VesiScan-Basic_Zephyr/plan/system_pipeline.md

# 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:
```