타이머/카운터 사용법: 정밀한 시간 제어와 이벤트 처리 > 임베디드 시스템 및 펌웨어 개발

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지난 시간에는 인터럽트 활용을 통해 효율적인 펌웨어 개발과 로봇의 실시간 응답성 확보의 중요성을 알아보았습니다. 인터럽트 메커니즘이 외부 이벤트에 대한 즉각적인 반응을 담당한다면, 특정 시간 간격을 정확히 측정하고, 주기적인 이벤트나 정밀한 제어를 가능하게 하는 로봇의 또 다른 핵심 하드웨어 주변장치가 바로 **타이머/카운터(Timer/Counter)**입니다. 타이머/카운터는 "정밀한 시간 제어와 이벤트 처리"를 가능하게 하는 임베디드 시스템의 필수 기능입니다.   

타이머/카운터는 단순히 시간을 측정하는 것뿐만 아니라, 특정 주기마다 인터럽트를 발생시키거나, 모터 제어에 사용되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 외부 펄스 신호의 주파수나 길이를 측정하는 등 다양한 기능을 수행합니다. 이는 로봇의 모터 속도 및 위치 제어, 센서 데이터 수집 주기, 통신 프로토콜 구현 등 로봇의 움직임과 동작의 '타이밍'을 결정하는 데 결정적인 역할을 합니다. 이 설명을 통해 타이머/카운터가 무엇이며, 어떻게 정밀한 시간 제어와 이벤트 처리를 가능하게 하는지, 그 기본 원리와 사용법, 그리고 로봇 개발에서의 활용은 무엇인지 자세히 파헤쳐 보겠습니다. 

로봇이 "1ms마다 모터의 현재 위치를 업데이트하고 PID 제어를 수행하며, 동시에 LED를 100ms 주기로 깜빡이고, 외부 엔코더에서 들어오는 펄스의 주파수를 측정하여 모터의 실제 속도를 계산하는" 것과 같은 동시다발적이고 정밀한 시간 기반 작업을 수행하려면, 타이머/카운터는 그 모든 기능의 핵심 하드웨어 모듈이 됩니다.

1. 타이머/카운터(Timer/Counter)란 무엇인가?

타이머/카운터는 "마이크로컨트롤러(MCU) 내부에 내장된 디지털 카운터로, 시스템 클럭(Timer 모드) 또는 외부 펄스(Counter 모드)를 세어 시간 측정, 주기적인 이벤트 발생, 펄스 신호 생성/측정 등의 기능을 수행하는 주변장치"입니다. 

타이머(Timer): 시스템 클럭을 입력으로 받아 시간을 측정하고 특정 시간이 경과하면 이벤트를 발생시킵니다.

카운터(Counter): 외부 핀으로 들어오는 펄스 신호(엣지)를 세어 외부 이벤트의 발생 횟수나 주파수를 측정합니다.

2. 타이머/카운터의 기본 원리 및 주요 기능

타이머/카운터는 MCU의 클럭 소스를 분주(Prescaler)하여 카운터 레지스터(TCNT)를 증가(또는 감소)시키는 방식으로 작동합니다. 

2.1. 카운터 동작 (Counting Operation):

입력 클럭 소스: 타이머/카운터는 클럭 선택 로직을 통해 내부 시스템 클럭 또는 외부 핀으로부터 들어오는 펄스를 입력으로 받습니다. 

프리스케일러 (Prescaler): 입력 클럭 주파수를 지정된 비율(예: 1/8, 1/64, 1/1024)로 낮추어 카운터 레지스터의 오버플로우 주기(Overflow Period)를 조절합니다. 

카운터 레지스터 (TCNT): 프리스케일러를 통과한 클럭 신호를 받아 0부터 MAX(예: 255 for 8bit, 65535 for 16bit)까지 숫자를 세거나, 그 반대로 세어 지정된 값까지 도달합니다.

2.2. 오버플로우 인터럽트 (Overflow Interrupt):

카운터 레지스터가 MAX 값에 도달한 후 다시 0으로(또는 0에서 MAX로) 넘어갈 때 오버플로우(Overflow) 인터럽트가 발생합니다.  이를 사용하여 정확한 주기적인 이벤트(예: 1ms 타이머 인터럽트)를 발생시킬 수 있습니다.

2.3. 비교 일치 (Compare Match) 및 인터럽트:

카운터 레지스터(TCNT)의 값과 미리 설정해 둔 비교 레지스터(OCR)의 값이 일치할 때 비교 일치(Compare Match) 인터럽트가 발생합니다. [1]

이를 사용하여 오버플로우 인터럽트보다 더 유연하고 다양한 주기의 이벤트를 생성할 수 있습니다.

2.4. PWM (Pulse Width Modulation) 신호 생성:

타이머/카운터의 비교 일치 기능을 활용하여 주기적으로 HIGH/LOW 신호를 만들어냄으로써 PWM 신호를 생성합니다. [1][4]

주기(Period): 카운터의 최대값(또는 비교 일치 값)으로 PWM 신호의 주기를 결정합니다.

듀티 사이클(Duty Cycle): 비교 일치 값으로 HIGH 상태가 유지되는 시간을 결정하며, 이는 평균 전압을 조절하여 모터의 속도나 LED의 밝기 등을 제어합니다.

2.5. 입력 캡처 (Input Capture):

외부 핀으로 들어오는 펄스 신호(엣지)의 시간(타이머 값)을 정밀하게 기록합니다.

활용: 펄스 신호의 폭(Pulse Width)이나 주기(Period)를 측정하여 외부 센서(초음파 거리 센서, RC 서보 신호)의 값을 읽거나, 모터 엔코더 펄스의 주기를 측정하여 속도를 계산할 수 있습니다.

3. 타이머/카운터 사용법 (일반적인 MCU 레지스터 설정 예시)

MCU마다 타이머/카운터의 레지스터 구성은 다르지만, 일반적으로 다음 단계들을 거쳐 설정합니다. (STM32 HAL 라이브러리 사용 시 CubeMX 등으로 자동 설정 가능)

클럭 소스 선택 및 프리스케일러 설정: 타이머/카운터가 사용할 클럭 소스(내부 클럭/외부 핀)를 선택하고, 클럭 주파수를 분주할 비율(프리스케일러 값)을 설정합니다. (TCCR 레지스터 등)

카운터 모드 설정: 업 카운팅(0부터 증가), 다운 카운팅(MAX부터 감소), 업-다운 카운팅 등 카운터의 동작 방식을 설정합니다.

오버플로우 / 비교 일치 값 설정:

오버플로우 인터럽트를 사용한다면, 카운터의 최대 값(TOP)을 설정합니다.

비교 일치 인터럽트나 PWM을 사용한다면, 비교 레지스터(OCR, CCR)에 특정 값을 설정합니다.

인터럽트 활성화: 필요하다면 오버플로우 인터럽트나 비교 일치 인터럽트를 활성화하고, 해당 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 작성합니다.

PWM 핀 설정: PWM 신호를 출력하려면 해당 GPIO 핀을 타이머/카운터의 PWM 기능으로 멀티플렉싱하고 출력 모드로 설정합니다.

타이머/카운터 시작: 모든 설정이 완료되면 타이머/카운터를 시작합니다.

4. 로봇 개발에서 타이머/카운터의 중요성: 정밀한 시간 제어와 이벤트 처리

타이머/카운터는 로봇의 움직임과 동작의 타이밍을 결정하는 핵심적인 주변장치입니다.

4.1. 정밀 모터 속도 및 위치 제어:

PWM으로 DC 모터 속도 제어: 타이머/카운터로 PWM 신호를 생성하여 DC 모터의 인가 전압을 조절하고, 이를 통해 모터의 회전 속도를 정밀하게 제어합니다.

PWM으로 RC 서보 모터 제어: 특정 주기의 PWM 펄스 폭을 조절하여 RC 서보 모터의 각도를 정밀하게 제어합니다. (예: 로봇 팔 관절 각도 제어)

엔코더 신호 주파수/주기 측정: 엔코더에서 발생하는 펄스를 카운터로 세거나, 입력 캡처를 통해 펄스 주기를 측정하여 로봇 바퀴나 모터의 실제 회전 속도와 이동 거리를 정밀하게 파악합니다. 이는 로봇의 오도메트리(Odometry) 계산 및 피드백 제어에 필수적입니다.

4.2. 제어 루프 주기 설정 (Control Loop Period):

타이머/카운터의 오버플로우/비교 일치 인터럽트를 사용하여 1ms, 10ms 등 정확하고 일정한 주기로 제어 루프를 실행합니다. 이는 PID 제어와 같은 피드백 제어 알고리즘의 안정성과 성능에 결정적인 역할을 합니다.

4.3. 센서 데이터 수집 주기 동기화:

다양한 센서(IMU, LiDAR, 카메라)에서 데이터를 수집하는 주기를 타이머/카운터로 동기화하여 센서 데이터 융합의 정확도를 높입니다.

4.4. 통신 프로토콜 구현:

특정 통신 프로토콜(예: RS232, SPI, I2C의 비트 토글)에서 정밀한 타이밍 제어가 필요할 때 타이머/카운터를 활용합니다.

4.5. 딜레이 및 타임아웃 기능:

정확한 딜레이(지연) 기능을 구현하거나, 특정 작업에 대한 타임아웃(Timeout) 기능을 구현하여 로봇 시스템의 강인성을 높입니다.

4.6. 로봇 팔의 궤적 제어:

로봇 팔이 특정 궤적을 따라 움직일 때, 각 관절의 목표 각도에 도달하는 시간을 타이머/카운터로 정밀하게 제어하여 부드러운 움직임을 구현합니다.

타이머/카운터는 "MCU 내부에 내장된 디지털 카운터로, 시스템 클럭 또는 외부 펄스를 세어 시간 측정, 주기적인 이벤트 발생, PWM 신호 생성/측정 등의 기능을 수행하는 주변장치"입니다. 이는 카운터 동작, 오버플로우 인터럽트, 비교 일치 인터럽트, PWM 신호 생성, 입력 캡처 기능을 통해 정밀한 시간 제어와 이벤트 처리를 가능하게 합니다.

로봇 개발에서 타이머/카운터의 원리와 사용법을 완벽하게 이해하고 로봇 시스템에 적용하는 것은 모터의 속도 및 위치 제어, 정밀한 제어 루프 주기 설정, 센서 데이터 수집 동기화 등 로봇의 모든 움직임과 동작의 '타이밍'을 정밀하게 제어하여 로봇의 정밀도, 안정성, 그리고 효율성을 극대화하는 데 필수적인 역량이 될 것입니다. 로봇에게 '시간을 다스리는 능력'을 선물하여 더욱 정밀하고 신뢰성 높은 자율 로봇 시스템을 만들어가시기를 응원합니다!