C 언어로 UART를 이용한 시리얼 통신 제어 방법

UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)는 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 통신 프로토콜로, 마이크로컨트롤러와 주변 장치 간 데이터 전송을 가능하게 합니다. 본 기사에서는 UART의 기본 개념과 C 언어를 사용하여 시리얼 통신을 구현하는 방법을 단계별로 설명하며, 이를 통해 효율적이고 안정적인 데이터 교환 기술을 익히는 데 도움을 제공합니다.

UART란 무엇인가

UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)는 데이터 전송을 위한 직렬 통신 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 송신자와 수신자 간에 데이터를 비동기 방식으로 교환하며, 하드웨어와 소프트웨어를 통해 구현될 수 있습니다.

UART의 기본 원리

UART는 데이터 프레임을 사용하여 전송합니다. 데이터 프레임은 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트(선택 사항), 정지 비트로 구성됩니다. 시작 비트는 수신 측에 데이터 전송의 시작을 알리고, 정지 비트는 전송 완료를 알립니다.

UART의 주요 특징

비동기 통신: 클럭 신호 없이 동작하며, 송신자와 수신자는 동일한 전송 속도(baud rate)를 사전에 설정해야 합니다.
양방향 통신: 송신과 수신이 독립적으로 이루어집니다.
간단한 하드웨어 구조: 일반적으로 송신(TX)과 수신(RX) 두 핀만 사용합니다.

UART의 용도

마이크로컨트롤러와 컴퓨터 간 데이터 전송
센서 데이터 수집 및 모니터링
임베디드 시스템에서 디버깅 및 로그 출력

UART는 간단하면서도 효과적인 통신 프로토콜로, 다양한 임베디드 시스템에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

시리얼 통신의 원리

시리얼 통신은 데이터를 한 번에 한 비트씩 전송하는 통신 방식으로, UART는 이러한 시리얼 통신의 대표적인 구현입니다. 시리얼 통신은 데이터를 효율적으로 전송하기 위해 다양한 구성 요소와 설정이 필요합니다.

데이터 전송 방식

직렬 방식: 데이터를 한 비트씩 순차적으로 전송하여 간단한 하드웨어 연결이 가능합니다.
동기식과 비동기식: 동기식은 송신자와 수신자가 동일한 클럭 신호를 공유하지만, 비동기식(예: UART)은 클럭 없이 사전에 합의된 전송 속도를 사용합니다.

기본 구성 요소

전송 속도(baud rate): 1초에 전송되는 비트 수를 나타냅니다. 송신자와 수신자는 동일한 속도로 설정해야 합니다.
데이터 비트: 데이터 프레임 내에 포함된 실제 정보 비트 수로, 일반적으로 7비트 또는 8비트를 사용합니다.
패리티 비트: 데이터의 무결성을 확인하기 위한 오류 검출 비트로, 짝수(even) 또는 홀수(odd) 패리티 방식이 있습니다.
정지 비트: 데이터 전송 종료를 나타내며, 일반적으로 1비트 또는 2비트를 사용합니다.

데이터 전송 과정

송신 측: 데이터를 시작 비트, 데이터 비트, 패리티 비트(선택 사항), 정지 비트로 구성한 프레임 형태로 전송합니다.
수신 측: 데이터 프레임을 해석하여 각 비트를 복원하고, 오류를 검출한 후 데이터를 처리합니다.

시리얼 통신의 장점

적은 핀 수로 데이터 전송 가능
긴 거리에서도 신뢰성 있는 데이터 전송
간단한 하드웨어와 소프트웨어 구성

이러한 원리를 기반으로 UART와 같은 시리얼 통신 기술은 마이크로컨트롤러와 외부 장치 간 데이터를 효율적으로 주고받을 수 있도록 지원합니다.

C 언어로 UART 설정하기

C 언어를 사용하여 UART를 설정하는 것은 임베디드 시스템에서 시리얼 통신을 구현하는 핵심 단계입니다. UART 설정 과정은 보통 하드웨어 레지스터의 초기화와 통신 매개변수 설정으로 이루어집니다.

UART 설정 단계

UART 핀 구성: TX(송신) 및 RX(수신) 핀을 올바르게 설정합니다.
보드 지원 패키지(BSP) 활용: UART 관련 레지스터를 제어하기 위해 보드 또는 프로세서에 제공되는 BSP를 사용합니다.
통신 매개변수 설정: 전송 속도, 데이터 비트, 패리티 비트, 정지 비트를 초기화합니다.

UART 설정 예제 코드

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>

void UART_Init(uint32_t baud_rate) {
    uint16_t ubrr_value = (F_CPU / (16 * baud_rate)) - 1; // UBRR 계산
    UBRR0H = (ubrr_value >> 8); // 상위 8비트 설정
    UBRR0L = ubrr_value;        // 하위 8비트 설정

    UCSR0B = (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0); // 송신(TX) 및 수신(RX) 활성화
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00); // 데이터 비트: 8비트
}

int main() {
    UART_Init(9600); // UART 초기화, 전송 속도: 9600bps
    while (1) {
        // 메인 루프
    }
    return 0;
}

핵심 레지스터 설명

UBRR: UART Baud Rate Register. 전송 속도 설정에 사용됩니다.
UCSR: UART Control and Status Register. 데이터 비트, 패리티 비트 등을 설정합니다.
UCSR0B: TX/RX 활성화.
UCSR0C: 통신 형식(데이터 비트, 패리티 비트 등) 설정.

설정의 중요성

올바르게 설정하지 않으면 통신 오류가 발생할 수 있습니다. 특히 송신자와 수신자의 설정 값이 일치해야 합니다.

이와 같은 초기화 과정을 통해 UART 기반의 안정적인 시리얼 통신을 구현할 수 있습니다.

데이터 송수신 구현

UART를 사용한 데이터 송수신은 마이크로컨트롤러와 외부 장치 간 통신의 핵심입니다. C 언어로 이를 구현하려면 송신과 수신 과정에 필요한 레지스터를 제어하고, 데이터를 효율적으로 처리하는 방법을 이해해야 합니다.

데이터 송신

UART를 통해 데이터를 송신하려면 데이터 레지스터에 값을 쓰고, 송신이 완료될 때까지 기다리는 과정을 거칩니다.

데이터 송신 코드 예제

void UART_Transmit(char data) {
    while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))) {
        // 송신 버퍼가 비워질 때까지 대기
    }
    UDR0 = data; // 데이터 레지스터에 데이터 쓰기
}

void UART_TransmitString(const char *str) {
    while (*str) {
        UART_Transmit(*str++); // 문자열을 한 문자씩 송신
    }
}

핵심 레지스터

UDR0: UART 데이터 레지스터. 데이터를 송수신하는 데 사용됩니다.
UDRE0: 데이터 레지스터가 비어 있는지 확인하는 플래그.

데이터 수신

수신은 데이터가 UART 데이터 레지스터에 도달했는지 확인하고, 데이터를 읽는 과정을 포함합니다.

데이터 수신 코드 예제

char UART_Receive(void) {
    while (!(UCSR0A & (1 << RXC0))) {
        // 데이터 수신 완료를 대기
    }
    return UDR0; // 수신된 데이터 읽기
}

핵심 레지스터

RXC0: 데이터가 수신되었는지 확인하는 플래그.

송수신 테스트

송수신 기능을 테스트하기 위해 간단한 에코 프로그램을 작성할 수 있습니다.

에코 프로그램 예제

int main() {
    UART_Init(9600); // UART 초기화
    char received_data;

    while (1) {
        received_data = UART_Receive(); // 데이터 수신
        UART_Transmit(received_data);  // 수신된 데이터를 다시 송신
    }
    return 0;
}

통신 효율을 높이는 팁

버퍼링을 사용하여 데이터 처리 속도를 최적화합니다.
인터럽트를 활용하여 비동기적으로 송수신을 처리합니다.
송수신 데이터를 검증하기 위해 체크섬 또는 CRC를 추가합니다.

이와 같은 구현으로 UART 기반의 안정적이고 효율적인 데이터 송수신을 처리할 수 있습니다.

통신 오류 처리

UART 통신 중 오류가 발생하면 데이터 전송의 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 이를 방지하려면 오류 유형을 파악하고, 적절한 방법으로 처리해야 합니다.

UART 통신 오류의 주요 유형

패리티 오류: 전송된 데이터의 패리티 비트가 수신 측의 계산과 일치하지 않는 경우 발생합니다.
프레이밍 오류: 시작 비트 또는 정지 비트가 올바르게 감지되지 않을 때 발생합니다.
오버런 오류: 수신 버퍼가 가득 찼는데도 새로운 데이터가 들어오는 경우 발생합니다.
데이터 손실: 송수신 간 속도 불일치나 외부 간섭으로 인해 데이터가 손실될 수 있습니다.

UART 오류 처리 방법

1. 패리티 오류 처리

패리티 검사를 통해 데이터 무결성을 확인하고, 오류 발생 시 재전송 요청을 보냅니다.
코드 예제:

if (UCSR0A & (1 << UPE0)) {  
    // 패리티 오류 발생  
    UART_TransmitString("Parity Error Detected\n");
}

2. 프레이밍 오류 처리

프레이밍 오류가 발생하면 데이터 무결성이 보장되지 않으므로 해당 데이터를 무시하고 다음 데이터로 넘어갑니다.
코드 예제:

if (UCSR0A & (1 << FE0)) {  
    // 프레이밍 오류 발생  
    UART_TransmitString("Framing Error Detected\n");
}

3. 오버런 오류 처리

오버런 오류 발생 시 수신 버퍼를 비우고 통신 속도를 조정합니다.
코드 예제:

if (UCSR0A & (1 << DOR0)) {  
    // 오버런 오류 발생  
    UART_TransmitString("Overrun Error Detected\n");
}

오류 처리 개선 방안

송수신 속도 동기화: 송신자와 수신자의 전송 속도를 일치시켜 데이터 손실을 방지합니다.
패리티 및 체크섬 사용: 패리티 비트 또는 CRC와 같은 오류 검출 메커니즘을 추가합니다.
인터럽트 기반 수신: 수신 버퍼 오버플로를 방지하기 위해 인터럽트를 활용한 비동기 처리 방식 도입.
하드웨어 신호 품질 관리: 전송 거리 단축, 차폐 케이블 사용, 적절한 접지와 같은 방법으로 외부 간섭을 최소화합니다.

오류 로그 기록

오류 발생 빈도와 원인을 분석하기 위해 로그를 기록합니다.
예시:

void LogError(const char *error_message) {
    // 로그 저장 또는 전송
    printf("Error: %s\n", error_message);
}

결론

UART 통신에서 발생할 수 있는 다양한 오류를 사전에 방지하고, 실시간으로 처리하는 체계를 구축하면 데이터의 신뢰성과 통신 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

응용 예시

UART 기반 시리얼 통신은 다양한 실시간 애플리케이션에서 활용됩니다. 센서 데이터를 수집하고 이를 송신하여 모니터링 시스템으로 전달하는 간단한 프로젝트를 예로 들어 설명합니다.

프로젝트: 온도 센서 데이터 송신

온도 센서를 UART를 통해 마이크로컨트롤러에 연결하고, 측정된 데이터를 PC로 전송하는 시스템을 구현합니다.

시스템 구성

센서: LM35 온도 센서를 사용하여 아날로그 온도를 측정합니다.
마이크로컨트롤러: 센서 데이터를 읽고 UART를 통해 송신합니다.
PC: 시리얼 포트를 통해 데이터를 수신하고 터미널 프로그램으로 출력합니다.

센서 데이터 처리 및 송신 코드

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <stdio.h>

void UART_Init(uint32_t baud_rate) {
    uint16_t ubrr_value = (F_CPU / (16 * baud_rate)) - 1;
    UBRR0H = (ubrr_value >> 8);
    UBRR0L = ubrr_value;
    UCSR0B = (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0);
    UCSR0C = (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00);
}

void UART_TransmitString(const char *str) {
    while (*str) {
        while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));
        UDR0 = *str++;
    }
}

uint16_t Read_ADC(uint8_t channel) {
    ADMUX = (1 << REFS0) | (channel & 0x07); // AVcc 기준 전압 사용, 채널 선택
    ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADSC) | (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1); // ADC 활성화 및 변환 시작
    while (ADCSRA & (1 << ADSC)); // 변환 완료 대기
    return ADC;
}

int main() {
    char buffer[16];
    UART_Init(9600);

    // ADC 초기화
    ADMUX = (1 << REFS0);
    ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1);

    while (1) {
        uint16_t adc_value = Read_ADC(0); // ADC 채널 0에서 값 읽기
        float temperature = (adc_value * 5.0 / 1024.0) * 100.0; // 온도 계산
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Temp: %.2f C\n", temperature);
        UART_TransmitString(buffer);
        _delay_ms(1000);
    }
    return 0;
}

실행 결과

센서가 측정한 온도 값이 UART를 통해 PC의 터미널 프로그램(예: PuTTY, Tera Term)에 1초 간격으로 표시됩니다.
예시 출력:

  Temp: 25.43 C
  Temp: 25.46 C

응용 확장

다중 센서 통합: 여러 센서를 연결하여 다양한 데이터(온도, 습도, 압력 등)를 송신.
무선 통신 연계: UART 데이터를 Bluetooth 또는 Zigbee 모듈로 전송하여 원격 모니터링.
데이터 로깅: 수신된 데이터를 파일로 저장하거나 클라우드 서버로 전송.

이와 같은 실용적인 예시를 통해 UART 통신의 유용성을 직접 체감할 수 있습니다.

요약

본 기사에서는 UART의 기본 개념과 C 언어를 활용한 시리얼 통신 구현 방법을 단계별로 설명했습니다. UART 설정, 데이터 송수신 구현, 통신 오류 처리, 그리고 온도 센서 데이터 송신과 같은 실제 응용 예시를 통해 UART 통신 기술의 핵심과 실용성을 배웠습니다. 적절한 구현과 오류 관리를 통해 안정적이고 효율적인 시리얼 통신을 개발할 수 있습니다.