STM32F4로 디지털 오실로스코프 만들기: 초보자도 쉽게 따라하는 가이드 🔬🔧

안녕, 친구들! 오늘은 정말 흥미진진한 주제로 찾아왔어. 바로 STM32F4 마이크로컨트롤러를 이용해서 디지털 오실로스코프를 만드는 방법에 대해 알아볼 거야. 😎 이 프로젝트는 단순히 재미있는 것뿐만 아니라, 실제로 유용한 도구를 만들 수 있는 좋은 기회이기도 해. 그리고 이런 프로젝트를 통해 얻은 지식과 경험은 나중에 재능넷 같은 플랫폼에서 다른 사람들과 공유할 수 있는 귀중한 자산이 될 수 있지. 자, 그럼 시작해볼까?

1. 디지털 오실로스코프란 뭘까? 🤔

먼저, 디지털 오실로스코프가 뭔지 알아보자. 오실로스코프는 전기 신호를 시각화해주는 장비야. 쉽게 말해, 전기가 어떻게 흐르는지 눈으로 볼 수 있게 해주는 거지. 😮

🔍 오실로스코프의 주요 기능:

전압 측정
주파수 분석
신호의 형태 관찰
노이즈 검출

디지털 오실로스코프는 아날로그 오실로스코프와 달리 신호를 디지털로 변환해서 처리해. 이렇게 하면 더 정확하고 다양한 분석이 가능해지지. 우리가 만들 STM32F4 기반 디지털 오실로스코프도 이런 원리로 동작할 거야.

2. STM32F4 소개: 우리의 핵심 두뇌 🧠

STM32F4는 ARM Cortex-M4 프로세서를 기반으로 한 고성능 마이크로컨트롤러야. 이 작은 칩 하나로 정말 다양한 일을 할 수 있어. 오실로스코프 만들기에 딱이지!

📌 STM32F4의 주요 특징:

고속 ADC (아날로그-디지털 변환기)
DMA (직접 메모리 접근) 지원
풍부한 주변장치 인터페이스
저전력 모드

STM32F4는 마치 스위스 군용 칼 같아. 다재다능하고 강력하지. 이런 특성 덕분에 우리의 디지털 오실로스코프 프로젝트에 완벽한 선택이 될 거야.

3. 프로젝트 준비: 무엇이 필요할까? 🛠️

자, 이제 본격적으로 프로젝트를 시작해볼까? 먼저 필요한 것들을 준비해보자.

🛒 준비물 목록:

STM32F4 개발 보드 (예: STM32F4Discovery)
USB 케이블 (보드 연결용)
브레드보드와 점퍼 와이어
저항, 커패시터 등의 기본 전자 부품
LCD 디스플레이 (예: 16x2 또는 그래픽 LCD)
프로브 (신호 입력용)

이 정도면 기본적인 준비는 끝났어. 하지만 잠깐, 여기서 중요한 팁 하나! 만약 전자 부품을 구하기 어렵다면, 재능넷에서 관련 전문가를 찾아보는 것도 좋은 방법이야. 때로는 경험 많은 사람의 조언 한마디가 수많은 시행착오를 줄여줄 수 있거든.

4. 하드웨어 설정: 회로를 구성해보자 🔌

이제 하드웨어를 설정할 차례야. 이 부분이 조금 까다로울 수 있지만, 천천히 따라오면 돼.

🔧 하드웨어 설정 단계:

STM32F4 보드에 전원 연결
신호 입력 회로 구성
LCD 디스플레이 연결
필요한 경우 추가 버튼이나 LED 연결

신호 입력 회로는 특히 중요해. 우리가 측정하려는 신호를 STM32F4의 ADC가 읽을 수 있는 범위로 조정해주는 역할을 하거든. 보통 전압 분배기와 연산 증폭기를 사용해서 이 부분을 구현해.

이 다이어그램을 보면 신호의 흐름을 이해하기 쉬울 거야. 입력 신호가 전압 분배기를 통과하고, 그 다음 연산 증폭기를 거쳐 STM32F4의 ADC로 들어가는 과정이지.

5. 소프트웨어 개발: 코드를 작성해보자 💻

하드웨어 설정이 끝났다면, 이제 소프트웨어를 개발할 차례야. STM32F4를 프로그래밍하기 위해서는 보통 C 언어를 사용해. 처음에는 어려워 보일 수 있지만, 차근차근 설명할 테니 걱정하지 마!

📝 주요 개발 단계:

개발 환경 설정 (예: STM32CubeIDE)
ADC 초기화 및 설정
DMA 설정
타이머 설정
LCD 제어 코드 작성
메인 로직 구현

먼저, ADC 설정부터 살펴볼까? 여기서 ADC는 아날로그 신호를 디지털로 변환해주는 핵심 부품이야.


// ADC 초기화 코드 예시
void ADC_Init(void) {
    // ADC 클럭 활성화
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    
    // ADC 설정
    ADC1->CR1 = 0;
    ADC1->CR2 = 0;
    
    // 12비트 해상도, 연속 변환 모드
    ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_0;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT;
    
    // 채널 설정 (예: 채널 1)
    ADC1->SQR3 = 1;
    
    // ADC 활성화
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}

이 코드는 ADC를 초기화하고 기본적인 설정을 하는 과정이야. 12비트 해상도로 설정했고, 연속 변환 모드를 사용하고 있어. 이렇게 하면 신호를 계속해서 읽을 수 있지.

다음으로, DMA 설정을 해볼까? DMA는 CPU의 개입 없이 데이터를 직접 메모리로 전송할 수 있게 해주는 강력한 기능이야.


// DMA 초기화 코드 예시
void DMA_Init(void) {
    // DMA 클럭 활성화
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN;
    
    // 스트림 설정
    DMA2_Stream0->CR = 0;
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_CHSEL_0;  // 채널 0 선택
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_PL_1;     // 우선순위 높음
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_MSIZE_0;  // 메모리 데이터 크기: 16비트
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_PSIZE_0;  // 주변장치 데이터 크기: 16비트
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_MINC;     // 메모리 주소 증가
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_CIRC;     // 순환 모드
    
    // 데이터 개수 설정
    DMA2_Stream0->NDTR = BUFFER_SIZE;
    
    // 주소 설정
    DMA2_Stream0->PAR = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)adc_buffer;
    
    // DMA 활성화
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_EN;
}

이 코드는 DMA를 설정하는 과정이야. ADC에서 읽은 데이터를 자동으로 메모리 버퍼로 전송하도록 설정하고 있어. 이렇게 하면 CPU가 다른 작업을 하는 동안에도 계속해서 데이터를 수집할 수 있지.

이제 타이머 설정을 해볼까? 타이머는 일정한 간격으로 ADC 변환을 트리거하는 데 사용돼.


// 타이머 초기화 코드 예시
void Timer_Init(void) {
    // 타이머 클럭 활성화
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    
    // 타이머 주기 설정
    TIM2->PSC = 83;  // 프리스케일러
    TIM2->ARR = 999; // 오토 리로드 레지스터
    
    // 출력 비교 모드 설정
    TIM2->CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;
    TIM2->CCER = TIM_CCER_CC1E;
    
    // 타이머 활성화
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

이 코드는 타이머를 설정하는 과정이야. 여기서는 TIM2를 사용해서 주기적으로 ADC 변환을 트리거하도록 설정했어. 이렇게 하면 일정한 샘플링 속도를 유지할 수 있지.

마지막으로, LCD를 제어하는 코드를 작성해볼까? 여기서는 간단한 16x2 문자 LCD를 예로 들어볼게.


// LCD 초기화 및 제어 코드 예시
void LCD_Init(void) {
    // LCD 핀 설정
    // ...

    // LCD 초기화 명령 전송
    LCD_SendCommand(0x33);
    LCD_SendCommand(0x32);
    LCD_SendCommand(0x28);
    LCD_SendCommand(0x0C);
    LCD_SendCommand(0x06);
    LCD_SendCommand(0x01);
}

void LCD_SendCommand(uint8_t cmd) {
    // RS 핀을 Low로 설정 (명령 모드)
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_RS_GPIO_Port, LCD_RS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 명령 전송
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D4_GPIO_Port, LCD_D4_Pin, (cmd >> 4) & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D5_GPIO_Port, LCD_D5_Pin, (cmd >> 5) & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D6_GPIO_Port, LCD_D6_Pin, (cmd >> 6) & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D7_GPIO_Port, LCD_D7_Pin, (cmd >> 7) & 0x01);
    
    // Enable 펄스 생성
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_EN_GPIO_Port, LCD_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_EN_GPIO_Port, LCD_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1);
    
    // 하위 4비트 전송
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D4_GPIO_Port, LCD_D4_Pin, cmd & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D5_GPIO_Port, LCD_D5_Pin, (cmd >> 1) & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D6_GPIO_Port, LCD_D6_Pin, (cmd >> 2) & 0x01);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_D7_GPIO_Port, LCD_D7_Pin, (cmd >> 3) & 0x01);
    
    // Enable 펄스 생성
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_EN_GPIO_Port, LCD_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_EN_GPIO_Port, LCD_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1);
}

void LCD_SendData(uint8_t data) {
    // RS 핀을 High로 설정 (데이터 모드)
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_RS_GPIO_Port, LCD_RS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    
    // 데이터 전송 (명령 전송과 유사한 방식)
    // ...
}

void LCD_Print(char* str) {
    while (*str) {
        LCD_SendData(*str++);
    }
}

이 코드는 LCD를 초기화하고 문자를 출력하는 기본적인 함수들이야. LCD_Init() 함수로 LCD를 초기화하고, LCD_SendCommand()와 LCD_SendData() 함수로 명령과 데이터를 전송해. LCD_Print() 함수는 문자열을 LCD에 출력하는 데 사용할 수 있어.

자, 이제 이 모든 것을 합쳐서 메인 로직을 구현해볼까?


// 메인 함수
int main(void) {
    // 시스템 초기화
    SystemInit();
    
    // 주변장치 초기화
    ADC_Init();
    DMA_Init();
    Timer_Init();
    LCD_Init();
    
    // 변수 선언
    uint16_t max_value = 0;
    uint16_t min_value = 65535;
    float voltage;
    char lcd_buffer[16];
    
    while (1) {
        // 최대값과 최소값 계산
        for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
            if (adc_buffer[i] > max_value) max_value = adc_buffer[i];
            if (adc_buffer[i] < min_value) min_value = adc_buffer[i];
        }
        
        // 전압 계산 (3.3V 기준)
        voltage = (float)max_value * 3.3f / 4096.0f;
        
        // LCD에 결과 출력
        sprintf(lcd_buffer, "Vmax: %.2fV", voltage);
        LCD_SetCursor(0, 0);
        LCD_Print(lcd_buffer);
        
        sprintf(lcd_buffer, "Vmin: %.2fV", (float)min_value * 3.3f / 4096.0f);
        LCD_SetCursor(0, 1);
        LCD_Print(lcd_buffer);
        
        // 잠시 대기
        HAL_Delay(500);
        
        // 값 초기화
        max_value = 0;
        min_value = 65535;
    }
}

이 메인 함수에서는 모든 것을 종합해서 실제로 오실로스코프처럼 동작하도록 만들었어. ADC로 신호를 읽고, 최대값과 최소값을 계산한 다음, 그 결과를 LCD에 출력하는 거지. 이렇게 하면 기본적인 디지털 오실로스코프의 기능을 구현할 수 있어!

6. 테스트와 디버깅: 작동하나요? 🔍

코드를 다 작성했다면, 이제 테스트와 디버깅을 할 차례야. 이 과정은 생각보다 시간이 많이 걸릴 수 있어. 하지만 걱정하지 마, 모든 개발자가 거치는 과정이니까!

🐞 디버깅 팁:

LED를 사용해 코드의 특정 부분이 실행되는지 확인
시리얼 통신을 통해 중간 결과값 출력
오실로스코프나 로직 애널라이저 사용 (있다면!)
단계별로 기능 테스트

가장 중요한 건 인내심이야. 처음부터 완벽하게 동작하는 경우는 거의 없어. 문제가 발생하면 차분히 원인을 찾아가면서 해결해 나가는 게 중요해.

7. 성능 개선: 더 좋게 만들어보자! 🚀

기본적인 기능이 구현됐다면, 이제 성능을 개선할 차례야. 여기서는 몇 가지 아이디어를 제안해볼게.

🔧 성능 개선 아이디어:

샘플링 속도 향상
트리거 기능 추가
FFT 구현으로 주파수 분석 기능 추가
그래픽 LCD로 파형 직접 표시
USB 연결로 PC와 데이터 교환

이 중에서 트리거 기능을 추가하는 방법을 간단히 살펴볼까?


// 트리거 기능 구현 예시
#define TRIGGER_LEVEL 2048  // 12비트 ADC의 중간값

void WaitForTrigger(void) {
    uint16_t prev_sample = 0;
    uint16_t current_sample;
    
    while (1) {
        current_sample = ADC1->DR;  // ADC 값 읽기
        
        // 상승 에지 트리거 조건
        if (prev_sample < TRIGGER_LEVEL && current_sample >= TRIGGER_LEVEL) {
            break;  // 트리거 조건 만족, 루프 탈출
        }
        
        prev_sample = current_sample;
    }
}

이 코드는 간단한 상승 에지 트리거를 구현한 거야. 신호가 특정 레벨을 넘어설 때 데이터 캡처를 시작하도록 해. 이렇게 하면 주기적인 신호의 시작점을 정확히 잡을 수 있지.