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BASIC4MCU | 질문게시판 | 답변 : 아두이노와 디지털 홀센서 사용 중 sampling rate 문제입니다.

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작성자 master 작성일2024-05-03 15:02 조회99회 댓글0건

본문

	

안녕하세요.

저는 디지털 홀센서와 아두이노를 이용해서 연구를 진행하고 있는 대학원생입니다.

홀센서 사용중에 이런저런 문제가 생겨 자료 조사를 많이 해 보았는데, 관련 전공자가 아니다보니 내용 이해에도 시간이 걸리고 잘못 이해하는 경우가 생겨 이렇게 고수분들께 질문을 드리려고 합니다.

바쁘신 와중에 읽어주신 모든 분들께 감사드린다는 말씀 먼저 드리겠습니다.

 

현재 저는 MEMSIC사의 MMC5603NJ와 아두이노 우노를 사용하여 코일에서 발생하는 사인파 형태의 자기장을 측정하고 있습니다.

문제는 이 자기장이 제대로 샘플링되지 않는다는 것입니다.

 

첨부하는 ppt 파일은 질문에 필요한 사진 및 실험데이터를 정리한 것입니다. 

 

첫번째 슬라이드는 측정환경을 촬영한 사진입니다.

각각 센서 핀 - 아두이노 핀, 
VDDIO - Vin, 
VDD - 3.3V, 
GND - GND, 
SDA - SDA, 
SDL - SDL

이때 센서의 VDDIO와 아두이노의 Vin핀, 센서의 VDD와 아두이노의 3.3V핀, 센서의 GND와 아두이노의 GND를 연결해야 센서값을 읽어올 수 있었습니다.

여기서도 질문이 하나 있는데, 제가 알기로는 아두이노의 Vin 은 외부 전원을 사용할 때 사용하는 핀으로 알고 있습니다. 근데 왜 여기에 연결하면 센서가 작동하는지 의문입니다. 더불어, VDDIO와 VDD 핀이 의미하는 의미하는 바가 정확히 무엇인지 모르겠습니다.

b3220517f1836939faf574993d0098fa_1714713738_8069.png
VDDIO 핀이 안보이는데요? 어느 제품을 사용하고 있나요?

판매사이트 링크를 적어주시면 됩니다.

https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit-mmc5603-triple-axis-magnetometer.pdf 


VDDIO핀은 아두이노 우노와 연결 할 때는 5V를 연결해주면 됩니다. 

VDD핀은 센서보드에서 레귤레이터가 사용되고 있는지에 따라서 다르며, 레귤레이터를 사용하고 있다면 5V를 연결해주면 될 것으로 예상되지만, 정확한 것은 보드 메뉴얼에 나와있는 대로 해야겠죠

 

 

제가 이해한 바로는 ODR, 즉 Output Data Rate가 샘플링 주파수로 생각됩니다. 현재 사용중인 센서는 ODR을 최대 1000 Hz로 설정할 수 있습니다. 하지만 ODR을 1000 Hz로 설정하고 코일에 AC 1 V, 100 Hz의 전압을 인가할 경우 제대로된 샘플링을 하지 못하고 있습니다.

샘플링 주파수가 맞을 것으로 생각합니다만, 

얼마나 빠르게 측정값을 얻을 수 있는지의 응답속도에 관한 것이지, 샘플링주파수에 맞춰서 입력주파수를 맞추라는 의미가 아닙니다.

입력이 DC라면 샘플링주파수는 내가 필요한대로 대충 정하겠지만

사인파 입력값을 측정하는 경우, 저라면 가장빠른 1KHz로 설정해서 값을 읽겠습니다.

1KHz 샘플링 시 100Hz 사인파 입력은 대략 1파형에 10번정도 측정하는 것이라서 이 값으로 사인파를 다시 만들면 되겠죠

사인파를 만드는데 최소 샘플링 개수가 1파장에 3개 이상이던가요?



 

나이퀴스트-샤넌 이론에 따르면 원신호가 갖는 최대 주파수의 2배 이상의 샘플링 주파수로 샘플링을 진행하면 time-domain의 성분은 정확히 샘플링하지 못해도 최소 주파수 성분은 검출할 수 있다고 알고 있습니다. 하지만 저의 경우 주파수 성분도 제대로 검출되지 않는 상황입니다. (총 10초 측정, 1초 측정한 데이터로 그래프를 그리면 100개의 cycle이 안 나옵니다.)

 

 

아래는 사용한 코드입니다.

 

#include <Adafruit_MMC56x3.h>

/* Assign a unique ID to this sensor at the same time */
Adafruit_MMC5603 mmc = Adafruit_MMC5603(12345);

void setup(void) {
  Serial.begin(2000000); // 실험마다 변경됩니다.
  while (!Serial)
    delay(10); // will pause Zero, Leonardo, etc until serial console opens

  Serial.println("Adafruit_MMC5603 Magnetometer Test");
  Serial.println("");

  /* Initialise the sensor */
  if (!mmc.begin(MMC56X3_DEFAULT_ADDRESS, &Wire)) {  // I2C mode
    /* There was a problem detecting the MMC5603 ... check your connections */
    Serial.println("Ooops, no MMC5603 detected ... Check your wiring!");
    while (1) delay(10);
  }

  /* Display some basic information on this sensor */
  mmc.printSensorDetails();
  mmc.setDataRate(1000); // in Hz, from 1-255 or 1000 // 실험마다 변경됩니다.
  mmc.setContinuousMode(true);
}

void loop(void) {
  // Get a new sensor event 
  sensors_event_t event;
  mmc.getEvent(&event);

  // Display the results (magnetic vector values are in micro-Tesla (uT))
  /* Serial.print("X: ");
  Serial.print(event.magnetic.x);
  Serial.print("  ");
  Serial.print("Y: ");
  Serial.print(event.magnetic.y);
  Serial.print("  "); 
  Serial.print("Z: ");
  Serial.print(event.magnetic.z);
  Serial.print("  ");
  Serial.println("uT"); */

  Serial.println(event.magnetic.z / 1000);

  // Read and display temperature
  //float temp_c = mmc.readTemperature();
  //Serial.print("Temp: "); Serial.print(temp_c); Serial.println(" *C");
  // Delay before the next sample
  delay(1); // 실험마다 변경됩니다.
}

또한 검색을 통해 찾은 예제코드 및 라이브러리 파일은 압축하여 첨부해두었습니다. (본문에 작성한 아두이노 코드는 예제코드를 수정한 것이며, 압축파일에 포함되어있지 않습니다.)

 

센서값을 읽어올 때는 CoolTerm 이라는 프로그램을 이용하여 아두이노와 PC간 시리얼 통신한 데이터를 가져와서 엑셀로 그래프를 그려 파형을 확인하는 식으로 진행했습니다.

 

 

질문하고 싶은 내용은 아래와 같습니다.

1. ODR의 정확한 의미가 어떻게 될까요? 다양한 테스트를 해본 결과 sampling rate인 것처럼 생각되는 실험결과도 보이지만 그렇다면 왜 1000 Hz의 ODR을 갖는 센서가 100 Hz의 원신호를 제대로 검출하지 못할까요?

100Hz의 사인파 입력을 100Hz 샘플링으로 측정하면

동기가 정확히 맞다면 전체 사인파를 적분하면 합이 0이므로 측정결과는 0이 되겠습니다.

위에서도 언급했듯이 1KHz 샘플링주파수에서는 1사이클당 10번의 측정 결과를 먿을 수 있습니다.

(물론 I2C 데이터 주고받는 시간 같은 것으로 인한 오차는 생기겠지만)

 

 

2. PPT 슬라이드에 몇 가지 사진을 첨부한 바와 같이 Baud rate와 delay도 다양하게 수정하며 실험을 해본결과 샘플링된 파형의 변화는 발생하였으나 결국 원하는 파형 (100 Hz)은 검출되지 않았습니다. 왜 이런 현상이 발생하는 것이며, Baud rate가 의미하는 바가 정확히 무엇일까요? 어떤 글에서는 Bit per sec라고 하고, 어떤 글에서는 Byte per sec라고 하는데, 받아오는 데이터의 형에 따라서도 영향을 받을것 같고, 결국 이 Baud rate 때문에 제대로 샘플링이 안될 가능성이 있을까요? 만약 그렇다면 적절한 Baud rate는 어떻게 선정해야 할까요?

Baud rate는 I2C 통신속도에 관한 부분입니다.

샘플링레이트는 센서IC의 ADC변환속도에 관한 부분입니다.

성격이 전혀 다른 내용입니다.

400Kbps 이하로 많이 합니다.(데이터시트보니 400KHz가 최고 속도군요)

 

3. CoolTerm 프로그램을 이용해서 시리얼 데이터를 가져와서 문제가 발생하는 것일 수 있을까요? 만약 그렇다면 센서값을 읽어와서 파형을 확인하는 더 좋은 방법은 어떤 것이 있을까요?

 

4. 1, 2, 3번 질문의 연장선입니다만, ppt 두 번째 슬라이드를 보시면 실험데이터 몇 가지를 정리해둔 것입니다. 같은 데이터가 여러개 출력되는 것을 확인할 수 있는데, 왜 이러한 현상이 발생하는 것일까요?

2000000 baud rate는 무엇을 말할까요? 

마지막 그림의 baud rate는 115200 이라서 시리얼(UART) 통신속도로 보입니다만 2000000은 i2c 통신속도로도 안보이고, UART 시리얼통신속도로도 안보이고 ADC샘플링 속도로도 안보이고 무엇인지 모르겠습니다.


1. 설정

ODR은 1KHz 최고속도로 하세요

I2C 통신속도도 400KHz 최고속도로 합니다.(센서값을 읽는데 문제가 있다면 통신속도를 낮춰야 합니다.)

시리얼통신속도도 115200으로 최고속도로 합니다.


2. 데이터 읽기

1KHz 샘플링 속도로 100Hz 입력을 읽으려면 최소 10개를 읽어야지 1개 파형을 읽는 것인데요(i2C 통신속도 무시하는 경우)

1번째 읽어서 시리얼로 쏘고, 2번째 읽어서 시리얼로 쏘고...를 반복하면 시리얼 통신 시간까지 오차가 누적되게 됩니다.

딜레이 없이 10번 루프를 돌면서 연속적으로 읽어서 배열에 저장하고

10번 다 읽은 후에 10개를 시리얼로 전송 해보세요


3. 입력값의 주파수를 더 느리게 조정해보기

100Hz 사인파가 아닌 50Hz, 20Hz등으로 변경하면서도 동일하게 출력해서 값을 비교 해보세요



 

사실 이것보다 여쭤보고 싶은 부분은 훨씬 많습니다만, 일단 가장 먼저 해결되어야 하는 부분이라 생각되는 것들을 정리했습니다.

하지만 제가 질문한 것 뿐만이 아닌, 제가 미쳐 생각하지 못한 부분이 훨씬 많으리라 생각됩니다. 또한 컴퓨터공학 및 전자공학에 대한 지식이 많이 없어 질문이 명확하지 않을 수 있습니다.

위와 같은 부분과 관련하여 어떤 것이든 좋으니 검토할만한 부분에 대해서 조언해주시면 감사하겠습니다 :)

 

P/S: 코일의 경우 California Instruments사의 3001iX로 AC 전원을 공급하고 있고, 전원인가 자체에 문제가 있나싶어 코일에 흐르는 전류를 오실로스코프로 측정해봤으나 전원은 정상적으로 인가되고 있었습니다.

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