geniushyun
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# VesiScan BASIC — 초음파 측정 파이프라인 (Zephyr 포팅 계획)
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## 1. 하드웨어 구성
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| 역할 | 칩 | 핀 |
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|---|---|---|
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| 피에조 전원 | DC/DC 컨버터 (+/-20V) | PWR_EN: P1.9 |
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| TX Pulse Enable | MOSFET 드라이버 | PE: P0.25 |
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| TX 양극 출력 | MOSFET | P_OUT: P1.7 |
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| TX 음극 출력 | MOSFET | N_OUT: P1.6 |
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| TX 방전 | Dump 회로 | DMP: P1.0 |
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| 채널 선택 | 8ch 아날로그 MUX | EN_MUXA: P0.21, EN_MUXB: P0.23, SEL0: P1.10, SEL1: P0.28 |
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| Echo ADC | ADC121S051 (TI, 12-bit) | SCLK: P0.14, MISO: P0.15, CS: P0.19 |
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### MUX 채널 매핑 (6채널 사용)
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| CH | EN_MUXA | EN_MUXB | SEL0 | SEL1 |
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|---|---|---|---|---|
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| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
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| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
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| 2 | 1 | 0 | 0 | 1 |
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| 3 | 1 | 0 | 1 | 1 |
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| 4 | 0 | 1 | 1 | 1 |
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| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 |
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## 2. 전체 측정 흐름
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[측정 커맨드 수신]
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│
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piezo_power_on()
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└─ PWR_EN = HIGH
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└─ 3ms 안정화 대기
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echo_adc_init()
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└─ SPIM3 초기화 (16MHz, SPI Mode 3, CPOL=1 CPHA=1)
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└─ dummy read 1회 (ADC wake-up)
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│
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▼
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┌─── for ch = 0 ~ 5 ───────────────────────────────────────────┐
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│ │
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│ piezo_select_channel(ch) │
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│ └─ MUX 핀 설정 │
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│ └─ 1300us settling 대기 │
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│ │
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│ [averaging 횟수만큼 반복] (기본 3회) │
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│ piezo_burst_sw(cycles) ← SW NOP 버스트 │
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│ ├─ __disable_irq() │
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│ ├─ PE ON │
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│ ├─ for i in cycles: │
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│ │ P_OUT=HIGH, N_OUT=LOW (NOP × 14) ┐ 2.1MHz │
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│ │ P_OUT=LOW, N_OUT=HIGH (NOP × 9) ┘ │
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│ ├─ DMP 펄스 (500ns) │
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│ ├─ PE OFF │
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│ └─ __enable_irq() │
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│ │
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│ delay_us 대기 (기본 20us) ← 버스트 → ADC 시작 딜레이 │
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│ │
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│ echo_adc_capture(buf, num_samples) ← SPIM3 연속 읽기 │
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│ └─ 100샘플 × 2byte = 200byte │
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│ └─ 소요시간: ~100us (16MHz SPI) │
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│ │
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│ 샘플 합산 (averaging용) │
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│ │
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│ averaging 나눗셈 → channel_buf[ch] 저장 │
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│ │
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└───────────────────────────────────────────────────────────────┘
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│
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BLE 전송 (채널별)
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reb: [샘플수(2B)] [raw data (200B)] + CRC16 ← 채널당 1패킷
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...
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raa: [상태(2B)] + CRC16 ← 완료 패킷
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│
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▼
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piezo_power_off()
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└─ PE, P_OUT, N_OUT, DMP = LOW
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└─ MUX EN 핀 = LOW
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└─ PWR_EN = LOW
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```
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## 3. 타이밍 정리
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| 구간 | 시간 | 비고 |
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|---|---|---|
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| 전원 안정화 | 3ms | DC/DC +/-20V 안정화 |
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| MUX settling | 1.3ms | 채널 전환 후 아날로그 경로 안정화 |
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| SW 버스트 (5 cycles @ 2.1MHz) | ~2.4µs | __disable_irq() 구간 |
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| burst → ADC 딜레이 | 20µs (기본) | 에코 신호 도달 대기 |
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| ADC 캡처 (100샘플 @ 16MHz SPI) | ~100µs | 1샘플 = 16 SCLK = 1µs |
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| 채널당 총 측정 시간 (averaging 3회) | ~4.4ms + 3ms | MUX + (burst+딜레이+ADC) × 3 |
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| 6채널 전체 측정 | ~30ms | 채널 × 6 |
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## 4. ADC121S051 SPI 프레임
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```
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CS ────┐ ┌────
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└────────────────────┘
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SCLK ────┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ──── (idle HIGH, 16 clocks)
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└─┘ └─┘ └─ ... └─┘ └─┘
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DATA ----<Z2><Z1><Z0><D11>...<D1><D0>----
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│← 3 zeros →│← 12 data bits →│
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변환 공식: value = (raw16 >> 1) & 0x0FFF
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- SPI Mode 3: CPOL=1(idle HIGH), CPHA=1(rising edge sample)
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- 16MHz clock → 1샘플 = 16 clocks = 1µs
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- 12-bit 출력 (0 ~ 4095), VREF = 3.3V
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- 1LSB = 3300mV / 4096 ≈ 0.8mV
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## 5. BLE 응답 패킷 포맷
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### reb: (echo raw data)
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```
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[r][e][b][:] [num_samples H][num_samples L] [s0_H][s0_L] [s1_H][s1_L] ... [CRC_L][CRC_H]
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4 bytes 2 bytes num_samples × 2 bytes 2 bytes
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```
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- 100샘플 기준: 4 + 2 + 200 + 2 = **208 bytes**
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- BLE MTU 247byte 이내이므로 단일 패킷으로 전송 가능
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### raa: (완료)
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```
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[r][a][a][:] [status H][status L] [CRC_L][CRC_H]
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4 bytes 2 bytes 2 bytes = 8 bytes
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```
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- status 0x0000 = 성공
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## 6. Zephyr 구현 계획
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### 신규 파일
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| 파일 | 내용 |
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|---|---|
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| `src/drivers/piezo/piezo.c` | SW 버스트, MUX 제어, 전원 제어 |
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| `src/drivers/piezo/piezo.h` | 공개 API 선언 |
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| `src/drivers/echo_adc/echo_adc.c` | ADC121S051 SPIM3 드라이버 |
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| `src/drivers/echo_adc/echo_adc.h` | 공개 API 선언 |
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### 수정 파일
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| 파일 | 변경 내용 |
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|---|---|
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| `boards/nrf52840dk_nrf52840.overlay` | 피에조/MUX GPIO, SPI 핀 비활성화 충돌 처리 |
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| `prj.conf` | `CONFIG_NRFX_GPIOTE=y`, `CONFIG_NRFX_SPIM3=y` 추가 |
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| `CMakeLists.txt` | 신규 소스/인클루드 추가 |
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| `src/parser.c` | `maa?` 커맨드 핸들러 추가 |
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### 기존 SDK → Zephyr 변환표
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| nRF5 SDK | Zephyr |
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|---|---|
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| `#include "nrf_gpio.h"` | `#include <hal/nrf_gpio.h>` |
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| `#include "nrf_gpiote.h"` | `#include <hal/nrf_gpiote.h>` |
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| `#include "nrfx_spim.h"` | `#include <nrfx_spim.h>` |
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| `nrf_delay_ms(x)` | `k_msleep(x)` |
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| `nrf_delay_us(x)` | `k_busy_wait(x)` |
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| `NRF_P0->OUTSET/OUTCLR` | 동일 (레지스터 직접 접근) |
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| `__disable_irq()` / `__NOP()` | 동일 (ARM CMSIS) |
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| `NRFX_SPIM_INSTANCE(3)` | 동일 |
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### SW 버스트 NOP 타이밍 (변경 없음)
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CPU 64MHz → 1 NOP = 15.625ns. nRF5 SDK, Zephyr 모두 동일하므로 NOP 개수 수정 불필요.
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| 주파수 | 반주기 | 1st half NOP | 2nd half NOP |
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|---|---|---|---|
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| 1.7 MHz | 294ns | 18 | 10 |
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| 1.8 MHz | 278ns | 17 | 11 |
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| 1.9 MHz | 263ns | 15 | 9 |
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| 2.0 MHz | 250ns | 15 | 10 |
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| 2.1 MHz | 238ns | 14 | 9 |
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| 2.2 MHz | 227ns | 13 | 8 |
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## 7. 구현 순서 (권장)
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1. `piezo.c` — GPIO 초기화, MUX, 전원, SW 버스트
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2. `echo_adc.c` — SPIM3 초기화, 단일 샘플 읽기, 연속 캡처
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3. `parser.c` — `maa?` 커맨드 핸들러 (6채널 측정 → BLE 전송)
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4. 빌드 검증 및 오실로스코프로 타이밍 확인
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