[논문]임베디드 시스템 MCU 타이머 클록 펄스 동기화

이형봉; 권기현

doi:10.9708/jksci.2013.18.7.047

초록
AI-Helper

임베디드 시스템에 구현되는 대부분의 어플리케이션들은 MCU가 제공하는 타이머를 사용한다. 타이머 사용의 목적은 실시간 운영체제의 소프트웨어 타이머 구현에서부터 센서의 워밍업이나 처리의 경과 시간 측정 등에 이르기까지 다양하다. 이들어플리케이션들이의시간측정은그길이뿐만아니라정밀도측면에서수us~수백ms 정도로 그 범위가 다양하다. 이 논문에서는 타이머를 활용하는 과정에서 클록 펄스 비동기화로 인해 발생할 수 있는 오차 요인을 분석하고, 이러한 오차를 감소시키기 위한 타이머 클록 펄스 동기화 방안을 제시한다. 실험 결과, 32768Hz의 타이머를 8 분주한 4096Hz 타이머의 경우 약 230us까지의 편차가 발생하지만, 제안된 방법을 적용하면 타이머로 인한 편차를 10us 이내로 유지할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of the applications implemented in embedded systems use timers equipped in MCU. The purposes of timer usage of the applications lie in a wide range of areas such as implementing software timers of real-time operating systems to measuring processing time of sensors. The elapsed times measured by...

Most of the applications implemented in embedded systems use timers equipped in MCU. The purposes of timer usage of the applications lie in a wide range of areas such as implementing software timers of real-time operating systems to measuring processing time of sensors. The elapsed times measured by the applications are various in length as well as in precision ranging from several us to several hundreds of ms. The paper analyzes the timing error factors caused by un- synchronizing timer clock pulse when timers are manipulated, and proposes a method of how to synchronize timer clock pulse to reduce the timing errors. As a result of an experiment, this paper shows that an error of 230us is reduced within 10us in case of appling the proposed method to a 4096Hz timer prescaled from 32768Hz by 8.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그림 5에서 가장 바람직한 타이머 카운터 설정 시점은 ①인데, 이 시점은 타이머 카운터가 증가한 직후이다. 여기서는이 성질을 이용하여 타이머 펄스에 동기를 맞추기 위한 방법을 제시한다.
이 논문에서는 [2,5,6]의 무선 센서 네트워크 프로토콜 설계 및 구현 과정에서 나타난 타이머의 경과 시간 측정 오차 요인[7]을 분석하고, 이를 최소화시킬 수 있는 방안을 제시함으로써 타이머 활용 시 정확도 향상에 기여하고자 한다. 이를 위하여 II 장에서 Atmega2560[8] MCU와 WinAVR[9] C 컴파일러 및 AvrStudio4.
특히 에너지 소모를 줄이기 위해서는 가급적 분해능이 낮은 타이머를 사용해야 하는데, 이 경우 편차가 커서 심각한 소프트웨어 설계상의 제한 요인이 된다. 이 논문에서는 타이머의 클록 펄스에 동기를 맞춤으로써 타이머 측정 시간의 편차를 크게 줄이는 방안을 제안하고 그 효용성을 평가하였다. 평가에 사용된 무선 TDMA 프로토콜에서의 실험 결과 230us 편차를 약 1/20인 10us 이내로 감소시킬 수 있음을 보였다.

제안 방법

그림 13에 LSNP의 휴면 타이머를 설정하는 알고리즘을 보였는데, 빗금 친 부분이 느린 타이머의 클록 펄스 동기를 기다리는 제안 부분이고, 기존의 루틴에서는 존재하지 않는다. 기존 루틴과 제안 부분이 추가된 두 가지 알고리즘을 사용했을 경우 각각에 대하여 인접한 두 노드의 RX 구간이 시작하는 시점의 시차를 측정하였다. 여기서 RX 구간은 921600HZ 타이머로 9450 클록이며 이는 약 10.
그림 1의 7200Hz 타이머를 이용하여 고정된 카운트 수만큼의 경과시간을 오실로스코프로 측정하는 실험을 여러 번 실시하면 타이머 사용 시 발생하는 오차의 특성을 분석할 수 있다. 이 실험을 위하여 바쁜 대기(Busy Waiting) 형태로 3초 전후의 랜덤 처리 시간을 소모한 뒤, 이 타이머에 36 개의 클록(5ms=36/7200)을 설정하여 타임 종료 시간을 오실로스코프로 반복 측정하였고, 이 때, 오실로스코프의 트리거 입력원으로는 Atmega2560 GPIO(General Purpose IO) 핀중 LED와 연결된 PORTL의 0번 핀에 대한 On/Off를 활용하였다. 그림 2에 타이머 오차 측정을 위한 실험환경을 보였고, 그림 3에는 발췌된 타이머 구동 코드를 보였다.

대상 데이터

MCU에 장착된 타이머는 보통 CPU에 공급되는 클록을 공유한다. 본 연구에서 사용된 Atmega2560 MCU는 7.3728MHz XTAL을 사용하므로, 타이머 또한 이 클록을 공급받는다. 이 경우 클록 사이클 주기는 약 136ns(=1/7372800)이고 이는 매우 짧은 시간으로 분류될 수 있다

데이터처리

제안된 방법의 기본적인 기능을 검증하고 평가하기 위해 오차분석에 사용되었던 그림 1~4의 실험 과정을 제안된 방법을 적용하여 실시하고 결과를 분석한다. 이를 위하여 그림 7과 그림 8의 제안 알고리즘을 Atmega2560 환경에서 구현한 코드를 그림 9와 그림 10에 각각 보였고, 이들 코드를 구동하기 위해 그림 3을 변형한 주 모듈 코드를 그림 11에 보였다.
제안된 방법의 실질적인 효용성을 검증하기 위해 무선 TDMA 프로토콜의 하나인 LSNP(Linear-Wireless Sensor Network Protocol)[5]에서의 적용결과를 분석한다.

성능/효과

그림 13에 보인 두 가지 방법을 LSNP에 적용하여 실시한 실험 결과를 표 2에 비교해 보였다. 이 표에서 보는 바와 같이 제안된 방법의 타이머 측정 시간 편차가 기존 방법의 230us보다 월등히 우수한 10us 이내 임을 알 수 있다.
이들 코드를 이용하여 제안된 방법을 100회 이상 관찰한결과 양쪽 모두 오차분석에서 보였던 120us의 변위 없이 5.03ms로 측정되었다. 이 결과에 대한 분석을 요약하면 다음과 같다.
이 논문에서는 타이머의 클록 펄스에 동기를 맞춤으로써 타이머 측정 시간의 편차를 크게 줄이는 방안을 제안하고 그 효용성을 평가하였다. 평가에 사용된 무선 TDMA 프로토콜에서의 실험 결과 230us 편차를 약 1/20인 10us 이내로 감소시킬 수 있음을 보였다. 이와 같이 제안된 방법이 임베디드 시스템 타이머를 활용하는 어플리케이션의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

후속연구

ㅇ 오실로스코프의 분해능을 더 높일 수 있다면, 보조 타이머의 클록 주기 범위 내에 존재하는 오차가 관찰될 수 있을 것이다.
평가에 사용된 무선 TDMA 프로토콜에서의 실험 결과 230us 편차를 약 1/20인 10us 이내로 감소시킬 수 있음을 보였다. 이와 같이 제안된 방법이 임베디드 시스템 타이머를 활용하는 어플리케이션의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임베디드 시스템에 구현되는 대부분의 어플리케이션들은 어떤 타이머를 사용하는가?	임베디드 시스템에 구현되는 대부분의 어플리케이션들은 MCU가 제공하는 타이머를 사용한다. 타이머 사용의 목적은 실시간 운영체제의 소프트웨어 타이머 구현에서부터 센서의 워밍업이나 처리의 경과 시간 측정 등에 이르기까지 다양하다.
	임베디드 시스템에서 타이머 사용의 목적은 무엇인가?	임베디드 시스템에 구현되는 대부분의 어플리케이션들은 MCU가 제공하는 타이머를 사용한다. 타이머 사용의 목적은 실시간 운영체제의 소프트웨어 타이머 구현에서부터 센서의 워밍업이나 처리의 경과 시간 측정 등에 이르기까지 다양하다. 이들어플리케이션들이의시간측정은그길이뿐만아니라정밀도측면에서수us~수백ms 정도로 그 범위가 다양하다.
	스마트 폰 어플리케이션은 왜 시스템 소프트웨어라 할 수 있는가?	이러한 스마트 폰 어플리케이션들의 대부분은 단순한 응용 소프트웨어가 아니라 시스템 소프트웨어에 가깝다는 특징을 가지고 있다. 즉 센서, 터치 스크린, 블루투스 통신, UART( Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) 통신 등 하드웨어를 제어하고, 대화적 콘솔이 존재하지 않는 환경에서 운용된다는 점에서 시스템 소프트웨어라고 말할 수 있는 것이다. 스마트 폰 어플리케이션 뿐만 아니라, 무선 통신 기반의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network) 어플리케이션들은 운영체제나 개발도구가 제공하는 단순한 API(Application Programming Interface) 만으로는 구현될 수 없고, 센서 노드에 탑재된 MCU(Micro Controller Unit) 모듈에 직접 접근하는 경우가 많다는 점[1-3]에서 이 또한 시스템 소프트웨어에 속한다.

참고문헌 (10)

SungHak Chung, "A Study on the Improvement Alternatives using USN Technology on Bicycle and Infrastructures", Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 15, No. 8, pp. 173-180, Aug. 2010.

원문보기 상세보기
Hyung Bong Lee, Lae-Jeong Park, Jung-Ho Moon, Tae-Yun Chung, "Design and Implementation of a TDMA-based Bidirectional Linear Wireless Sensor Network", Journal of KIISE : Computing Practices and Letters, Vol. 14, No. 4, pp. 341-351, Jun. 2008.
Hyung-Bong Lee, Jung-Ho Moon, and Tae-Yun Chung, "An Image-based Remote Snow Height Measurement System using a USN", Journal of IEMEK, Vol 2, No. 2, pp. 76-85, Nov. 2010.
C. Hallinan, "Embedded Linux Primer, Second Edition" PRENTICE HALL, pp. 9-35, 2011.
Hyung-Bong Lee, Ki-Hyeon Kwon, Lae-Jeong Park, Tae-Yun Chung, and Qishi Wuo, "A Lightweight Lap Time Measurement System for Alpine Ski Sport using a TDMA-based Linear-Wireless Sensor Network", International Journal of Distributed Sensor Network(IJDSN), Vol. 2012, pp. 1-15, Mar. 2012.
Hyung-Bong Lee, Lae-Jeong Park, Sung-Wook Park, Tae-Yun Chung, and Jung-Ho Moon, "Interactive Remote Control of Legacy Home Appliances through a Virtually Wired Sensor Network", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 56, Issue 4, pp. 2241-2248, Dec. 2010.

상세보기
Hyung-Bong Lee, "Synchronization of Timers in Embedded Systems", Proceedings of the 39th KIPS Spring Conference 2013, Vol. 20, No. 1, pp. 13-14, May 2013.
Atmel Corporation, "8-bit Microcontroller with 64K/128K/256K Bytes In-System Programmable Flash", Atmel Documents, 2012. (http://www.atmel.com/Images/doc2549.pdf, accessed May. 2013)
WinAvr Projects, http://winavr.sourceforge.net/, accessed May 2013.
Atmel Corporation, "AVR Studio 4.19", Atmel Tools, 2012. (http://www.atmel.com/tools/STUDIOARCHIVE.aspx, accessed May. 2013)

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