[논문]아두이노 장치 프로그래밍을 통한 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정

허경

doi:10.14702/jpee.2017.041

[국내논문] 아두이노 장치 프로그래밍을 통한 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정
Curriculum for Basic Digital Logic Circuit Practices through Arduino Device Programming 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.9 no.1, 2017년, pp.41 - 48

초록
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본 논문에서는 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 설계하기 위해, 디지털 출력을 갖는 아두이노 프로그래밍을 통한 디지털 논리회로 제어 방법을 제안하였다. 디지털 논리회로와 아두이노 프로그래밍 실습은 국내 교육과정의 고등학교 및 대학교의 공학 계열 학과에서 필수 교육과정으로 지정하고 있다. 하지만 실제 실습에는 디지털 논리회로와 아두이노 프로그래밍이 결합된 예제가 부족하고, 디지털 논리회로를 설계하고 오실로스코프 보다 저가의 비용으로 실험할 수 있는 교육 과정이 부족하다. 이에 본 논문에서는 이 문제를 해결하는 디지털 출력 명령을 통한 아두이노 프로그래밍을 통해, 디지털 논리회로를 제어하고 실습해보는 한 학기 기간의 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a method for digital logic circuit control, through arduino device programming with digital outputs, to design a curriculum for basic digital logic circuit practices. Curricula for arduino device programming and digital logic circuit are essentially practiced in engineering departments of colleges or high schools in South Korea. However, actual practice course lacks the experimental examples of digital logic circuit combined with arduino device programming. Furthermore, actual practice course lacks the curriculum in that students design and test their own digital logic circuits with the less cost than the oscilloscope. Therefore, to solve these problems in this paper, we proposed a curriculum for basic digital logic circuit practices during one semester. In this curriculum, students control and experiment their own digital logic circuits through arduino device programming with digital outputs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

참고문헌[7]에서는 디지털 논리회로를 쉽게 실험해 볼 수 있는 방법으로, 스위치 방식의 LED 논리 회로 구현 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 아두이노 장치의 논리회로 제어 방법을 설명하기 위해, 스위치 방식의 논리 회로 제어 방법과 비교하여 설명하기로 한다.
또한, 실제 실습 교육과정에는 디지털 논리회로와 아두이노 프로그래밍이 결합된 예제가 요구되며, 디지털 논리회로를 설계하고 오실로스코프 보다 저가의 비용으로 자동화된 입력 신호를 받아 실험할 수 있는 실습 교육 과정이 필요하다. 이에 본 논문에서는 디지털 출력 명령을 통한 아두이노 프로그래밍을 통해, 다수의 입력 전압 신호를 발생시키고 디지털 논리회로를 제어하는 한 학기 기간의 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 제안하였다.
또한, 실제 실습 교육과정에는 디지털 논리회로와 아두이노 프로그래밍이 결합된 예제가 요구되며, 디지털 논리회로를 설계하고 오실로스코프 보다 저가의 비용으로 자동화된 입력 신호를 받아 실험할 수 있는 실습 교육 과정이 필요하다. 이에 본 논문에서는 디지털 출력 명령을 통한 아두이노 프로그래밍을 통해, 다수의 입력 전압 신호를 발생시키고 디지털 논리회로를 제어하는 한 학기 기간의 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 제안하였다.

제안 방법

2장에서 제안한 아두이노 장치의 2변수 및 3변수 입력 디지털 논리회로 제어 방법을 이용하여, LED 조합논리회로 교육과정을 제안한다. 이를 위해 교육과정 상에서 필요한 실습 예제를 제시한다.
74HC08 칩에서 원하는 연산 결과를 얻기 위해서는 논리 ‘1’에는 5V 전압이 입력되어야 하고, 논리 ‘0’에는 0V 전압이 입력되어야 한다. 그래서 칩데이터 시트의 연결방법에 따라, 74HC08 칩의 1번핀에 변수 A자리를 할당하고, 2번핀에 변수 B자리를 3번핀에 출력 변수 X자리를 할당하였다. 그리고 74HC08 칩의 1번핀에 입력되는 A 신호는 아두이노 출력 3번핀에서 발생하게 하였고, 74HC08 칩의 2번핀에 입력되는 B 신호는 아두이노 출력 4번핀에서 발생하게 하였다.
여덟 가지 논리회로 출력식을 논리회로를 통해 구현하기 위해서, 우선 74HC04 NOT 회로 칩을 통과하여 A, B, C의 NOT출력, A, B, C 신호를 만들어 낸다. 그리고, 원신호인 A, B, C신호와 74HC08 AND 회로 칩을 통해 AND 연산 결과들을 만들어 낸다. 여기서 만들어질 수 있는 모든 AND 연산 결과 조합들은 카르노 맵을 통해 알 수 있다[4].
표 5는 2장과 3장에서 제안된 내용들을 바탕으로 한 학기 15주 간 실시할 수 있는 아두이노 기반 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 설명하고 있다. 기초적으로 아두이노 장치를 소개하고, 브레드보드 회로 연결 실습을 실시한 후, 기초적인 아두이노 스케치 프로그래밍을 실습한다. 여기서 사운드 음량을 측정하는 입력 센서 장치를 연결하여, 측정된 음량 값에 따라, 동작 조건이 지정되도록 한다.
두번째 단계에서는 아두이노 6개 출력핀을 사용하는 16개(8*2) LED 회로 구성 및 아두이노 프로그래밍 실기 능력을 평가한다. 표 2 및 그림 4와 같이 아두이노 3개 출력핀을 이용하여 여덟 가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 8개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다.
이를 통해, 00 00 00 00부터 11 11 11 11까지 4*4*4*4 총 256가지 입력신호를 아두이노 스케치 프로그래밍을 통해 발생시킬 수 있다. 또한, 초음파 거리측정센서를 연결하여 delay() 함수 프로그래밍을 실습하고, 가변저항 연결을 통한 사운드 센서와 초음파 거리측정센서의 동작 모드를 설정하고 실습 및 실기 평가를 실시한다.
실습 교육과정이므로, 이후 강의에서는 실기 평가를 실시한다. 복잡하지 않은 회로 설계 범위에서 실기 평가를 실시하기 위해, 2 입력 변수와 3입력 변수 논리회로 설계에 대한 실기 능력을 평가한다. 이를 위해, 첫번째로 아두이노 8개 출력핀을 사용하는 16개 (4*4)LED 회로 구성 및 아두이노 프로그래밍 실기 능력을 평가한다.
그림 3은 표 1의 AND 연산에 대한 아두이노 2변수 입력 신호 프로그래밍 내용을 나타내고, 스케치 환경에서 작성하여 업로드할 수 있다. 아두이노 보드에서 3번 핀과 4번 핀이 디지털 출력핀으로 사용되었기 때문에, pinMode() 함수를 사용하여 설정하였다. A와 B 두 개의 입력 변수가 만들어 내는 4개의 입력 패턴을 loop() 함수에서 각 1초 간격으로 발생하고, 총 4초 간격으로 4개의 입력 패턴 전압 신호들을 무한 반복하여 74HC08 AND 연산 칩에 전달하고 있다.
그림 5는 표 2에 대한 아두이노 3변수 입력 신호 프로그래밍 내용을 나타낸다. 아두이노 보드에서 3번, 4번과 5번 핀이 디지털 출력핀으로 사용되었기 때문에, pinMode() 함수를 사용하여 설정하였다. A, B와 C 세 개의 입력 변수가 만들어 내는 8개의 입력 패턴을 loop() 함수에서 각 1초간격으로 발생하고, 총 8초 간격으로 8개의 입력 패턴 전압 신호들을 무한 반복하여 전체 회로에 전달하고 있다.
표 2는 세 개의 입력 변수 A, B, C에 대해 총 여덟 가지 입력 신호 조합이 발생할 수 있고, 이에 대한 여덟 가지 논리회로 출력 부울식을 표현한 것이다[4]. 여덟 가지 논리회로 출력식을 논리회로를 통해 구현하기 위해서, 우선 74HC04 NOT 회로 칩을 통과하여 A, B, C의 NOT출력, A, B, C 신호를 만들어 낸다. 그리고, 원신호인 A, B, C신호와 74HC08 AND 회로 칩을 통해 AND 연산 결과들을 만들어 낸다.
복잡하지 않은 회로 설계 범위에서 실기 평가를 실시하기 위해, 2 입력 변수와 3입력 변수 논리회로 설계에 대한 실기 능력을 평가한다. 이를 위해, 첫번째로 아두이노 8개 출력핀을 사용하는 16개 (4*4)LED 회로 구성 및 아두이노 프로그래밍 실기 능력을 평가한다. 표 1 및 그림 2와 같이 아두이노 2개 출력핀을 이용하여 네 가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 4개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다.
이후 차시에서 디지털 논리회로에 대한 이론 강의를 실시하고, 이론 시험을 실시한다. 실습 교육과정이므로, 이후 강의에서는 실기 평가를 실시한다.
입력 변수가 세 개인 경우에 대해, 아두이노 기반 논리회로 제어 방법을 제안한다. 표 2는 세 개의 입력 변수 A, B, C에 대해 총 여덟 가지 입력 신호 조합이 발생할 수 있고, 이에 대한 여덟 가지 논리회로 출력 부울식을 표현한 것이다[4].

성능/효과

여기서 설계되는 진리표는 표 4와 같다. 결과적으로 변수 A는 3번핀 출력의 5V(1)와 0V(0) 전압 상태와 같고, 변수 B는 4번핀 출력의 5V(1)와 0V(0) 전압 상태, 변수 C는 5번핀 출력의 5V(1)와 0V(0) 전압 상태와 같다. 표 4의 진리표로부터 1번~20번 LED 장치에 연결될 논리회로식이 3변수 카르노맵을 사용하여 도출된다.
표 2 및 그림 4와 같이 아두이노 3개 출력핀을 이용하여 여덟 가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 8개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다. 결과적으로 총 6개 아두이노 출력핀을 이용하여 16가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 16개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다. 이를 통해, 000 000부터 111 111까지 8*8 총 64가지 입력신호를 아두이노 스케치 프로그래밍을 통해 발생시킬 수 있다.
표 1 및 그림 2와 같이 아두이노 2개 출력핀을 이용하여 네 가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 4개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다. 결과적으로 총 8개 아두이노 출력핀을 이용하여 16가지 출력장치 상태를 지정할 수 있어, 16개 LED들을 각각 켜고 끄는 제어가 가능하다. 이를 통해, 00 00 00 00부터 11 11 11 11까지 4*4*4*4 총 256가지 입력신호를 아두이노 스케치 프로그래밍을 통해 발생시킬 수 있다.
이론으로만 디지털 조합논리회로를 학습한 학생은 아두이노 보드와 논리회로를 결합하여 보다 다양한 출력 결과를 만들어 낼 수 없다. 이러한 문제점을 제안한 교육과정을 실시하여 해결할 수 있고, 동일한 센서 입출력 장치와 아두이노 보드를 보유한 경우, AND, OR, NOT 칩들을 이용하여 보다 많은 출력 결과들을 창작할 수 있다. 또한, 디지털 논리회로 입력 신호 프로그래밍을 통해 논리회로의 출력장치들의 동작 순서 및 알고리즘을 미리 설계하여 프로그래밍할 수 있다.
본 논문에서는 디지털 출력 명령을 통한 아두이노 프로그래밍을 통해, 다수의 입력 전압 신호를 발생시키고 디지털 논리회로를 제어하는 한 학기 기간의 기초 디지털 논리 회로 실습 교육 과정을 제안하였다. 제안한 교육과정을 통해, 논리회로가 소수의 입력 장치를 이용하여 다수의 출력장치들을 특정 목표를 달성하기 위해 제어한다는 내용을 전달할 수 있다. 본 논문에서 소개된 아두이노 프로그래밍과 디지털 논리회로 결합 예제는 매우 간단하지만, 논리회로와 아두이노 프로그래밍을 접목시키는 경우에 반드시 필요한 예제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트웨어 스케치의 특징은 무엇인가?	cc에서 다운받을 수 있다. 프로그램 개발, 컴파일, 업로드, 시리얼 통신 기능까지 제공이 된다. 이 툴 하나로 하드웨어 시스템 개발에 필요한 모든 것이 가능하다[6].
	아두이노란?	아두이노(Arduino)는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러(Micro controller)이며, 이 장치와 연결된 입출력 장치와 신호를 제어하고 반응을 수행한다. 아두이노는 USB커넥터를 통해서 개발 PC와 연결이 되며 별도의 추가 장비 없이 개발 PC에서 작성한 프로그램을 보드의 플래시 메모리에 업로드할 수 있다.
	아두이노의 장점은 무엇인가?	아두이노(Arduino)는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러(Micro controller)이며, 이 장치와 연결된 입출력 장치와 신호를 제어하고 반응을 수행한다. 아두이노는 USB커넥터를 통해서 개발 PC와 연결이 되며 별도의 추가 장비 없이 개발 PC에서 작성한 프로그램을 보드의 플래시 메모리에 업로드할 수 있다. 일반 임베디드 프로그래밍의 프로그램 로딩의 복잡한 과정 및 추가 장비가 필요 없이 쉽게 개발 할 수 있다.

참고문헌 (7)

Y. J. Lee, J. W. Hwang, D. M. Hwang, K. M. Yun, B. G. Lee, S. T. Yu, and I. Y. Moon, "Design and implementation of software program based on web for basic electronic circuit practice," Journal of Practical Engineering Education, vol. 7, no. 2, pp. 113-117, December, 2015.

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Mobileic114, LED [Internet]. Available: http://www.ic114.com/AJAXWWW/site/SC/30L0.ASPX?tree030101/.
H. B. Lee and K. H. Kwon, "Development of a convergent teaching-learning materials based on logic gates using water-flow for the secondary informatics gifted students," Journal of the Korea Society of Computer and Information, vol. 19, no. 12, pp. 369-384, December, 2014.

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H. B. Lee and K. H. Kwon, "A performance evaluation of circuit minimization algorithms for mentorship education of informatics gifted secondary students," Korea Information Processing Society Transactions on Computer and Communication Systems, vol. 4, no. 12, pp. 391-398, December, 2015.
S. F. Najam, M. L. P. Tan, and Y. S. Yu, "General SPICE modeling procedure for double-gate tunnel field-effect transistors," Journal of Information and Communication Convergence Engineering, vol. 14, no. 2, pp. 115-121, June, 2016.

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Massimo Banzi, How Arduino is open-sourcing imagination [Internet]. Available: https://www.ted.com/talks/massimo_banzi_how_arduino_is_open_sourcing_imagination/.
K. Hur, "Implementation of a switch-based LED art logic circuit for basic digital logic circuit practice," Journal of Practical Engineering Education, vol. 8, no. 2, pp. 95-101, December, 2016.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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