# 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 | 0 | 0 | | 5 | 0 | 1 | 1 | 0 | --- ## 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 10us) ← 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 ----...---- │← 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 ` | | `#include "nrf_gpiote.h"` | `#include ` | | `#include "nrfx_spim.h"` | `#include ` | | `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