jh.chun/VesiScan-Basic_Zephyr
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2026-04-12 19:16:14 +09:00
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+659
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@@ -0,0 +1,659 @@
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# nRF Connect for VS Code
## 완전 입문 가이드
**설치 → 프로젝트 생성 → 파일 구조 이해 → 빌드 & 플래싱**
---
# 목차
1. **nRF Connect SDK 개요**
2. **개발 환경 설치**
3. **첫 프로젝트 만들기**
4. **핵심 파일 구조**
- `CMakeLists.txt`
- `prj.conf` (Kconfig)
- `.overlay` (Device Tree)
5. **빌드 & 플래싱**
6. **디버깅 (RTT / J-Link)**
7. **실제 프로젝트 예시 (VesiScan)**
---
# 1. nRF Connect SDK 개요
## nRF Connect SDK란?
Nordic Semiconductor의 **nRF 시리즈 MCU**를 위한 공식 개발 환경
- **기반**: Zephyr RTOS + 자체 미들웨어 레이어
- **지원 칩**: nRF52 / nRF53 / nRF91 / nRF54 시리즈
- **VS Code 확장**: nRF Connect for VS Code Extension Pack
```
nRF Connect SDK
├── Zephyr RTOS ← 코어 OS (스케줄러, 드라이버 등)
├── nrfxlib ← Nordic 전용 라이브러리 (BLE, LTE 등)
├── mcuboot ← 부트로더
└── 내 프로젝트 코드
```
> **핵심 개념**: 내 코드는 SDK 위에 "앱" 형태로 올라감
> SDK 자체는 수정하지 않음 → `west` 도구로 관리
---
# 2. 개발 환경 설치 (1/3)
## 필요한 소프트웨어
| 소프트웨어 | 역할 | 다운로드 |
|---|---|---|
| VS Code | 코드 편집기 | code.visualstudio.com |
| nRF Connect Extension Pack | VS Code 확장 묶음 | VS Code 마켓플레이스 |
| nRF Connect SDK | Zephyr + Nordic 라이브러리 | 확장에서 자동 설치 |
| J-Link | 플래싱 / 디버깅 드라이버 | segger.com |
---
# 2. 개발 환경 설치 (2/3)
## VS Code 확장 설치
1. VS Code 실행 → Extensions (`Cmd+Shift+X` / `Ctrl+Shift+X`)
2. **"nRF Connect for VS Code Extension Pack"** 검색 후 설치
3. 설치되는 확장 목록:
```
nRF Connect for VS Code Extension Pack
├── nRF Connect ← 메인 확장 (빌드, 플래싱, 디버그)
├── nRF DeviceTree ← .overlay 파일 자동완성 / 검사
├── nRF Kconfig ← prj.conf 자동완성 / 검사
└── nRF Terminal ← 시리얼/RTT 터미널
```
---
# 2. 개발 환경 설치 (3/3)
## SDK 설치 (Toolchain Manager)
1. VS Code 좌측 사이드바 → **nRF Connect 아이콘** 클릭
2. **"Install Toolchain"** → 원하는 SDK 버전 선택 (예: `v2.6.0`)
3. 자동으로 다음을 다운로드:
- ARM GCC 툴체인
- west (Python 기반 빌드/패키지 도구)
- nRF Connect SDK 소스
> **설치 경로 예시 (macOS)**
> `~/ncs/v2.6.0/` → SDK 소스
> `~/ncs/toolchains/` → GCC, west 등
---
# 3. 첫 프로젝트 만들기 (1/2)
## 방법 A: Sample에서 시작 (추천)
1. 사이드바 → **nRF Connect** 패널
2. **"Create a new application"** 클릭
3. 옵션 선택:
- **Copy a sample**: SDK 내 샘플을 복사해서 시작
- **Blank application**: 빈 프로젝트 생성
```
추천 시작 샘플:
├── zephyr/samples/basic/blinky ← GPIO LED 기초
├── zephyr/samples/bluetooth/peripheral_uart ← BLE NUS
└── nrf/samples/bluetooth/nordic_uart_service ← Nordic BLE
```
---
# 3. 첫 프로젝트 만들기 (2/2)
## 방법 B: Build Configuration 추가
1. **"Add Build Configuration"** 클릭
2. **Board** 선택 (예: `nrf52840dk_nrf52840`)
3. 설정 확인 후 **Build** 클릭
## 프로젝트 최소 구성
```
my_project/
├── CMakeLists.txt ← 빌드 대상 소스 파일 목록
├── prj.conf ← Kconfig: 기능 ON/OFF 스위치
├── src/
│ └── main.c ← 진입점
└── boards/ ← (선택) 보드별 오버레이
└── nrf52840dk_nrf52840.overlay
```
---
# 4. CMakeLists.txt
## 역할
> **빌드 시스템에게 "무엇을 컴파일할지" 알려주는 파일**
## 기본 구조
```cmake
# 최소 CMake 버전 요구
cmake_minimum_required(VERSION 3.20.0)
# Zephyr SDK 찾기 (필수 - 항상 이 줄이 있어야 함)
find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
# 프로젝트 이름
project(vesiscan)
# 헤더 파일 검색 경로 추가
target_include_directories(app PRIVATE
src
src/ble
src/drivers/battery
)
# 컴파일할 소스 파일 목록
target_sources(app PRIVATE
src/main.c
src/parser.c
src/ble/ble_service.c
)
```
---
# 4. CMakeLists.txt - 핵심 포인트
## 자주 쓰는 명령어
| 명령어 | 역할 |
|---|---|
| `find_package(Zephyr ...)` | **필수** - Zephyr 빌드 시스템 로드 |
| `project(이름)` | 프로젝트 이름 설정 |
| `target_sources(app PRIVATE ...)` | 컴파일할 .c 파일 추가 |
| `target_include_directories(app PRIVATE ...)` | 헤더 검색 경로 추가 |
| `target_compile_definitions(app PRIVATE ...)` | 전처리기 매크로 정의 |
## 주의사항
- `app`은 Zephyr에서 정의한 고정 타겟 이름 → 변경 불가
- 새 `.c` 파일을 만들면 **반드시 이 파일에 추가** 해야 컴파일됨
- 헤더(`.h`)는 추가 불필요, 소스(`.c`)만 등록
---
# 4. prj.conf (Kconfig)
## 역할
> **Zephyr 커널 & 드라이버 기능을 ON/OFF 하는 설정 파일**
> "어떤 기능을 활성화할지" 결정하는 스위치 모음
## 구조 예시 (VesiScan 기반)
```ini
# GPIO 활성화
CONFIG_GPIO=y
# 로깅 (RTT로 출력)
CONFIG_LOG=y
CONFIG_LOG_BACKEND_RTT=y
CONFIG_USE_SEGGER_RTT=y
# BLE 스택
CONFIG_BT=y
CONFIG_BT_PERIPHERAL=y
CONFIG_BT_DEVICE_NAME="VB026030000"
# BLE NUS (Nordic UART Service)
CONFIG_BT_NUS=y
# ADC (배터리 측정)
CONFIG_ADC=y
# I2C (IMU 센서)
CONFIG_I2C=y
```
---
# 4. prj.conf - 값의 종류
## Kconfig 값 타입
| 타입 | 예시 | 설명 |
|---|---|---|
| `bool` | `CONFIG_GPIO=y` / `=n` | 켜기 / 끄기 |
| `string` | `CONFIG_BT_DEVICE_NAME="MyDevice"` | 문자열 |
| `int` | `CONFIG_HEAP_MEM_POOL_SIZE=2048` | 정수 |
| `hex` | `CONFIG_FLASH_BASE_ADDRESS=0x0` | 16진수 |
## 팁
- `=y` → 기능 활성화, `=n` → 비활성화
- nRF Kconfig 확장 설치 시 **자동완성** 지원
- 잘못된 `CONFIG_` 이름은 **빌드 시 경고** 발생
- 의존 관계 있음: `CONFIG_BT_NUS=y` 하려면 `CONFIG_BT=y` 필요
---
# 4. .overlay (Device Tree) — 개요
## Device Tree란?
> **하드웨어 구성을 코드 없이 선언하는 데이터 포맷**
> "어떤 핀에 무엇이 연결되어 있는지" 알려주는 하드웨어 지도
```
.overlay 파일 위치:
boards/nrf52840dk_nrf52840.overlay
↑ 이 이름이 빌드 보드와 일치해야 자동으로 적용됨
```
## 기본 문법
```dts
/* 노드 수정 */
&노드이름 {
속성이름 = <값>;
status = "okay"; /* 활성화 */
status = "disabled"; /* 비활성화 */
};
/* 새 노드 추가 */
/ {
내이름: 노드이름 {
compatible = "gpio-leds";
gpios = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
};
```
---
# 4. .overlay — GPIO 핀 설정
## LED & 버튼 정의 (VesiScan 예시)
```dts
/ {
led {
compatible = "gpio-leds";
/* LED_BLE: GPIO0 12번 핀, Active Low */
LED_BLE: LED_BLE {
gpios = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_LOW>;
label = "Green LED";
};
/* FUNCTION_LED: GPIO0 29번 핀, Active Low */
FUNCTION_LED: FUNCTION_LED {
gpios = <&gpio0 29 GPIO_ACTIVE_LOW>;
label = "Orange LED";
};
};
pin {
compatible = "gpio-keys";
/* 전원 홀드 핀: GPIO0 8번, Active High */
PWR_HOLD: PWR_HOLD {
gpios = <&gpio0 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};
};
};
```
---
# 4. .overlay — I2C 핀 재설정
## I2C 핀을 기본값에서 변경 (VesiScan IMU 예시)
```dts
/* I2C0 핀 재설정: SCL=P1.14, SDA=P1.15 */
&i2c0_default {
group1 {
psels = <NRF_PSEL(TWIM_SCL, 1, 14)>,
<NRF_PSEL(TWIM_SDA, 1, 15)>;
};
};
&i2c0 {
status = "okay";
clock-frequency = <I2C_BITRATE_STANDARD>;
};
```
## 충돌 방지 — 기본 주변장치 비활성화
```dts
/* P0.08이 UART0 RX와 충돌 → UART0 비활성화 */
&uart0 {
status = "disabled";
};
```
---
# 4. .overlay — ADC 채널 설정
## 배터리 전압 측정 ADC (VesiScan 예시)
```dts
&adc {
status = "okay";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
/* AIN2 = P0.04, 배터리 전압 측정 */
channel@2 {
reg = <2>;
zephyr,gain = "ADC_GAIN_1_6"; /* 1/6 게인 */
zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL"; /* 0.6V 기준 */
zephyr,input-positive = <NRF_SAADC_AIN2>;
zephyr,resolution = <12>; /* 12비트 */
zephyr,oversampling = <2>; /* 4x 오버샘플링 */
};
};
/ {
/* 코드에서 ADC 채널 참조용 */
zephyr,user {
io-channels = <&adc 2>;
};
};
```
---
# 4. 파일 구조 요약
## 세 파일의 관계
```
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 내 프로젝트 │
│ │
│ CMakeLists.txt → "어떤 파일을 컴파일하나?" │
│ │
│ prj.conf → "어떤 기능을 켜나?" │
│ (Kconfig) BLE, I2C, ADC, LOG 등 │
│ │
│ .overlay → "하드웨어가 어떻게 연결됐나?" │
│ (Device Tree) 핀 번호, 주소, 설정 등 │
└─────────────────────────────────────────────────┘
↓ 빌드 시 Zephyr가 모두 합쳐서 컴파일
```
| 파일 | 변경 시 영향 | 자동완성 확장 |
|---|---|---|
| `CMakeLists.txt` | 새 파일 추가/제거 | 없음 |
| `prj.conf` | 기능 활성화/비활성화 | nRF Kconfig |
| `.overlay` | 핀/주변장치 설정 | nRF DeviceTree |
---
# 5. 빌드 & 플래싱
## VS Code에서 빌드
1. 사이드바 → **nRF Connect** 패널
2. **APPLICATIONS** 섹션에서 프로젝트 확인
3. **Build** 버튼 (망치 아이콘) 클릭
```
빌드 결과물 위치:
build/
├── zephyr/
│ ├── zephyr.hex ← 플래싱용 HEX 파일
│ ├── zephyr.elf ← 디버깅용 ELF 파일
│ └── zephyr.bin ← 바이너리
└── CMakeFiles/ ← 빌드 캐시
```
## 플래싱
1. J-Link 또는 DK 보드를 USB로 연결
2. **Flash** 버튼 클릭
3. `west flash` 명령도 가능:
```bash
west flash --runner jlink
```
---
# 5. 빌드 에러 해결 팁
## 자주 발생하는 에러
| 에러 메시지 | 원인 | 해결 |
|---|---|---|
| `undefined reference to ...` | .c 파일이 CMakeLists에 없음 | `target_sources`에 추가 |
| `Kconfig warning: ...` | 잘못된 CONFIG 이름 | 철자 확인, 의존성 확인 |
| `DTS error: ...` | .overlay 문법 오류 | nRF DeviceTree 확장으로 확인 |
| `No boards found` | 보드 이름 불일치 | overlay 파일명 = 보드 이름 |
| `west not found` | Toolchain 설정 안 됨 | nRF Connect 패널에서 SDK 재설치 |
---
# 6. 디버깅 — RTT
## Segger RTT (Real-Time Transfer)
> UART 없이 J-Link를 통해 **실시간 로그** 출력
### prj.conf 설정
```ini
CONFIG_LOG=y
CONFIG_LOG_BACKEND_RTT=y
CONFIG_USE_SEGGER_RTT=y
CONFIG_RTT_CONSOLE=y
CONFIG_UART_CONSOLE=n ← UART 비활성화
```
### 코드에서 사용
```c
#include <zephyr/logging/log.h>
LOG_MODULE_REGISTER(my_module, LOG_LEVEL_DBG);
void my_func(void) {
LOG_INF("동작 시작");
LOG_DBG("디버그 값: %d", value);
LOG_ERR("에러 발생!");
}
```
### 로그 확인
VS Code 사이드바 → **nRF Terminal** → **Start Terminal with New Configuration** → RTT 선택
---
# 6. 디버깅 — GDB
## VS Code 중단점 디버깅
1. `.elf` 파일이 `build/zephyr/zephyr.elf`에 있어야 함
2. VS Code 상단 **Debug** 버튼 (▶ 아이콘 옆 벌레)
3. 또는 **nRF Connect** 패널 → **Debug** 버튼
### 가능한 작업
- 중단점 설정/해제
- 변수 값 실시간 확인
- 스택 추적 (Call Stack)
- 레지스터 / 메모리 뷰
> **팁**: `CMakeLists.txt`에 `-O0` 최적화 옵션 없어도
> Zephyr 디버그 빌드 (`-DCONF_FILE=prj.conf` + Debug 모드)로 자동 설정됨
---
# 7. 실제 프로젝트 예시 — VesiScan
## 프로젝트 구조
```
VesiScan-Basic_zephyr/
├── CMakeLists.txt ← 빌드 설정
├── prj.conf ← GPIO, BLE, ADC, I2C, RTT
├── boards/
│ └── nrf52840dk_nrf52840.overlay ← 핀 설정
└── src/
├── main.c ← 메인 루프
├── parser.c / .h ← 데이터 파싱
├── power_control.c / .h ← 전원 관리
├── ble/
│ └── ble_service.c / .h ← BLE NUS 서비스
└── drivers/
├── battery/battery_adc.c ← 배터리 ADC
├── led/led_control.c ← LED 제어
└── imu/imu_i2c.c ← ICM42670P IMU
```
---
# 7. VesiScan — 활성화된 기능 정리
## prj.conf 기준 활성화 기능
```
VesiScan 기능 스택
│
├── 하드웨어
│ ├── GPIO → LED, 전원버튼, 전원홀드
│ ├── I2C → ICM42670P IMU (P1.14/P1.15)
│ └── ADC → 배터리 전압 (AIN2 = P0.04)
│
├── 통신
│ └── BLE → NUS (Nordic UART Service)
│ ├── Device Name: "VB026030000"
│ ├── MTU: 247 bytes
│ └── TX Power: +8 dBm
│
└── 디버그
└── RTT → Segger J-Link RTT 로그
```
---
# 7. VesiScan — .overlay 핀 맵 요약
## 핀 배치 한눈에 보기
| 핀 | 방향 | 기능 | 코드 참조 |
|---|---|---|---|
| P0.08 | 출력 | 전원 홀드 래치 | `PWR_HOLD` |
| P1.08 | 입력 | 전원 버튼 | `BUTTON_CHECK` |
| P0.12 | 출력 | BLE LED (녹색) | `LED_BLE` |
| P0.29 | 출력 | 기능 LED (주황) | `FUNCTION_LED` |
| P0.04 | 아날로그 | 배터리 ADC (AIN2) | `io-channels` |
| P1.14 | I2C | IMU SCL | `i2c0` |
| P1.15 | I2C | IMU SDA | `i2c0` |
> **overlay의 노드 라벨** (`LED_BLE`, `PWR_HOLD` 등)을 코드에서
> `DT_ALIAS()` / `DT_NODELABEL()`로 직접 참조 가능
---
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<!-- _color: white -->
# 요약 & 체크리스트
## 새 프로젝트 시작 시 확인 사항
- [ ] nRF Connect Extension Pack 설치
- [ ] SDK + Toolchain 버전 설치 (Toolchain Manager)
- [ ] Board 선택하여 Build Configuration 추가
- [ ] `CMakeLists.txt`에 모든 `.c` 파일 등록
- [ ] `prj.conf`에 필요한 기능 `CONFIG_XXX=y`로 활성화
- [ ] `.overlay` 파일명 = 보드 이름과 일치 확인
- [ ] 핀 충돌 확인 (기본 주변장치 비활성화 필요 시)
- [ ] Build → Flash → RTT 로그로 동작 확인
---
<!-- _backgroundColor: #003087 -->
<!-- _color: white -->
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# Thank you
**nRF Connect for VS Code 매뉴얼**
작성 기준 프로젝트: **VesiScan-Basic_zephyr**
SDK 버전: nRF Connect SDK v2.x / Zephyr RTOS
---
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plan/measurement_pipeline.md
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@@ -0,0 +1,197 @@
# VesiScan BASIC — 초음파 측정 파이프라인 (Zephyr 포팅 계획)
## 1. 하드웨어 구성
| 역할 | 칩 | 핀 |
|---|---|---|
| 피에조 전원 | DC/DC 컨버터 (+/-20V) | PWR_EN: P1.9 |
| TX Pulse Enable | MOSFET 드라이버 | PE: P0.25 |
| TX 양극 출력 | MOSFET | P_OUT: P1.7 |
| TX 음극 출력 | MOSFET | N_OUT: P1.6 |
| TX 방전 | Dump 회로 | DMP: P1.0 |
| 채널 선택 | 8ch 아날로그 MUX | EN_MUXA: P0.21, EN_MUXB: P0.23, SEL0: P1.10, SEL1: P0.28 |
| Echo ADC | ADC121S051 (TI, 12-bit) | SCLK: P0.14, MISO: P0.15, CS: P0.19 |
### MUX 채널 매핑 (6채널 사용)
| CH | EN_MUXA | EN_MUXB | SEL0 | SEL1 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 2 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 3 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 |
---
## 2. 전체 측정 흐름
```
[측정 커맨드 수신]
│
▼
piezo_power_on()
└─ PWR_EN = HIGH
└─ 3ms 안정화 대기
echo_adc_init()
└─ SPIM3 초기화 (16MHz, SPI Mode 3, CPOL=1 CPHA=1)
└─ dummy read 1회 (ADC wake-up)
│
▼
┌─── for ch = 0 ~ 5 ───────────────────────────────────────────┐
│ │
│ piezo_select_channel(ch) │
│ └─ MUX 핀 설정 │
│ └─ 1300us settling 대기 │
│ │
│ [averaging 횟수만큼 반복] (기본 3회) │
│ piezo_burst_sw(cycles) ← SW NOP 버스트 │
│ ├─ __disable_irq() │
│ ├─ PE ON │
│ ├─ for i in cycles: │
│ │ P_OUT=HIGH, N_OUT=LOW (NOP × 14) ┐ 2.1MHz │
│ │ P_OUT=LOW, N_OUT=HIGH (NOP × 9) ┘ │
│ ├─ DMP 펄스 (500ns) │
│ ├─ PE OFF │
│ └─ __enable_irq() │
│ │
│ delay_us 대기 (기본 20us) ← 버스트 → ADC 시작 딜레이 │
│ │
│ echo_adc_capture(buf, num_samples) ← SPIM3 연속 읽기 │
│ └─ 100샘플 × 2byte = 200byte │
│ └─ 소요시간: ~100us (16MHz SPI) │
│ │
│ 샘플 합산 (averaging용) │
│ │
│ averaging 나눗셈 → channel_buf[ch] 저장 │
│ │
└───────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
BLE 전송 (채널별)
reb: [샘플수(2B)] [raw data (200B)] + CRC16 ← 채널당 1패킷
...
raa: [상태(2B)] + CRC16 ← 완료 패킷
│
▼
piezo_power_off()
└─ PE, P_OUT, N_OUT, DMP = LOW
└─ MUX EN 핀 = LOW
└─ PWR_EN = LOW
```
---
## 3. 타이밍 정리
| 구간 | 시간 | 비고 |
|---|---|---|
| 전원 안정화 | 3ms | DC/DC +/-20V 안정화 |
| MUX settling | 1.3ms | 채널 전환 후 아날로그 경로 안정화 |
| SW 버스트 (5 cycles @ 2.1MHz) | ~2.4µs | __disable_irq() 구간 |
| burst → ADC 딜레이 | 20µs (기본) | 에코 신호 도달 대기 |
| ADC 캡처 (100샘플 @ 16MHz SPI) | ~100µs | 1샘플 = 16 SCLK = 1µs |
| 채널당 총 측정 시간 (averaging 3회) | ~4.4ms + 3ms | MUX + (burst+딜레이+ADC) × 3 |
| 6채널 전체 측정 | ~30ms | 채널 × 6 |
---
## 4. ADC121S051 SPI 프레임
```
CS ────┐ ┌────
└────────────────────┘
SCLK ────┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ──── (idle HIGH, 16 clocks)
└─┘ └─┘ └─ ... └─┘ └─┘
DATA ----<Z2><Z1><Z0><D11>...<D1><D0>----
│← 3 zeros →│← 12 data bits →│
변환 공식: value = (raw16 >> 1) & 0x0FFF
```
- SPI Mode 3: CPOL=1(idle HIGH), CPHA=1(rising edge sample)
- 16MHz clock → 1샘플 = 16 clocks = 1µs
- 12-bit 출력 (0 ~ 4095), VREF = 3.3V
- 1LSB = 3300mV / 4096 ≈ 0.8mV
---
## 5. BLE 응답 패킷 포맷
### reb: (echo raw data)
```
[r][e][b][:] [num_samples H][num_samples L] [s0_H][s0_L] [s1_H][s1_L] ... [CRC_L][CRC_H]
4 bytes 2 bytes num_samples × 2 bytes 2 bytes
```
- 100샘플 기준: 4 + 2 + 200 + 2 = **208 bytes**
- BLE MTU 247byte 이내이므로 단일 패킷으로 전송 가능
### raa: (완료)
```
[r][a][a][:] [status H][status L] [CRC_L][CRC_H]
4 bytes 2 bytes 2 bytes = 8 bytes
```
- status 0x0000 = 성공
---
## 6. Zephyr 구현 계획
### 신규 파일
| 파일 | 내용 |
|---|---|
| `src/drivers/piezo/piezo.c` | SW 버스트, MUX 제어, 전원 제어 |
| `src/drivers/piezo/piezo.h` | 공개 API 선언 |
| `src/drivers/echo_adc/echo_adc.c` | ADC121S051 SPIM3 드라이버 |
| `src/drivers/echo_adc/echo_adc.h` | 공개 API 선언 |
### 수정 파일
| 파일 | 변경 내용 |
|---|---|
| `boards/nrf52840dk_nrf52840.overlay` | 피에조/MUX GPIO, SPI 핀 비활성화 충돌 처리 |
| `prj.conf` | `CONFIG_NRFX_GPIOTE=y`, `CONFIG_NRFX_SPIM3=y` 추가 |
| `CMakeLists.txt` | 신규 소스/인클루드 추가 |
| `src/parser.c` | `maa?` 커맨드 핸들러 추가 |
### 기존 SDK → Zephyr 변환표
| nRF5 SDK | Zephyr |
|---|---|
| `#include "nrf_gpio.h"` | `#include <hal/nrf_gpio.h>` |
| `#include "nrf_gpiote.h"` | `#include <hal/nrf_gpiote.h>` |
| `#include "nrfx_spim.h"` | `#include <nrfx_spim.h>` |
| `nrf_delay_ms(x)` | `k_msleep(x)` |
| `nrf_delay_us(x)` | `k_busy_wait(x)` |
| `NRF_P0->OUTSET/OUTCLR` | 동일 (레지스터 직접 접근) |
| `__disable_irq()` / `__NOP()` | 동일 (ARM CMSIS) |
| `NRFX_SPIM_INSTANCE(3)` | 동일 |
### SW 버스트 NOP 타이밍 (변경 없음)
CPU 64MHz → 1 NOP = 15.625ns. nRF5 SDK, Zephyr 모두 동일하므로 NOP 개수 수정 불필요.
| 주파수 | 반주기 | 1st half NOP | 2nd half NOP |
|---|---|---|---|
| 1.7 MHz | 294ns | 18 | 10 |
| 1.8 MHz | 278ns | 17 | 11 |
| 1.9 MHz | 263ns | 15 | 9 |
| 2.0 MHz | 250ns | 15 | 10 |
| 2.1 MHz | 238ns | 14 | 9 |
| 2.2 MHz | 227ns | 13 | 8 |
---
## 7. 구현 순서 (권장)
1. `piezo.c` — GPIO 초기화, MUX, 전원, SW 버스트
2. `echo_adc.c` — SPIM3 초기화, 단일 샘플 읽기, 연속 캡처
3. `parser.c` — `maa?` 커맨드 핸들러 (6채널 측정 → BLE 전송)
4. 빌드 검증 및 오실로스코프로 타이밍 확인
plan/system_pipeline.md
+425
View File
@@ -0,0 +1,425 @@
# VesiScan-Basic — 시스템 전체 파이프라인
## 목차
1. [전체 동작 개요](#1-전체-동작-개요)
2. [부팅 및 BLE 연결 흐름](#2-부팅-및-ble-연결-흐름)
3. [커맨드/응답 테이블](#3-커맨드응답-테이블)
4. [msp? 흐름 (1초 주기 IMU)](#4-msp-흐름-1초-주기-imu)
5. [mbb? 흐름 (10초 주기 전체 측정)](#5-mbb-흐름-10초-주기-전체-측정)
6. [구현 현황](#6-구현-현황)
7. [핀 배치 전체 정리](#7-핀-배치-전체-정리)
8. [IMU 테스트 가이드](#8-imu-테스트-가이드-msp)
9. [다음 구현 순서](#9-다음-구현-순서)
---
## 1. 전체 동작 개요
```
[앱] ──BLE NUS── [디바이스]
│ │
│── msp? (1초마다) ──▶ │ IMU 측정 → rsp: (accel+gyro)
│ │
│── mbb? (10초마다) ──▶ │ 6ch 피에조 측정 + 배터리/IMU/온도
│ │ → rbb: (센서 번들)
│◀── rbb: ────────────│
│◀── reb: × 6 ────────│ (채널별 echo 데이터)
│◀── raa: ────────────│ (완료)
```
---
## 2. 부팅 및 BLE 연결 흐름
```
[부팅]
│
▼
전원 버튼 2초 유지
│
▼
P0.08 래치 ON (전원 자가유지)
│
▼
HW 초기화
├─ GPIO, LED
├─ Battery ADC (SAADC AIN2)
├─ IMU (I2C0, ICM42670P @ 0x68)
├─ Temperature ADC (SAADC AIN3, TMP235-Q1)
├─ [TODO] Piezo 드라이버 (GPIO + SW burst)
└─ [TODO] Echo ADC (SPIM3, ADC121S051)
│
▼
BLE 스택 초기화 (NUS)
│
▼
Advertising 시작 → LED: 파란불 깜빡임
│
▼
앱 연결됨 → LED: 연결 표시
│
▼
앱에서 주기적 커맨드 수신
├─ msp? (1초마다)
└─ mbb? (10초마다)
```
---
## 3. 커맨드/응답 테이블
| 커맨드 | 설명 | 응답 | 주기 | 구현 상태 |
|---|---|---|---|---|
| `msp?` | IMU 1회 측정 | `rsp:` (accel+gyro, 12B) | 1초 | ✅ 완료 |
| `mbb?` | 전체 측정 (센서+피에조 6ch) | `rbb:` + `reb:` ×6 + `raa:` | 10초 | ❌ 미구현 |
| `maa?` | 피에조 6ch 단독 측정 | `reb:` ×6 + `raa:` | 수동 | ❌ 미구현 |
| `msn?` | 배터리 전압 단독 측정 | `rsn:` (mV) | 수동 | ✅ 완료 |
| `mls?` | LED 상태 설정 | `rls:` (state echo) | 수동 | ✅ 완료 |
---
## 4. msp? 흐름 (1초 주기 IMU)
```
앱 → msp?
│
▼
imu_read(accel, gyro)
├─ GYRO_CONFIG0 = 0x09 (±2000dps, 100Hz)
├─ ACCEL_CONFIG0 = 0x29 (±4g, 100Hz)
├─ PWR_MGMT0 = 0x0F (low-noise ON)
├─ 80ms 대기 (자이로 스타트업)
├─ 0x0B부터 12바이트 읽기
└─ PWR_MGMT0 = 0x00 (슬립)
│
▼
rsp: [accel X(2)] [accel Y(2)] [accel Z(2)]
[gyro X(2)] [gyro Y(2)] [gyro Z(2)]
[CRC16(2)] = 18 bytes
```
**구현 상태: ✅ 완료**
- `src/drivers/imu/imu_i2c.c` — ICM42670P I2C 드라이버
- `src/parser.c` — `msp?` 핸들러, `rsp:` 응답
---
## 5. mbb? 흐름 (10초 주기 전체 측정)
```
앱 → mbb?
│
▼
[Phase 1] 피에조 6채널 캡처 (타이밍 크리티컬)
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ piezo_power_on() ← PWR_EN=HIGH, 3ms 대기 │
│ echo_adc_init() ← SPIM3 초기화 │
│ │
│ for ch = 0 ~ 5: │
│ piezo_select_channel(ch) ← MUX, 1.3ms │
│ for avg = 0 ~ 2: ← 3회 평균 │
│ piezo_burst_sw(5) ← 2.1MHz SW burst│
│ delay 20us │
│ echo_adc_capture(buf, 100) ← SPIM3 │
│ channel_data[ch] = 평균값 │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
[Phase 2] 센서 측정 (피에조 캡처 완료 후)
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ battery_read_mv() → info_batt (mV) │
│ imu_read(accel, gyro) → info_imu[6] │
│ temperature_read() → info_temp (°Cx100) │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
[Phase 3] BLE 전송
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ rbb: [batt(2)][IMU(12)][temp(2)][CRC(2)] │
│ = 20 bytes │
│ │
│ for ch = 0 ~ 5: │
│ reb: [num_samples(2)][raw(200)][CRC(2)] │
│ = 204 bytes per channel │
│ │
│ raa: [status(2)][CRC(2)] = 8 bytes │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
piezo_power_off()
```
**rbb: 패킷 포맷**
```
[r][b][b][:] [batt_L][batt_H]
[imu0_L][imu0_H] ... [imu5_L][imu5_H] ← accel XYZ + gyro XYZ
[temp_L][temp_H]
[CRC_L][CRC_H]
= 4 + 2 + 12 + 2 + 2 = 22 bytes
```
**reb: 패킷 포맷 (채널당)**
```
[r][e][b][:] [num_samples_H][num_samples_L]
[s0_H][s0_L] [s1_H][s1_L] ... [s99_H][s99_L]
[CRC_L][CRC_H]
= 4 + 2 + 200 + 2 = 208 bytes
```
---
## 6. 구현 현황
### ✅ 완료
| 모듈 | 파일 | 기능 |
|---|---|---|
| BLE NUS | `src/ble/ble_service.c` | advertising, 연결, RX/TX |
| 전원 제어 | `src/power_control.c`, `src/main.c` | 버튼 상태머신, 래치, 슬립 |
| LED | `src/drivers/led/led_control.c` | 상태별 LED 패턴 |
| 배터리 ADC | `src/drivers/battery/battery_adc.c` | SAADC AIN2, 주기 모니터링 |
| IMU | `src/drivers/imu/imu_i2c.c` | ICM42670P I2C (SCL=P1.14, SDA=P1.15) |
| 온도 센서 | `src/drivers/temperature/tmp235.c` | TMP235-Q1, SAADC AIN3 (P0.05) |
| 파서 | `src/parser.c` | `msn?`, `mls?`, `msp?` |
#### SAADC 채널 공유 (배터리 ↔ 온도)
배터리(AIN2)와 온도(AIN3)는 nRF52840 SAADC 하나를 공유한다.
**nRF5 SDK에서는** 채널 전환 시 `nrfx_saadc_uninit()`을 명시적으로 호출하지 않으면 다음 `nrfx_saadc_channel_init()` 호출에서 `NRFX_ERROR_BUSY`가 발생하는 문제가 있었다.
**Zephyr에서는** `adc_channel_setup_dt()` + `adc_read_dt()` 내부적으로 init/uninit 처리가 되므로 명시적 uninit 불필요. `battery_read_mv()`와 `temp_read_cdeg()` 모두 읽기 전에 `adc_channel_setup_dt()`를 호출하여 해당 채널로 SAADC를 재설정하기 때문에 임의 순서로 교대 호출해도 정상 동작한다.
> 단, 두 함수를 **서로 다른 스레드에서 동시에** 호출하면 안 됨. mbb? 핸들러에서 직렬로 호출하는 한 문제없음.
### 🔲 테스트 필요
| 모듈 | 테스트 방법 | 확인 항목 |
|---|---|---|
| 배터리 ADC (`msn?`) | RTT 로그 확인 + 앱에서 `msn?` 전송 | 아래 테스트 가이드 참고 |
| 온도 센서 | RTT 로그 확인 | 아래 테스트 가이드 참고 |
| IMU (`msp?`) | RTT 로그 확인 + 앱에서 `msp?` 전송 | 아래 테스트 가이드 참고 |
#### 배터리 ADC 테스트 가이드 (msn?)
**1. 부팅 시 확인 (RTT 로그)**
`[1] HW Init` 단계에서 아래 줄이 나와야 함:
```
[BATT] ADC init OK (DT-based, ch=2, res=12, os=2)
```
실패 패턴:
| 로그 | 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| `[BATT] ADC device not ready` | SAADC 드라이버 초기화 실패 | `CONFIG_ADC=y` 확인, overlay channel@2 확인 |
| `[BATT] Channel setup failed (err -x)` | 채널 설정 실패 | overlay AIN2 설정 확인 |
**2. msn? 전송 시 확인 (RTT 로그)**
앱에서 `msn?` 전송 시 아래 형식으로 출력됨:
```
[CMD] msn -> 3800 mV
```
- 정상 범위: 3500 ~ 4200 mV (완충 4200mV, 저전압 경고 3500mV)
- 3500mV 미만이 10회 연속이면 자동 전원 OFF
**3. BLE 응답 패킷 포맷**
```
[r][s][n][:] [mV_H][mV_L] [CRC_L][CRC_H] = 8 bytes
```
---
#### 온도 센서 테스트 가이드 (TMP235)
**1. 부팅 시 확인 (RTT 로그)**
`[1] HW Init` 단계에서 아래 줄이 나와야 함:
```
[TEMP] OK — TMP235 ch=3, res=12, os=2
```
실패 패턴:
| 로그 | 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| `[TEMP] FAIL — ADC device not ready` | SAADC 드라이버 초기화 실패 | overlay channel@3 확인 |
| `[TEMP] FAIL — channel setup (err=-x)` | 채널 설정 실패 | overlay AIN3 설정 확인, P0.05 핀 확인 |
**2. 측정 시 확인 (RTT 로그)**
`temp_read_cdeg()` 호출 시 아래 형식으로 출력됨:
```
[TEMP] raw=1234 -> 25.50 C
```
- 실온(25°C) 기준 raw 값 약 1404 (V = 750mV, raw = 750 × 4095 / 3600 ≈ 853)
> 실제 분압 회로가 있으면 값이 다를 수 있음, 첫 측정값 보고 판단
- `INT16_MIN(-32768)` 반환 시 ADC 읽기 실패
**3. mbb? 패킷 내 위치**
```
rbb: ... [temp_L][temp_H] ... ← °C × 100 단위 (25.50°C = 2550)
```
---
#### IMU 테스트 가이드 (msp?)
**1. 부팅 시 확인 (RTT 로그)**
`[1] HW Init` 단계에서 아래 줄이 나와야 함:
```
[IMU] OK — ICM42670P detected (WHOAMI=0x67, addr=0x68)
```
실패 패턴:
| 로그 | 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| `[IMU] FAIL — I2C bus not ready` | Zephyr I2C 드라이버 초기화 실패 | `CONFIG_I2C=y` 확인, overlay 확인 |
| `[IMU] FAIL — WHOAMI read error (check SCL=P1.14, SDA=P1.15)` | I2C 통신 자체 실패 | 핀 납땜/연결 확인, 풀업 저항 확인 |
| `[IMU] FAIL — WHOAMI mismatch (got=0x00, expected=0x67)` | 버스는 살아있으나 응답 이상 | I2C 주소(0x68) 확인, AD0 핀 상태 확인 |
**2. msp? 전송 시 확인 (RTT 로그)**
앱에서 `msp?` 전송 시 아래 형식으로 출력됨:
```
[IMU] msp: A=( 12345, -1234, 3210) G=( 100, -50, 200)
```
- `A=` : 가속도 XYZ (int16, ±4g 풀스케일 → 1g ≈ 8192)
- `G=` : 자이로 XYZ (int16, ±2000dps 풀스케일 → 1dps ≈ 16.4)
- 디바이스 수평 정치 시 Z축 가속도 약 `+8192` 근처, 자이로 `0` 근처 (±수십 이내)
실패 패턴:
| 로그 | 원인 |
|---|---|
| `[IMU] FAIL — gyro config write (ret=-5)` | I2C TX 에러 |
| `[IMU] FAIL — data read (ret=-5)` | I2C RX 에러 |
| BLE로 `rsp: 0xFFFF` 수신 | 위 에러 발생 시 앱으로 전송되는 에러 응답 |
**3. BLE 응답 패킷 포맷**
```
[r][s][p][:] [AX_H][AX_L] [AY_H][AY_L] [AZ_H][AZ_L]
[GX_H][GX_L] [GY_H][GY_L] [GZ_H][GZ_L]
[CRC_L][CRC_H] = 18 bytes
```
### ❌ 미구현
| 모듈 | 목표 파일 | 필요 기능 |
|---|---|---|
| 피에조 드라이버 | `src/drivers/piezo/piezo.c` | SW burst (2.1MHz), MUX, 전원 제어 |
| Echo ADC | `src/drivers/echo_adc/echo_adc.c` | ADC121S051, SPIM3 @ 16MHz |
| `maa?` 커맨드 | `src/parser.c` 추가 | 피에조 6ch 단독 측정 → `reb:` ×6 + `raa:` |
| `mbb?` 커맨드 | `src/parser.c` 추가 | 전체 측정 오케스트레이션 → `rbb:` + `reb:` ×6 + `raa:` |
---
## 7. 핀 배치 전체 정리
| 신호 | 핀 | 방향 | 모듈 | 상태 |
|---|---|---|---|---|
| POWER_HOLD | P0.08 | OUT | 전원 래치 | ✅ |
| POWER_BTN | P1.08 | IN | 전원 버튼 | ✅ |
| LED_BLE | P0.12 | OUT | 파란 LED | ✅ |
| LED_FUNC | P0.29 | OUT | 주황 LED | ✅ |
| BATT_ADC | P0.04 (AIN2) | AIN | 배터리 ADC | ✅ |
| IMU_SCL | P1.14 | I2C | ICM42670P | ✅ |
| IMU_SDA | P1.15 | I2C | ICM42670P | ✅ |
| TEMP_ADC | P0.05 (AIN3) | AIN | TMP235-Q1 | 🔲 |
| PIEZO_PWR_EN | P1.09 | OUT | DC/DC +/-20V | ❌ |
| PIEZO_PE | P0.25 | OUT | Pulse Enable | ❌ |
| PIEZO_P_OUT | P1.07 | OUT | 양극 출력 | ❌ |
| PIEZO_N_OUT | P1.06 | OUT | 음극 출력 | ❌ |
| PIEZO_DMP | P1.00 | OUT | Dump | ❌ |
| MUX_EN_A | P0.21 | OUT | MUXA 활성화 | ❌ |
| MUX_EN_B | P0.23 | OUT | MUXB 활성화 | ❌ |
| MUX_SEL0 | P1.10 | OUT | MUX 채널 선택 | ❌ |
| MUX_SEL1 | P0.28 | OUT | MUX 채널 선택 | ❌ |
| ECHO_SCLK | P0.14 | SPI | ADC121S051 CLK | ❌ |
| ECHO_MISO | P0.15 | SPI | ADC121S051 DATA | ❌ |
| ECHO_CS | P0.19 | OUT | ADC121S051 CS | ❌ |
---
## 8. IMU 테스트 가이드 (msp?)
### 부팅 시 확인 (RTT 로그)
부팅 직후 `[1] HW Init` 단계에서 아래 줄이 나와야 함:
```
[IMU] OK — ICM42670P detected (WHOAMI=0x67, addr=0x68)
```
#### 실패 패턴별 원인
| 로그 | 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| `[IMU] FAIL — I2C bus not ready` | Zephyr I2C 드라이버 초기화 실패 | `CONFIG_I2C=y` 확인, overlay 확인 |
| `[IMU] FAIL — WHOAMI read error (check SCL=P1.14, SDA=P1.15)` | I2C 통신 자체 실패 | 핀 납땜/연결 확인, 풀업 저항 확인 |
| `[IMU] FAIL — WHOAMI mismatch (got=0x00, expected=0x67)` | 버스는 살아있으나 응답 이상 | I2C 주소(0x68) 확인, AD0 핀 상태 확인 |
---
### msp? 커맨드 전송 시 확인 (RTT 로그)
앱에서 `msp?` 전송 시 아래 형식으로 출력됨:
```
[IMU] msp: A=( 12345, -1234, 3210) G=( 100, -50, 200)
```
- `A=` : 가속도 XYZ (int16, ±4g 풀스케일 → 1g ≈ 8192)
- `G=` : 자이로 XYZ (int16, ±2000dps 풀스케일 → 1dps ≈ 16.4)
- 디바이스가 수평으로 놓여 있으면 Z축 가속도가 약 `+8192` 근처여야 함
- 자이로는 정지 상태에서 `0` 근처 (±수십 이내)
#### 실패 패턴
| 로그 | 원인 |
|---|---|
| `[IMU] FAIL — gyro config write (ret=-5)` | I2C TX 에러 (부팅 후 재연결 문제) |
| `[IMU] FAIL — data read (ret=-5)` | I2C RX 에러 |
| BLE로 `rsp: 0xFFFF` 수신 | 위 에러 발생 시 앱으로 전송되는 에러 응답 |
---
### BLE 응답 패킷 확인
정상 수신 시 앱에서 받는 `rsp:` 패킷 포맷:
```
[r][s][p][:] [AX_H][AX_L] [AY_H][AY_L] [AZ_H][AZ_L]
[GX_H][GX_L] [GY_H][GY_L] [GZ_H][GZ_L]
[CRC_L][CRC_H]
= 18 bytes
```
---
## 9. 다음 구현 순서
```
Step 1 ✅ 온도 센서 (tmp235.c) — 완료, 테스트 필요
Step 2 피에조 드라이버 (piezo.c)
└─ GPIO 초기화, MUX, SW burst (NOP 기반, nrf HAL 직접 사용)
└─ CONFIG_NRFX_GPIOTE=y 추가
Step 3 Echo ADC (echo_adc.c)
└─ SPIM3 초기화, 연속 샘플 캡처
└─ CONFIG_NRFX_SPIM3=y 추가
Step 4 maa? 커맨드 (parser.c 추가)
└─ 피에조 6ch 측정 + BLE 전송 (reb: ×6 + raa:)
└─ 센서 번들 없음 — 피에조/ADC 단독 검증용
Step 5 mbb? 커맨드 (parser.c 추가)
└─ 배터리 + IMU + 온도 + 피에조 6ch 전체 오케스트레이션
└─ rbb: + reb: ×6 + raa:
```