ATmega128A 8bit Timer/Counter0 CTC로 부저 다루기.

Active Buzzer vs. Passive Buzzer

Active Buzzer는 전원만 인가하면 소리가 난다.
Passive Buzzer는 특정 주파수를 직접 인가해야 소리가 난다.
- 그러니까, Waveform Generation 기능을 이용해 보려면 Passive Buzzer를 선택해야 한다.
  - 직접 주파수를 인가하기 때문에 원하는 음을 낼 수 있다.
  - 그렇다면 연주 같은 것도 가능하겠지.

먼저... Timer랑 Counter가 왜 묶여 있지?

16-bit Timer/Counter라고 해 보자
- 클럭은 16MHz라고 해 보자.
1초에 16,000,000번 클럭이 인가된다는 건데...
- 좋다. 클럭이 한 번 인가될 때마다 Counter를 1씩 증가시키다가 16,000,000이 되면 1초가 지났다고 하면 되겠군!
...안타깝지만 16비트 Timer/Counter에는 0-65535까지만 저장이 가능한데 되겠나?

이번엔 Prescaler에 대해 간단히 알아야 한다.

'분주기'라고, n Clock을 1 Clock으로, 클럭을 나눠주는 장치다.
예를 들어, ATmega128A의 Timer/Counter1의 Prescaler는 아래 값 중 하나를 선택할 수 있다.
- 8, 32, 64, 128, 256, 1024
- Prescaler 값으로 1024를 택했다고 해 보자.
- 16,000,000Hz를 1024로 나누면?
  - 15625
  - 분주기를 거친 클럭이 15625번 인가되면 1초가 지난 것이군!!!!!!
    - 아하!!!!!!! TCNT1이 15625가 되면 1초!!!!!!!
    - 아하!!!!!
  - 얼마나 긴 시간을 잴 것인지 등등... 목적에 맞게 Prescaler를 설정하면 될 것.

Timer/Counter랑 Waveform Generation이 무슨 상관이지?

Timer/Counter는...
- 카운터가 다 차서 오버플로우가 발생할 때마다 인터럽트가 발생토록 할 수 있다.
  - Normal Mode
  - 물론 Normal Mode를 Waveform Generate용으로 사용하는 건 Not-recommended라고 써져 있긴 하다.
- 혹은 OCRnA Register에 값을 세팅해 놓고, TCNTn의 값이 OCRnA의 값과 같아졌을 때마다 인터럽트가 발생하게 할 수 있다.
  - CTC Mode, Clear Timer on Compare match Mode.
  - TCNTn : Timer/Counter n이 가지고 있는 카운터 Register.
  - OCRnA : Output Compare Register. 비교할 값이 담긴 Register.
- 이 인터럽트 때마다(혹은 어떤 이벤트마다) OCn 핀의 신호를 올리고 내리면...?
  - Waveform Generation!!!

HC12G-1PA Buzzer (= IMT12D2001AP)

주요 Spec - Passive Buzzer

85db(min) at 10cm
- 철로변/지하철 소음 수준?
Rated Voltage: 1.5v
- ATmega128A에선 5V output이 나오니까, 저항을 잘 활용해줘야 할 것.
- 나는 1/4W 100옴 + 15옴 = 115옴 저항을 두었다.
- R = V / I
  - 1.5v 사용하니까, V = 5v - 1.5v = 3.5v
  - 아래의 Max Current Consumption, I = 30mA
  - 3.5 / 0.03 = 116.666...옴.
  - 115옴 쓰자!
    - 전력 P = IV = 3.5 * 0.03 = 0.105
    - 1/8W가 채 안 되는군!
Operating Voltage: 1 - 2v
- 이 사이에서 전압을 흔들어서 주파수를 주면 된다는 거지...?
Resonant Frequency: 2048Hz
- 이 주파수에서 소리가 가장 크다? 공명주파수.
Max Current Consumption: 30mA
- at 2048Hz, 1/2 Duty Square Wave

실험 1. 그냥 Power Supply에 연결해 보기.

아무 소리도 안 난다.
전극을 뗐다 붙였다 하면 지지직거리긴 한다.
- MOSFET 같은 걸 이용해서 소리낼 수도 있겠군. 난 CTC 쓸 거지만...

CTC, Clear Timer on Compare Match Mode (WGM01:0 = 2) - 8bit Timer/Counter0

개요

OCR0 Register의 값과 TCNT0 값이 일치하면 Counter가 Clear된다.
- 그러니까, OCR0 값이 곧 Counter의 TOP Value다.
  - TOP Value : 각 동작 모드에서 카운터가 도달하는 최댓값.
    - 설정될 수 있다.
  - MAX Value : 각 동작 모드에서 카운터가 가질 수 있는 최댓값.
    - 8bit 기준 0xFF... 아시잖아요?
  - BOTTOM Value : 카운터가 가질 수 있는 최솟값.
    - 대개 0. 특수한 경우가 아니면.
OCF0 Flag를 이용하면 카운터 값이 TOP Value에 도달할 때마다 인터럽트를 발생시킬 수 있다.
- 사실 나는 이건 관심 없다
Waveform을 Generate하지만 PWM은 아니다.
- Duty Ratio 50% 고정.
CTC Mode에서 COM01:0 = 1로 설정하면...
- OC0 핀의 출력이 계속 Toggle된다!
- OCn Interrupt 발생 시마다 Toggle.
만들어낼 수 있는 주파수는?

$f_{\text{OCn}}=\frac{f_{\text{clk\_I/O}}}{2\cdot N\cdot (1+\text{OCRn})}$

.
- N은 Prescaler Factor.
  - 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024
- Prescaler Factor를 1(미사용)로 두고... OCRn을 1로 두면 40,000Hz = 40KHz
- 주의할 것은...
  - Counter가 돌고 있는 중에 TOP Value(OCR0)를 BOTTOM에 가깝게 옮길 때 조심.
  - Counter가 Compare Match를 놓칠 수 있다.
    - 그렇게 되면 TCNT0이 0xFF까지 갔다가 BOTTOM으로 내려온 후부터 제대로 동작한다.
- 분주비 N과 OCRn의 값을 잘 조정하며 주파수를 제어하면 될 것.

CTC Mode로 Buzzer 다루기

코드

#define F_CPU 16000000UL

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void){
	DDRA = 0x01; // 개발보드 상태확인용
	DDRB = 0x10; // PB4만 Out...
	PORTB = 0x00;
	TCCR0 = 0x1C; // 0001 1100, Prescale(64)
	OCR0 = 60; // 여기까지 하면 2048Hz에 근접. 대략 2049.18Hz.
	
	while(1){
		// 개발보드 상태확인용
		PORTA = 0x01;
		_delay_ms(1000);
		PORTA = 0x00;
		_delay_ms(1000);
	}
}

설명

DDRA와 While문
- 내가 쓰는 개발보드는 PA0의 Pin-Out이 보드의 LED를 깜빡거리도록 하기 때문에, 개발보드가 잘 돌고 있나 상태 확인을 위해 넣어준 것뿐이다.
DDRB = 0x10 -> 0b 0001 0000
- PB4(OC0) 핀을 Output Pin으로 설정한 것이다.
PORTB = 0x00
- 평범한 기본값 설정이다.
TCCR0 = 0x1C -> 0b 0001 1100
- 이게 중요하다!!!
  - TCCR0은 이렇게 생겨먹었다. 데이터시트에 오류가 있는지 6번 비트와 3번 비트가 바뀌어 있다(...).
    - WGM01:0 = 2라고 했으므로...
      - WGM01 비트 위치에 1
      - WGM00 비트 위치에 0
    - COM01:0은...
      - 난 Toggle 하고 싶으니까...
        COM01 비트 위치에 0
        COM00 비트 위치에 1
    - CS02:0은 Prescaler 설정하는 영역이다.
      - 난 분주비 64 쓰고 싶으니까...
        CS02 위치에 1
        CS01 위치에 0
        CS00 위치에 0
- OCR0 = 60
  - Output Compare Register#1을 60으로...
  - 위~~~에 있는 수식에 넣고 돌려보니 이렇게 설정해야 2048Hz에 가장 가까운 주파수가 나오드라구용.

결과

여담 - 이걸로 이틀을 삽질한 이유

Active Buzzer vs. Passive Buzzer

Active Buzzer는 전원만 인가하면 소리가 난다.
Passive Buzzer는 특정 주파수를 직접 인가해야 소리가 난다.
- 그러니까, Waveform Generation 기능을 이용해 보려면 Passive Buzzer를 선택해야 한다.
  - 직접 주파수를 인가하기 때문에 원하는 음을 낼 수 있다.
  - 그렇다면 연주 같은 것도 가능하겠지.

먼저... Timer랑 Counter가 왜 묶여 있지?

16-bit Timer/Counter라고 해 보자
- 클럭은 16MHz라고 해 보자.
1초에 16,000,000번 클럭이 인가된다는 건데...
- 좋다. 클럭이 한 번 인가될 때마다 Counter를 1씩 증가시키다가 16,000,000이 되면 1초가 지났다고 하면 되겠군!
...안타깝지만 16비트 Timer/Counter에는 0-65535까지만 저장이 가능한데 되겠나?

이번엔 Prescaler에 대해 간단히 알아야 한다.

'분주기'라고, n Clock을 1 Clock으로, 클럭을 나눠주는 장치다.
예를 들어, ATmega128A의 Timer/Counter1의 Prescaler는 아래 값 중 하나를 선택할 수 있다.
- 8, 32, 64, 128, 256, 1024
- Prescaler 값으로 1024를 택했다고 해 보자.
- 16,000,000Hz를 1024로 나누면?
  - 15625
  - 분주기를 거친 클럭이 15625번 인가되면 1초가 지난 것이군!!!!!!
    - 아하!!!!!!! TCNT1이 15625가 되면 1초!!!!!!!
    - 아하!!!!!
  - 얼마나 긴 시간을 잴 것인지 등등... 목적에 맞게 Prescaler를 설정하면 될 것.

Timer/Counter랑 Waveform Generation이 무슨 상관이지?

Timer/Counter는...
- 카운터가 다 차서 오버플로우가 발생할 때마다 인터럽트가 발생토록 할 수 있다.
  - Normal Mode
  - 물론 Normal Mode를 Waveform Generate용으로 사용하는 건 Not-recommended라고 써져 있긴 하다.
- 혹은 OCRnA Register에 값을 세팅해 놓고, TCNTn의 값이 OCRnA의 값과 같아졌을 때마다 인터럽트가 발생하게 할 수 있다.
  - CTC Mode, Clear Timer on Compare match Mode.
  - TCNTn : Timer/Counter n이 가지고 있는 카운터 Register.
  - OCRnA : Output Compare Register. 비교할 값이 담긴 Register.
- 이 인터럽트 때마다(혹은 어떤 이벤트마다) OCn 핀의 신호를 올리고 내리면...?
  - Waveform Generation!!!

HC12G-1PA Buzzer (= IMT12D2001AP)

주요 Spec - Passive Buzzer

85db(min) at 10cm
- 철로변/지하철 소음 수준?
Rated Voltage: 1.5v
- ATmega128A에선 5V output이 나오니까, 저항을 잘 활용해줘야 할 것.
- 나는 1/4W 100옴 + 15옴 = 115옴 저항을 두었다.
- R = V / I
  - 1.5v 사용하니까, V = 5v - 1.5v = 3.5v
  - 아래의 Max Current Consumption, I = 30mA
  - 3.5 / 0.03 = 116.666...옴.
  - 115옴 쓰자!
    - 전력 P = IV = 3.5 * 0.03 = 0.105
    - 1/8W가 채 안 되는군!
Operating Voltage: 1 - 2v
- 이 사이에서 전압을 흔들어서 주파수를 주면 된다는 거지...?
Resonant Frequency: 2048Hz
- 이 주파수에서 소리가 가장 크다? 공명주파수.
Max Current Consumption: 30mA
- at 2048Hz, 1/2 Duty Square Wave

실험 1. 그냥 Power Supply에 연결해 보기.

아무 소리도 안 난다.
전극을 뗐다 붙였다 하면 지지직거리긴 한다.
- MOSFET 같은 걸 이용해서 소리낼 수도 있겠군. 난 CTC 쓸 거지만...

CTC, Clear Timer on Compare Match Mode (WGM01:0 = 2) - 8bit Timer/Counter0

개요

OCR0 Register의 값과 TCNT0 값이 일치하면 Counter가 Clear된다.
- 그러니까, OCR0 값이 곧 Counter의 TOP Value다.
  - TOP Value : 각 동작 모드에서 카운터가 도달하는 최댓값.
    - 설정될 수 있다.
  - MAX Value : 각 동작 모드에서 카운터가 가질 수 있는 최댓값.
    - 8bit 기준 0xFF... 아시잖아요?
  - BOTTOM Value : 카운터가 가질 수 있는 최솟값.
    - 대개 0. 특수한 경우가 아니면.
OCF0 Flag를 이용하면 카운터 값이 TOP Value에 도달할 때마다 인터럽트를 발생시킬 수 있다.
- 사실 나는 이건 관심 없다
Waveform을 Generate하지만 PWM은 아니다.
- Duty Ratio 50% 고정.
CTC Mode에서 COM01:0 = 1로 설정하면...
- OC0 핀의 출력이 계속 Toggle된다!
- OCn Interrupt 발생 시마다 Toggle.
만들어낼 수 있는 주파수는?

$f_{\text{OCn}}=\frac{f_{\text{clk\_I/O}}}{2\cdot N\cdot (1+\text{OCRn})}$

.
- N은 Prescaler Factor.
  - 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024
- Prescaler Factor를 1(미사용)로 두고... OCRn을 1로 두면 40,000Hz = 40KHz
- 주의할 것은...
  - Counter가 돌고 있는 중에 TOP Value(OCR0)를 BOTTOM에 가깝게 옮길 때 조심.
  - Counter가 Compare Match를 놓칠 수 있다.
    - 그렇게 되면 TCNT0이 0xFF까지 갔다가 BOTTOM으로 내려온 후부터 제대로 동작한다.
- 분주비 N과 OCRn의 값을 잘 조정하며 주파수를 제어하면 될 것.

CTC Mode로 Buzzer 다루기

코드

#define F_CPU 16000000UL

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void){
	DDRA = 0x01; // 개발보드 상태확인용
	DDRB = 0x10; // PB4만 Out...
	PORTB = 0x00;
	TCCR0 = 0x1C; // 0001 1100, Prescale(64)
	OCR0 = 60; // 여기까지 하면 2048Hz에 근접. 대략 2049.18Hz.
	
	while(1){
		// 개발보드 상태확인용
		PORTA = 0x01;
		_delay_ms(1000);
		PORTA = 0x00;
		_delay_ms(1000);
	}
}

설명

DDRA와 While문
- 내가 쓰는 개발보드는 PA0의 Pin-Out이 보드의 LED를 깜빡거리도록 하기 때문에, 개발보드가 잘 돌고 있나 상태 확인을 위해 넣어준 것뿐이다.
DDRB = 0x10 -> 0b 0001 0000
- PB4(OC0) 핀을 Output Pin으로 설정한 것이다.
PORTB = 0x00
- 평범한 기본값 설정이다.
TCCR0 = 0x1C -> 0b 0001 1100
- 이게 중요하다!!!
  - TCCR0은 이렇게 생겨먹었다. 데이터시트에 오류가 있는지 6번 비트와 3번 비트가 바뀌어 있다(...).
    - WGM01:0 = 2라고 했으므로...
      - WGM01 비트 위치에 1
      - WGM00 비트 위치에 0
    - COM01:0은...
      - 난 Toggle 하고 싶으니까...
        COM01 비트 위치에 0
        COM00 비트 위치에 1
    - CS02:0은 Prescaler 설정하는 영역이다.
      - 난 분주비 64 쓰고 싶으니까...
        CS02 위치에 1
        CS01 위치에 0
        CS00 위치에 0
- OCR0 = 60
  - Output Compare Register#1을 60으로...
  - 위~~~에 있는 수식에 넣고 돌려보니 이렇게 설정해야 2048Hz에 가장 가까운 주파수가 나오드라구용.