로 보내야 할 수도 있습니다. 그들은 어떻게 의사 소통합니까? 프로세서는 데이터가 들어오고 센서에서 전송되고 있음을 어떻게 이해합니까? IC와 마이크로프로세서 사이에는 직렬 또는 병렬 데이터 라인 연결이 있습니다. 병렬 연결은 직렬 연결보다 빠르지만 더 많은 라인(예:8, 16 또는 그 이상)이 필요하기 때문에 덜 선호됩니다. PCI 버스는 병렬 통신의 한 예가 될 수 있습니다. 일반적으로 복잡하거나 고밀도인 회로에서 프로세서는 많은 주변 장치에 연결되며, 이 경우 추가 단일 IC를 연결하기 위해 그렇게 많은 자유 핀/라인을 가질 수 없습니다. 직렬 통신에는 사용되는 프로토콜에 따라 최대 4개의 회선이 필요합니다. 그래도 직렬 통신이 병렬보다 낫다고 말할 수는 없지만 핀 수가 적을 때는 직렬 통신이 선호됩니다. 직렬 통신에서 데이터는 프레임 또는 패킷을 통해 전송됩니다. 큰 데이터는 청크로 분할되어 프레임 또는 패킷에 의해 라인을 통해 전송됩니다. 이제 프로토콜이란 무엇입니까? 프로토콜은 IC를 마이크로프로세서에 연결하는 동안 따라야 하는 일련의 규칙이며 연결에만 국한되지 않습니다. 이 프로토콜은 또한 데이터 프레임 구조, 프레임 길이, 전압 레벨, 데이터 유형, 데이터 속도 등을 정의합니다. UART, FireWire, 이더넷, SPI, I2C 등과 같은 많은 표준 직렬 프로토콜이 있습니다. RasPi 1 모델 B, A+, B+ 및 RasPi 2 모델 B에는 확장 포트에서 사용할 수 있는 SPI 핀 1개, I2C 핀 1개, UART 핀 1개가 있습니다. 우리는 이러한 프로토콜을 하나씩 보게 될 것입니다.

UART는 거의 모든 PC 또는 마이크로프로세서에서 볼 수 있는 매우 일반적인 인터페이스 또는 프로토콜입니다. UART는 Universal Asynchronous Receiver and Transmitter의 약어입니다. 이것은 RS-232 표준이라고도 합니다. 이 프로토콜은 특정 통신 인스턴스에 대한 전기적, 기계적 및 물리적 특성을 포함하는 전이중 및 완전한 표준입니다. 데이터가 버스를 통해 전송될 때 데이터 레벨은 RS-232 버스 레벨에 맞게 변경되어야 합니다. 다양한 전압이 버스의 송신기에서 전송됩니다. 3V보다 큰 전압 값은 논리 0이고 -3V보다 작은 전압 값은 논리 1입니다. -3V ~ 3V 사이의 값을 정의되지 않은 상태라고 합니다. 마이크로프로세서는 데이터를 트랜지스터-트랜지스터 로직으로 보냅니다. (TTL ) 수준; 버스로 보낼 때 전압 레벨을 RS-232 표준으로 높여야 합니다. 즉, 마이크로프로세서의 논리 레벨(0V 및 5V)에서 이러한 레벨로 전압을 변환하고 다시 이 레벨로 변환하려면 MAX232와 같은 레벨 시프터 IC가 필요합니다. 데이터는 DB9 커넥터와 RS-232 케이블을 통해 전송됩니다. 레벨 시프팅은 장거리 통신 시 유용합니다.

이러한 추가 레벨 시프터 IC 없이 연결해야 하는 경우 어떻게 됩니까? 이 연결을 다음 그림과 같이 NULL 연결이라고 합니다. 송신기의 송신 및 수신 핀이 교차 연결되고 접지 핀이 공유되는 것을 관찰할 수 있습니다. 이것은 근거리 통신에 유용할 수 있습니다. UART에서는 전송 속도(초당 전송되는 기호)가 송신기와 수신기 간에 일치해야 하는 것이 매우 중요합니다. 대부분의 경우 전송 속도는 9600 또는 115200을 사용합니다. UART 통신의 일반적인 프레임은 시작 비트(일반적으로 수신기에 데이터 스트림이 시작되려고 함을 알리는 0), 데이터(일반적으로 8비트) 및 정지 비트(일반적으로 수신기에게 전송이 시작될 것임을 알리는 1)로 구성됩니다. 이상).

자세한 내용:Raspberry Pi 센서