greentam 님의 블로그

안녕하세요.

오늘은 Texas Instruments(TI)의 무선 MCU인 CC3551E를 소개하겠습니다.

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IoT 제품을 개발하다 보면 MCU와 Wi-Fi, Bluetooth를 어떻게 구성할지 고민하게 됩니다. 별도의 무선통신 모듈을 사용할 수도 있지만, 부품 수와 PCB 면적, 제조 비용 등을 고려하면 하나의 칩으로 통합하는 방식도 매력적입니다.

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TI의 CC3551E는 이러한 요구에 대응하는 무선 SoC(System-on-Chip)입니다.

이번에 살펴볼 튜토리얼에서는 개발환경 구축부터 GPIO 제어, 웹서버 구현, AI 코딩 도구 활용, 보안 기능까지 폭넓게 다루고 있습니다.

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1. CC3551E란 무엇인가?

CC3551E의 가장 큰 특징은 MCU와 Wi-Fi, Bluetooth Low Energy를 하나의 칩에 통합했다는 점입니다.

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주요 특징은 다음과 같습니다.

• MCU와 무선통신 기능을 통합한 단일 칩 구조
• 2.4GHz 및 5GHz 듀얼밴드 Wi-Fi 지원
• Bluetooth Low Energy 5.4 지원
• GPIO, UART 등 다양한 주변장치 인터페이스
• 보안 부팅과 하드웨어 기반 암호화 기능

일반적인 IoT 장치는 센서 데이터를 수집하는 MCU와 네트워크 연결을 위한 통신 모듈로 구성됩니다.

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CC3551E를 사용하면 이러한 기능을 단일 칩으로 구현할 수 있으므로 회로 구성을 단순화할 가능성이 있습니다.

특히 소형 IoT 센서, 스마트홈 기기, 산업용 무선 모니터링 장치 등에 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

다만 실제 제품의 크기와 원가를 평가하려면 RF 회로, 안테나, 전원부 및 외부 부품까지 함께 고려해야 합니다.

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2. 개발환경 구성: LaunchPad와 Code Composer Studio

영상에서는 CC3551E LaunchPad 평가보드를 사용합니다.

LaunchPad에는 기본적인 개발과 실험을 위한 버튼, LED, GPIO 헤더 등이 마련되어 있습니다.

프로그램 개발에는 TI의 Code Composer Studio(CCS)와 SimpleLink Wi-Fi SDK를 사용합니다.

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개발 과정은 다음과 같습니다.

1. CCS 개발환경 설치
2. SimpleLink Wi-Fi SDK 설치
3. LaunchPad 및 디버거 연결
4. SimpleLink Wi-Fi Toolbox를 이용한 디바이스 활성화
5. 예제 프로젝트 불러오기 및 빌드
6. 프로그램 다운로드와 동작 확인

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여기서 흥미로운 점은 디바이스 활성화 과정입니다.

CC3551E는 초기 사용 시 TI에서 제공하는 도구를 이용한 활성화 절차가 필요합니다.

이 과정에서 인증과 보안 관련 설정이 수행되며, 일부 일회성 퓨즈 설정도 가능합니다.

양산 제품에서는 이러한 초기 설정이 제조 공정과 연결될 수 있으므로 개발 초기부터 검토할 필요가 있습니다.

​

3. SysConfig를 이용한 GPIO 프로그래밍

임베디드 개발에서 GPIO 설정은 가장 기본적인 작업 중 하나입니다.

하지만 MCU마다 핀 기능과 레지스터 구성이 달라 초기 설정에 시간이 소요될 수 있습니다.

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TI는 이를 단순화하기 위해 SysConfig라는 그래픽 설정 도구를 제공합니다.

SysConfig에서는 다음과 같은 항목을 설정할 수 있습니다.

• GPIO 핀 할당
• 입력 및 출력 방향
• 풀업·풀다운 저항
• 인터럽트 트리거 조건
• 주변장치 드라이버 설정

영상에서는 UART2 Echo 예제를 수정하여 버튼과 RGB LED를 제어합니다.

버튼을 누르면 GPIO 인터럽트가 발생하고, 프로그램은 LED 상태를 변경합니다. 동시에 UART를 통해 PC 터미널에 메시지를 출력합니다.

​

단순한 예제이지만 실제 센서 시스템 개발에도 응용할 수 있습니다.

예를 들어 버튼 대신 센서의 인터럽트 신호를 연결하면 특정 조건이 발생했을 때 MCU가 이벤트를 처리하도록 구현할 수 있습니다.

​

4. CC3551E로 Wi-Fi 웹서버 만들기

이번 튜토리얼에서 특히 흥미로운 부분은 CC3551E 자체에서 웹서버를 실행하는 시연입니다.

CC3551E를 Wi-Fi 액세스 포인트(AP) 모드로 설정하면 스마트폰이나 노트북에서 직접 연결할 수 있습니다.

​

영상의 예제에서는 브라우저 주소창에 다음 주소를 입력합니다.

192.168.4.1

그러면 CC3551E에서 제공하는 웹 대시보드가 나타납니다.

이 대시보드에서는 RGB LED의 빨간색, 초록색, 파란색 채널을 각각 제어할 수 있습니다.

또한 온도센서 데이터와 버튼 입력 상태도 확인할 수 있습니다.

​

이러한 방식은 IoT 제품 개발에서 여러 가지 장점을 제공합니다.

첫째, 별도의 모바일 앱을 설치하지 않고도 기기 상태를 확인할 수 있습니다.

둘째, Wi-Fi 라우터나 외부 인터넷 연결이 없는 환경에서도 기기와 직접 통신할 수 있습니다.

셋째, 제품의 초기 설정이나 유지보수용 인터페이스로 활용할 수 있습니다.

예를 들어 센서 제품에 이 기능을 적용하면 사용자가 스마트폰 브라우저를 통해 네트워크 설정이나 측정 상태 확인을 수행하도록 설계할 수 있습니다.

다만 영상의 개방형 AP는 시연용 구성이므로 실제 제품에서는 무선 접속 인증과 웹 인터페이스 보안을 추가로 검토해야 합니다.

​

5. AI가 임베디드 C 코드를 수정한다?

영상에서는 AI 코딩 에이전트를 이용한 개발 과정도 보여줍니다.

개발자가 AI에 요청한 작업은 버튼을 누를 때마다 RGB LED의 색상이 순차적으로 바뀌도록 프로그램을 수정하는 것입니다.

AI 코딩 도구는 C 소스코드를 수정하고 SysConfig 설정을 변경하며 프로젝트 빌드까지 수행합니다.

​

여기서 중요한 점은 AI가 단순히 코드를 설명하는 수준을 넘어 실제 개발 프로젝트의 파일을 수정한다는 것입니다.

임베디드 개발에서는 소스코드뿐 아니라 핀 설정, 드라이버 구성, 빌드 환경 등이 서로 연관되어 있습니다.

AI가 이러한 작업을 함께 처리할 수 있다면 개발 시간을 단축하는 데 도움이 될 수 있습니다.

물론 AI가 생성한 코드는 실제 하드웨어에서 검증해야 합니다. 특히 인터럽트 처리, 메모리 사용, 동시성, 보안 관련 코드는 개발자의 검토가 필요합니다.

​

6. IoT 제품에서 중요한 보안 기능

CC3551E는 무선통신 기능뿐 아니라 보안 아키텍처도 강조합니다.

튜토리얼에서 소개된 주요 보안 기술은 다음과 같습니다.

​

Secure Boot

부팅 과정에서 실행되는 펌웨어의 신뢰성을 검증하는 기술입니다. 승인되지 않은 코드가 실행되는 위험을 줄일 수 있습니다.

​

AES-256 암호화

데이터 보호에 활용할 수 있는 하드웨어 기반 암호화 기능입니다.

​

OTFTE(실행 중 복호화)

암호화된 코드를 실행 과정에서 복호화하는 기술로, 저장된 펌웨어의 보호에 활용할 수 있습니다.

​

HSM(Hardware Security Module)

암호화 연산과 보안 관련 기능을 하드웨어 수준에서 지원하는 구성입니다.

​

Rollback Protection

보안 취약점이 존재할 수 있는 이전 펌웨어로 되돌리는 것을 방지하기 위한 기능입니다.

IoT 제품은 출시 이후에도 오랫동안 네트워크에 연결되어 동작할 수 있습니다.

따라서 펌웨어 업데이트와 기기 인증, 보안 키 관리 등의 문제를 초기 설계 단계부터 고려하는 것이 중요합니다.

​

7. CC3551E의 활용 가능성

CC3551E는 다음과 같은 분야에서 검토할 만한 칩입니다.

• 스마트홈 센서와 제어기
• 산업용 IoT 모니터링 장치
• 무선 환경 측정 시스템
• 스마트 농업용 센서
• Wi-Fi 기반 원격 제어 장치
• 웹 인터페이스를 갖춘 소형 임베디드 제품

특히 센서 데이터 수집과 무선통신을 하나의 MCU에서 처리할 수 있다는 점은 소형 IoT 기기 설계에 유리할 수 있습니다.

​

하지만 배터리 구동 제품이라면 소비전력 평가가 필수입니다.

듀얼밴드 Wi-Fi와 BLE 지원 자체가 긴 배터리 수명을 보장하는 것은 아닙니다. 실제 전력 소모는 무선 연결 방식, 송신 주기, 절전 모드, 센서 동작 조건 등에 따라 달라집니다.

따라서 CC3551E를 채택하기 전에는 실제 사용 시나리오에 맞춘 소비전력 측정과 원가 분석이 필요합니다.

​

8. 마무리

이번 TI CC3551E 튜토리얼은 단순한 MCU 소개를 넘어 실제 IoT 제품 개발에 필요한 여러 기술을 보여줍니다.

MCU와 Wi-Fi, BLE를 하나의 칩에 통합한 하드웨어 구조, SysConfig 기반의 편리한 주변장치 설정, 자체 웹서버 구현, AI를 이용한 코드 수정, 하드웨어 기반 보안 기능까지 확인할 수 있었습니다.

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개인적으로 가장 흥미로운 부분은 별도의 앱 없이 브라우저에서 센서 데이터를 확인하고 하드웨어를 제어하는 기능입니다.

이러한 구조는 IoT 제품의 초기 설정과 현장 유지보수에 유용하게 적용할 수 있습니다.

또한 AI 코딩 도구가 임베디드 개발환경과 결합하면서 앞으로 MCU 개발 방식에도 변화가 나타날 것으로 기대됩니다.

무선 IoT 제품을 개발하고 있다면 CC3551E와 TI의 SimpleLink 개발환경을 한 번 살펴볼 만합니다.

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참고 자료

• 영상: Tutorial: Getting Started with TI CC3551E (MCU + Wi-Fi + Bluetooth in One Chip)
• 제조사: Texas Instruments
• 개발 도구: Code Composer Studio, SimpleLink Wi-Fi SDK, SysConfig

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아두이노, ESP32, 라즈베리파이 등을 이용해 LED 조명이나 디스플레이 백라이트를 제작하다 보면 한 가지 문제가 발생합니다.

마이크로컨트롤러에서 사용하는 전원은 대부분 3.3V 또는 5V인데, 여러 개의 LED를 직렬로 연결하거나 긴 LED 필라멘트를 구동하려면 이보다 훨씬 높은 전압이 필요하다는 점입니다.

이럴 때 유용한 제품이 Adafruit TPS61169 Constant Current Boost Converter입니다.

이 모듈은 3~5V 입력 전원으로 최대 40V 범위의 LED 부하를 구동할 수 있으며, 일반적인 승압 컨버터와 달리 출력 전압이 아닌 LED 전류를 일정하게 유지한다는 특징이 있습니다.

이번 글에서는 TPS61169의 동작 원리부터 출력 전류 설정, PWM 밝기 조절, 실제 활용 방법까지 살펴보겠습니다.

​

1. TPS61169는 어떤 제품일까?

Adafruit TPS61169는 Texas Instruments의 TPS61169 칩을 기반으로 제작된 소형 LED 구동 모듈입니다.

일반적인 DC-DC 승압 컨버터는 입력 전압보다 높은 일정한 출력 전압을 만들어 냅니다.

예를 들어 5V를 입력하면 출력 전압을 12V로 유지하는 방식입니다.

​

하지만 TPS61169는 조금 다릅니다.

LED에 흐르는 전류가 일정하게 유지되도록 출력 전압을 자동으로 조절합니다.

이것이 정전압(Constant Voltage) 방식과 정전류(Constant Current) 방식의 가장 큰 차이입니다.

LED는 전류에 따라 밝기가 결정되며, 순방향 전압(Vf)은 온도와 제조 편차에 따라 달라집니다.

​

따라서 LED에 일정한 전압만 공급하면 전류가 크게 달라질 수 있고, 경우에 따라 과열이나 LED 손상으로 이어질 수 있습니다.

TPS61169는 피드백 회로를 이용하여 LED 전류를 일정하게 유지하므로 이러한 문제를 줄일 수 있습니다.

​

주요 사양

작은 크기에도 불구하고 비교적 높은 전압이 필요한 LED를 구동할 수 있어 다양한 임베디드 프로젝트에 활용할 수 있습니다.

다만 최대 출력 전압 40V와 최대 출력 전류 400mA를 동시에 사용할 수 있다는 의미는 아닙니다.

​

2. 정전류 승압 컨버터의 동작 원리

TPS61169의 핵심은 LED에 흐르는 전류를 피드백하여 출력 전압을 자동으로 조절하는 것입니다.

​

예를 들어 흰색 LED 5개를 직렬로 연결했다고 가정해 보겠습니다.

각 LED의 순방향 전압이 약 3V라면 전체 LED에 필요한 전압은 다음과 같습니다.

3V × 5개 = 15V

일반적인 5V 전원으로는 이 LED들을 직접 구동할 수 없습니다.

​

TPS61169는 내부 인덕터와 스위칭 회로를 이용해 입력 전압을 승압합니다.

그리고 LED에 흐르는 전류를 측정하여 설정값에 도달하도록 출력 전압을 조절합니다.

만약 LED의 온도 변화로 순방향 전압이 낮아진다면, 컨버터는 출력 전압을 낮춰 전류가 지나치게 증가하지 않도록 합니다.

​

반대로 LED에 필요한 전압이 높아지면 출력 전압을 증가시킵니다.

즉, 출력 전압은 LED의 특성에 따라 달라지지만 출력 전류는 설정값을 유지하는 방식입니다.

이러한 특성 때문에 여러 개의 LED를 직렬로 연결하는 백라이트나 LED 필라멘트에 특히 적합합니다.

​

3. 출력 전압과 전류의 관계

TPS61169 모듈은 최대 40V의 출력 전압과 최대 400mA의 설정 전류를 지원합니다.

그러나 실제 공급 가능한 전류는 입력 전압과 출력 전압, 변환 효율, 내부 스위치의 피크 전류 제한 등에 따라 달라집니다.

​

전력 보존 관계를 이용하면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

출력 전력 ≈ 입력 전력 × 효율

Vout × Iout ≈ Vin × Iin × η

따라서,

Iout ≈ (Vin × Iin × η) / Vout

​

여기서,

• Vin : 입력 전압
• Iin : 평균 입력 전류
• Vout : 출력 전압
• Iout : 출력 전류
• η : 변환 효율

입니다.

​

예제 1. 5V 입력으로 12V LED 구동

입력 전압 5V, 평균 입력 전류 1A, 효율 90%라고 가정하면,

Iout ≈ (5 × 1 × 0.9) / 12

Iout ≈ 375mA

즉, 이 가정에서는 약 375mA의 출력 전류를 얻을 수 있습니다.

​

예제 2. 5V 입력으로 24V LED 구동

같은 조건에서 출력 전압이 24V라면,

Iout ≈ (5 × 1 × 0.9) / 24

Iout ≈ 187.5mA

출력 전압이 높아질수록 공급할 수 있는 출력 전류가 감소한다는 것을 알 수 있습니다.

​

여기서 주의할 점이 있습니다.

TPS61169의 내부 스위치 정격인 1.2A는 평균 입력 전류가 아니라 스위칭 소자의 전류 제한과 관련된 값입니다.

따라서 1.2A를 그대로 평균 입력 전류로 대입해 최대 출력을 계산하면 실제 성능을 과대평가할 수 있습니다.

정확한 출력 가능 범위는 입력 전압, 인덕터 전류 리플, 스위칭 조건 및 데이터시트의 전류 제한 특성을 함께 고려해야 합니다.

​

4. DIP 스위치로 출력 전류 설정하기

Adafruit TPS61169 모듈의 편리한 기능 중 하나는 별도의 저항을 납땜하지 않고도 출력 전류를 설정할 수 있다는 것입니다.

기판에 장착된 4개의 DIP 스위치를 이용해 출력 전류를 변경합니다.

기본 출력 전류는 25mA이며, 각 스위치를 ON으로 변경하면 정해진 전류가 추가됩니다.

예를 들어 200mA를 설정하려면 다음과 같이 구성할 수 있습니다.

기본 25mA + 25mA + 50mA + 100mA = 200mA

따라서 스위치 1, 2, 3을 ON으로 설정하면 됩니다.

모든 스위치를 ON으로 설정하면,

25 + 25 + 50 + 100 + 200 = 400mA

가 됩니다.

이러한 전류 설정 방식은 내부 피드백(FB) 회로에 연결된 전류 감지 저항의 합성 저항을 변경하는 원리입니다.

스위치를 ON으로 설정하면 저항이 병렬로 연결되어 합성 저항이 감소하고, 이에 따라 목표 출력 전류가 증가합니다.

단, 400mA로 설정하더라도 모든 출력 전압에서 400mA를 공급할 수 있는 것은 아닙니다.

​

5. PWM으로 LED 밝기 조절하기

TPS61169는 PWM 입력을 이용한 LED 밝기 조절 기능을 지원합니다.

PWM(Pulse Width Modulation)은 디지털 신호를 빠르게 ON/OFF하면서 켜져 있는 시간의 비율을 조절하는 방식입니다.

​

예를 들어,

• 듀티비 100% : 최대 밝기
• 듀티비 75% : 높은 밝기
• 듀티비 50% : 중간 밝기
• 듀티비 25% : 낮은 밝기
• 듀티비 0% : LED OFF

와 같이 사용할 수 있습니다.

​

PWM 밝기 조절은 LED가 켜져 있는 동안의 구동 전류를 유지하면서 평균 발광 시간을 조절하므로, 전류 자체를 낮추는 방식에 비해 LED의 색 특성 변화를 줄이는 데 유리합니다.

ESP32나 아두이노의 PWM 출력 핀을 이용하면 소프트웨어로 LED 밝기를 제어할 수 있습니다.

​

예를 들어 주변 조도 센서와 연동하면 어두운 환경에서는 LED 밝기를 낮추고, 밝은 환경에서는 밝기를 높이는 자동 조명 시스템을 구현할 수 있습니다.

PWM 신호의 전압 레벨, 허용 주파수 및 입력 타이밍 조건은 실제 연결 전에 데이터시트를 확인해야 합니다.

​

6. 하드웨어 연결 방법

TPS61169 모듈은 입력 전원, LED 출력, PWM 제어를 위한 연결 단자를 제공합니다.

​

전원 입력

IN : DC 3~5V 전원 연결

GND : 전원 접지 연결

입력 전원으로는 3.3V 또는 5V 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다.

다만 LED 출력 전력이 커질수록 입력 전류도 증가하므로 충분한 전류 공급 능력을 가진 전원을 사용해야 합니다.

​

LED 출력

LED 출력의 양극(+)에는 LED 스트링의 양극을, 음극(-)에는 LED 스트링의 음극을 연결합니다.

컨버터는 설정된 전류를 유지하기 위해 필요한 전압까지 출력을 승압합니다.

LED를 직렬로 연결하면 모든 LED에 동일한 전류가 흐르기 때문에 균일한 밝기를 구현하기 쉽습니다.

반면 LED를 병렬로 연결하면 각 분기에 흐르는 전류가 균등하지 않을 수 있습니다. 따라서 병렬 연결 시에는 별도의 전류 균형 설계를 고려해야 합니다.

​

PWM 입력

PWM 핀에 마이크로컨트롤러의 PWM 신호를 연결하면 LED 밝기를 조절할 수 있습니다.

마이크로컨트롤러와 모듈은 공통 접지를 사용해야 합니다.

​

7. 보호 기능과 주의사항

LED 구동 회로에서는 LED가 분리되거나 출력 단자가 단락되는 상황을 고려해야 합니다.

TPS61169에는 이러한 이상 상태에 대응하기 위한 보호 기능이 포함되어 있습니다.

​

과전압 보호(OVP)

LED가 연결되지 않은 상태에서는 정전류 제어 회로가 목표 전류를 공급하기 위해 출력 전압을 계속 높이려고 할 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 TPS61169는 과전압 보호 기능을 제공합니다.

출력 전압이 보호 임계값에 도달하면 스위칭 동작을 제한하거나 중지하여 회로를 보호합니다.

​

출력 단락 보호

출력 단락과 같은 비정상적인 조건에서는 내부 전류 제한과 보호 동작이 회로 손상을 줄이는 역할을 합니다.

다만 고장 상태에 따른 실제 보호 동작과 복귀 방식은 데이터시트에서 확인해야 합니다.

​

복구 방법

보호 동작 이후 정상 출력이 복구되지 않는 경우에는 먼저 전원을 차단하고 LED 배선 및 부하 상태를 확인해야 합니다.

이상이 해결된 다음 입력 전원을 다시 인가하여 정상 동작 여부를 확인할 수 있습니다.

출력 전압이 최대 40V까지 상승할 수 있으므로 전원이 켜진 상태에서 LED 배선을 변경하거나 출력 단자를 직접 접촉하는 행동은 피하는 것이 좋습니다.

​

8. 실제 활용 사례

① 유연한 LED 필라멘트 구동

Adafruit의 nOOds와 같은 유연한 LED 필라멘트는 여러 개의 미세 LED가 직렬로 구성된 형태입니다.

이러한 제품은 일반적인 3.3V나 5V 전원보다 높은 구동 전압을 요구할 수 있습니다.

TPS61169를 사용하면 낮은 입력 전압으로도 필요한 전압을 생성하고, 설정된 전류로 LED 필라멘트를 구동할 수 있습니다.

웨어러블 장치, 장식 조명, 인터랙티브 아트 프로젝트 등에 활용할 수 있습니다.

​

② LCD 백라이트 구동

LCD 백라이트에는 여러 개의 흰색 LED를 직렬로 연결하는 구성이 사용됩니다.

예를 들어 순방향 전압이 약 3V인 LED 7개를 직렬로 연결하면 약 21V가 필요합니다.

TPS61169를 사용하면 3.3V 또는 5V 입력 전원에서 이러한 LED 스트링을 구동할 수 있습니다.

특히 정전류 방식은 LED 밝기를 균일하게 유지하는 데 유리합니다.

​

③ 센서 기반 자동 조명

ESP32와 조도 센서를 결합하면 주변 밝기에 따라 LED 출력을 자동으로 조절하는 시스템을 만들 수 있습니다.

예를 들어 조도 센서가 주변 환경을 측정하고 ESP32가 PWM 신호를 생성하여 TPS61169의 밝기를 제어하는 방식입니다.

이를 통해 소형 스마트 조명이나 상태 표시 장치 등을 구현할 수 있습니다.

​

9. 전용 보호 케이스도 제공

Adafruit에서는 TPS61169 모듈을 위한 별도의 스냅온 케이스도 제공합니다.

제품 ID는 6402입니다.

이 케이스는 회로기판을 외부 충격이나 우발적인 접촉으로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.

특히 출력 전압이 높아질 수 있는 승압 컨버터에서는 출력 단자의 절연과 배선 고정에 주의할 필요가 있습니다.

다만 케이스를 사용하더라도 방수 또는 완전한 전기적 절연 성능이 자동으로 보장되는 것은 아닙니다.

​

10. 정리: TPS61169의 장점은?

Adafruit TPS61169는 작은 크기와 간단한 연결 방식으로 고전압 LED를 구동할 수 있는 정전류 승압 모듈입니다.

​

특히 다음과 같은 장점이 있습니다.

첫째, 3~5V 전원으로 높은 순방향 전압이 필요한 LED를 구동할 수 있습니다.

둘째, 정전류 제어를 통해 LED 전류를 안정적으로 유지할 수 있습니다.

셋째, DIP 스위치로 25~400mA 범위의 출력 전류를 간편하게 설정할 수 있습니다.

넷째, PWM 입력을 이용하여 마이크로컨트롤러에서 LED 밝기를 제어할 수 있습니다.

​

다만 높은 출력 전압과 높은 출력 전류를 동시에 얻을 수 있는 것은 아니므로, LED의 순방향 전압과 필요한 전류를 기준으로 실제 구동 가능 여부를 검토해야 합니다.

또한 이 모듈은 정전류 LED 구동용이므로 일반적인 12V 또는 24V 정전압 전원 공급 장치를 대체하는 용도로 사용해서는 안 됩니다.

​

소형 LED 조명, LCD 백라이트, 유연한 LED 필라멘트 또는 마이크로컨트롤러 기반 조명 프로젝트를 제작한다면 검토해 볼 만한 모듈입니다.

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ESP32-S31의 주요 사양과 Linux 지원, 그리고 임베디드 시스템의 미래

ESP32는 저렴한 가격과 Wi-Fi, Bluetooth 기능 덕분에 IoT 기기 개발에 널리 사용되는 마이크로컨트롤러(MCU)입니다.

센서 데이터를 수집하거나 모터를 제어하고, 무선 네트워크를 통해 서버에 데이터를 전송하는 등 다양한 용도로 활용되고 있습니다.

​

그런데 최근 Espressif에서 공개한 ESP32-S31은 기존 ESP32와 상당히 다른 방향으로 발전하고 있습니다.

단순한 마이크로컨트롤러를 넘어 Linux 운영체제를 실행할 수 있는 하드웨어 구조를 갖추었기 때문입니다.

여기에 듀얼코어 RISC-V 프로세서, 기가비트 Ethernet, USB 호스트, Wi-Fi 6, 최대 64MB 외부 메모리 지원까지 더해졌습니다.

그렇다면 ESP32-S31은 정말 Raspberry Pi를 대체할 수 있을까요?

이번 글에서는 ESP32-S31의 주요 특징과 기술적 의미를 살펴보겠습니다.

​

1. ESP32-S31은 무엇이 달라졌을까?

기존 ESP32는 마이크로컨트롤러에 무선 통신 기능을 통합한 칩으로, 주로 FreeRTOS나 자체 펌웨어를 실행하는 데 사용되었습니다.

반면 ESP32-S31은 보다 복잡한 운영체제와 다양한 주변장치를 지원하도록 설계되었습니다.

주요 사양을 정리하면 다음과 같습니다.

특히 주목할 부분은 CPU 성능 자체보다 메모리 관리 구조와 주변장치 인터페이스의 변화입니다.

기존 ESP32가 주로 단일 목적의 임베디드 장치를 위한 칩이었다면, ESP32-S31은 여러 프로그램과 복잡한 소프트웨어를 실행하는 범용 컴퓨팅 플랫폼에 한 걸음 더 가까워졌습니다.

​

2. 가장 중요한 변화: Linux를 실행할 수 있는 MMU

ESP32-S31에서 가장 흥미로운 기술적 변화는 MMU(Memory Management Unit)의 도입입니다.

MMU는 CPU가 사용하는 가상 메모리 주소를 실제 물리 메모리 주소로 변환하는 하드웨어입니다.

기존 ESP32에도 MMU라는 이름의 기능이 있었지만, 주로 외부 Flash나 PSRAM을 CPU 주소 공간에 연결하는 용도였습니다.

​

반면 ESP32-S31은 RISC-V의 Sv32 가상 메모리 시스템을 지원합니다.

Sv32는 32비트 RISC-V 시스템에서 사용하는 페이지 기반 가상 메모리 관리 방식입니다.

이 기능이 중요한 이유는 다음과 같습니다.

• 프로그램마다 독립적인 가상 주소 공간을 구성할 수 있습니다.
• 사용자 프로그램과 운영체제 커널의 메모리 접근을 분리할 수 있습니다.
• Linux가 요구하는 메모리 보호 및 주소 변환 기능을 하드웨어에서 지원할 수 있습니다.
• 여러 프로세스를 실행하는 범용 운영체제 구조를 구현하기 쉬워집니다.

​

또한 ESP32-S31은 RISC-V의 Machine, Supervisor, User 권한 모드를 지원합니다.

일반적인 Linux 커널은 Supervisor 모드에서 실행되고, 사용자 프로그램은 User 모드에서 실행됩니다.

이러한 구조는 기존의 단순한 MCU 펌웨어와는 상당히 다른 실행 환경을 제공합니다.

물론 MMU가 있다고 해서 자동으로 Linux를 실행할 수 있는 것은 아닙니다. CPU 아키텍처, 인터럽트 처리, 메모리 용량, 부트로더, 디바이스 드라이버 등 여러 조건이 충족되어야 합니다.

ESP32-S31은 이러한 조건을 만족시키기 위한 하드웨어 기반을 갖추었다는 점에서 의미가 있습니다.

​

3. 실제로 Linux가 실행될까?

놀랍게도 ESP32-S31을 위한 Linux 개발 환경이 이미 공개되어 있습니다.

Espressif는 Linux BSP(Board Support Package)를 제공하고 있으며, 이를 통해 개발자가 보드에 맞는 Linux 시스템을 구성할 수 있습니다.

BSP는 특정 하드웨어에서 운영체제를 실행하기 위해 필요한 부트로더, 커널 설정, 디바이스 트리, 드라이버 등을 포함하는 소프트웨어 패키지입니다.

​

공개된 개발 환경은 주로 다음과 같은 구성요소를 사용합니다.

U-Boot

임베디드 시스템에서 널리 사용되는 부트로더로, Linux 커널을 실행하기 위한 초기화 작업을 수행합니다.

​

Buildroot

임베디드 Linux 시스템을 구성하는 도구입니다. 필요한 라이브러리와 프로그램만 선택하여 비교적 작은 루트 파일 시스템을 만들 수 있습니다.

​

Linux Kernel

하드웨어 자원을 관리하고 사용자 프로그램에 실행 환경을 제공하는 운영체제의 핵심입니다.

​

커뮤니티에서도 ESP32-S31용 Linux 포팅 작업이 진행되고 있습니다.

다만 현재 Linux 지원은 실험적 단계로 보는 것이 적절합니다. 일반적인 PC나 Raspberry Pi처럼 운영체제를 설치하고 다양한 프로그램을 바로 실행할 수 있는 수준과는 차이가 있습니다.

​

4. 메모리 16~64MB로 Linux를 실행할 수 있을까?

일반적인 Raspberry Pi는 수백 MB에서 수 GB의 RAM을 사용합니다.

반면 ESP32-S31은 내부 SRAM이 512KB이며, 외부 PSRAM은 최대 64MB까지 지원합니다.

Linux를 실행하기에는 상당히 작은 메모리입니다.

​

그렇다면 어떻게 Linux가 동작할 수 있을까요?

핵심은 불필요한 기능을 제거한 경량 Linux 시스템과 XIP(Execute In Place) 기술입니다.

XIP는 실행 코드를 RAM에 모두 복사하지 않고 Flash 메모리에서 직접 실행하는 방식입니다.

일반적인 Linux 시스템에서는 커널과 여러 프로그램이 RAM을 사용하지만, 메모리가 제한된 임베디드 환경에서는 이러한 구조가 부담이 됩니다.

Flash에서 실행할 수 있는 코드를 최대한 활용하면 제한된 RAM을 데이터 처리와 프로그램 실행에 더 많이 사용할 수 있습니다.

다만 XIP는 저장장치의 특성, 커널 구성, 메모리 접근 속도에 따라 제약이 발생할 수 있습니다.

ESP32-S31에서 Linux를 실행한다는 것은 일반적인 데스크톱 Linux를 사용하는 것과는 다릅니다.

현재로서는 터미널 기반 프로그램이나 간단한 네트워크 서비스, 특정 목적의 임베디드 애플리케이션이 더 현실적인 활용 대상입니다.

​

5. Gigabit Ethernet과 USB 호스트 지원

ESP32-S31은 주변장치 인터페이스에서도 큰 변화를 보여줍니다.

대표적인 기능은 Gigabit Ethernet입니다.

​

기존 ESP32-P4가 100Mbps Ethernet을 지원하는 것과 비교하면, ESP32-S31은 최대 1Gbps의 Ethernet MAC을 갖추고 있습니다.

다만 칩 내부에 Ethernet PHY가 통합되어 있는 것은 아니므로, 실제 유선 네트워크를 사용하려면 RGMII 인터페이스를 통해 외부 PHY를 연결해야 합니다.

​

또한 USB 2.0 High-Speed OTG를 지원하여 USB 주변장치를 연결할 수 있습니다.

예를 들어 다음과 같은 장치 구성이 가능합니다.

• USB 키보드와 마우스를 연결하는 개발 환경
• Ethernet을 이용한 소형 네트워크 장치
• LCD를 이용한 사용자 인터페이스
• SD 카드 기반 데이터 로깅 시스템
• 카메라와 센서를 연결한 데이터 수집 장치

이처럼 다양한 인터페이스를 갖추었다는 것은 단순한 센서 노드를 넘어 소형 임베디드 컴퓨터로 활용할 가능성이 커졌다는 의미입니다.

​

6. Wi-Fi 6와 Bluetooth 5.4까지 지원

ESP32의 가장 큰 장점 중 하나는 무선 통신 기능을 칩에 통합했다는 점입니다.

ESP32-S31 역시 이러한 특징을 유지하고 있습니다.

2.4GHz Wi-Fi 6, Bluetooth 5.4, IEEE 802.15.4 기반 무선 통신을 지원합니다.

IEEE 802.15.4는 Thread와 Zigbee 같은 저전력 무선 네트워크의 기반이 되는 기술입니다.

특히 여러 센서와 스마트홈 장치를 연결하는 IoT 환경에서 활용도가 높습니다.

Linux를 실행할 수 있는 CPU 구조와 다양한 무선 통신 기능이 결합되면, 향후 스마트홈 허브나 산업용 IoT 게이트웨이와 같은 장치에도 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

​

7. ESP32-S31과 Raspberry Pi는 경쟁 관계일까?

ESP32-S31의 발전 방향은 Raspberry Pi와 같은 SBC(Single Board Computer)를 떠올리게 합니다.

​

하지만 두 플랫폼은 아직 분명한 차이가 있습니다.

ESP32-S31은 Raspberry Pi와 같은 수준의 데스크톱 환경을 제공하기에는 메모리와 그래픽 성능이 부족합니다.

하지만 모든 임베디드 장치에 고성능 CPU와 대용량 RAM이 필요한 것은 아닙니다.

예를 들어 센서 데이터를 수집하고, 간단한 웹 서버를 실행하며, 네트워크를 통해 데이터를 전달하는 장치라면 작은 Linux 시스템으로도 충분할 수 있습니다.

따라서 ESP32-S31은 Raspberry Pi의 직접적인 대체품이라기보다 MCU와 SBC 사이에 새로운 선택지를 제공하는 칩으로 이해하는 것이 적절합니다.

​

8. 그렇다면 기존 ESP32와 FreeRTOS는 사라질까?

그렇지는 않을 것으로 생각합니다.

Linux는 풍부한 소프트웨어 생태계와 프로세스 관리 기능을 제공하지만, 그만큼 많은 시스템 자원을 사용합니다.

반면 FreeRTOS와 같은 실시간 운영체제는 비교적 적은 메모리로 동작하며, 정해진 시간 내에 특정 작업을 수행하도록 시스템을 구성하기에 유리합니다.

​

예를 들어 배터리로 구동되는 토양수분 센서가 두 시간마다 깨어나 측정한 데이터를 서버로 전송하고 다시 Deep Sleep 상태에 들어가는 경우를 생각해 보겠습니다.

이러한 장치에는 Linux보다 기존 ESP32와 경량 펌웨어가 더 적합할 수 있습니다.

반면 여러 센서 장치에서 데이터를 수집하고, 로컬 웹 인터페이스를 제공하며, 네트워크 서비스를 동시에 실행하는 게이트웨이라면 Linux를 사용할 이유가 충분합니다.

​

결국 중요한 것은 운영체제의 종류가 아니라 시스템이 수행해야 할 작업과 전력, 비용, 실시간성 등의 요구조건입니다.

​

9. ESP32-S31의 실제 활용 가능성

ESP32-S31이 안정적인 Linux 지원과 개발 환경을 확보한다면 다음과 같은 분야에서 흥미로운 활용이 가능할 것으로 생각합니다.

​

산업용 IoT 게이트웨이

여러 센서에서 수집한 데이터를 로컬에서 처리하고 Ethernet이나 Wi-Fi를 통해 서버로 전송하는 장치입니다.

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스마트홈 허브

Wi-Fi, Bluetooth, Thread, Zigbee 기반 기기를 하나의 시스템에서 관리하는 소형 허브입니다.

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휴대형 계측 장치

센서, LCD, 저장장치 등을 연결하고 데이터를 측정하거나 기록하는 소형 계측 시스템입니다.

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교육 및 임베디드 Linux 개발

저렴하고 작은 하드웨어에서 RISC-V 아키텍처와 Linux의 동작 구조를 학습하는 플랫폼으로 활용할 수 있습니다.

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경량 Edge Computing

단순한 필터링, 신호 처리, 데이터 집계 등을 장치 내부에서 수행하고 필요한 정보만 클라우드로 전송하는 방식입니다.

다만 GPU와 NPU가 없으므로 고성능 영상 처리나 복잡한 AI 추론에는 한계가 있습니다.

​

10. 마치며: MCU와 SBC의 경계가 점점 흐려지고 있다

ESP32-S31에서 가장 주목할 부분은 단순히 CPU가 빨라졌거나 새로운 통신 인터페이스가 추가되었다는 사실이 아닙니다.

저렴하고 작은 마이크로컨트롤러가 기존에는 범용 컴퓨터에서 주로 사용하던 메모리 관리와 운영체제 구조를 지원하기 시작했다는 점입니다.

​

물론 ESP32-S31이 당장 Raspberry Pi를 대체할 수 있는 것은 아닙니다.

메모리 용량이 제한적이고, 그래픽 기능이 부족하며, Linux 지원도 아직 초기 단계입니다.

하지만 센서 제어와 무선 통신을 담당하던 MCU가 Linux 기반의 네트워크 서비스까지 처리할 수 있게 된다면 임베디드 시스템 설계에 새로운 가능성이 열릴 것입니다.

개인적으로는 이러한 변화가 향후 IoT 장치의 구조를 어떻게 바꾸어 놓을지 기대됩니다.

지금까지는 센서 노드와 게이트웨이, 서버의 역할을 서로 다른 하드웨어에 분리하는 경우가 많았습니다.

​

앞으로는 일부 역할을 하나의 저렴한 칩에 통합할 수 있는 사례가 늘어날지도 모릅니다.

ESP32-S31은 Raspberry Pi의 대체품이라기보다, 마이크로컨트롤러가 어디까지 발전할 수 있는지를 보여주는 흥미로운 사례라고 생각합니다.

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■ 1. GP8403은 어떤 보드인가요?

Adafruit GP8403 브레이크아웃 보드는 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신으로 받은 디지털 명령을 2채널 아날로그 전압으로 정밀하게 바꿔 주는 DAC(Digital-to-Analog Converter, 디지털-아날로그 변환기)입니다.

​

일반적인 DAC 모듈은 한계가 분명합니다. 최대 출력 전압이 입력 전원 전압인 3.3V나 5V를 넘을 수 없습니다.

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GP8403은 DAC 칩과 함께 DC/DC(Direct Current to Direct Current, 직류-직류) 부스트 컨버터를 보드에 내장해서 이 한계를 넘었습니다. 그래서 일반적인 마이크로컨트롤러 전원만으로도 다음 두 가지를 할 수 있습니다.

​

✔ 최대 0~10V 범위의 아날로그 출력

✔ 외부 회로에 공급할 수 있는 12V / 최대 100mA 보조 전원 출력

​

그래서 저전압 개발 보드를 산업용 장비, OP 앰프(Operational Amplifier, 연산 증폭기), 오디오 처리 장비, 넓은 전압 범위의 계측기와 연결해 주는 다리 역할을 합니다.

​

▶ 일반 DAC(MCP4725 / MCP4728 등)와 GP8403 비교

[최대 아날로그 출력 전압]

• 일반 DAC: 입력 로직/전원 전압인 3.3V 또는 5V로 제한됩니다.
• GP8403: 최대 0~10V까지 출력할 수 있습니다. 0~5V 범위는 소프트웨어로 선택합니다.

​

[전원 생성 기능]

• 일반 DAC: 전원 생성 기능이 없어 외부 전원 레일에 전적으로 의존합니다.
• GP8403: DC/DC 부스트 컨버터가 내장되어 12V를 최대 100mA까지 출력합니다.

​

[주요 활용 분야]

• 일반 DAC: 저전압 센서 에뮬레이션, 기본 3.3V/5V 제어 신호
• GP8403: 산업용 0~10V 액추에이터, OP 앰프 바이어스, 고전압 오디오 제어

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■ 2. 기술 사양과 실제 성능

안정적인 제어 루프와 임베디드 시스템을 설계하려면 칩 사양이 실제 동작에서 어떤 의미인지 알아 둬야 합니다.

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▶ 분해능과 입력

• 표준 I2C 인터페이스로 12비트 디지털 값을 입력받습니다. 2의 12제곱인 4096단계로, 0x000부터 0xFFF까지입니다.
• 0~10V 모드: 1 LSB(Least Significant Bit, 최하위 비트) = 10V ÷ 4095 ≈ 약 2.44mV / 단계
• 0~5V 모드: 1 LSB = 5V ÷ 4095 ≈ 약 1.22mV / 단계
• → 0~5V 모드에서는 더 세밀하게 전압을 조정할 수 있습니다.

​

▶ 아날로그 출력 범위

• 서로 독립된 2개 채널이 있습니다.
• 각 채널은 내부 제어 레지스터로 0~5V 또는 0~10V 출력을 설정합니다.

​

▶ 내장 전원

• 온보드 DC/DC 부스트 컨버터가 DAC 출력 드라이버에 전원을 공급합니다.
• 외부 센서나 신호 처리 회로용으로 최대 100mA까지 쓸 수 있는 12V 보조 출력 단자도 제공합니다.

​

▶ 정밀도

• 출력 전압 오차는 일반적으로 0.2%입니다.
• 선형성 오차는 일반적으로 0.1%입니다.
• → 10V 풀스케일 출력에서 0.2% 오차는 약 ±20mV입니다. 정상 상태 바이어스 설정, 산업용 제어 루프, 액추에이터 위치 제어에는 충분한 정확도입니다. 다만 고정밀 과학 계측용이라면 소프트웨어 보정을 추가하는 것이 좋습니다.

​

▶ 시간 특성과 동작 환경

• 콜드 스타트 기동 시간은 2ms 미만입니다.
• 동작 온도 범위는 산업용 수준인 -40℃ ~ 85℃입니다.

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▶ 보호 기능과 물리 사양

• GND(Ground, 접지) 단락 보호 기능이 내장되어 있습니다.
• 크기: 25.5mm x 22.8mm x 12.0mm (1.0" x 0.9" x 0.5")
• 무게: 3.6g (0.1oz)
• 마운팅 홀 4개
• → 벤치 테스트, 핫플러그, 현장 설치 중에 출력 핀이 실수로 GND와 단락될 수 있습니다. 이때 칩이 과전류 상태를 감지해 보호 모드로 들어가고 출력 드라이버를 멈춥니다. 덕분에 칩 손상이나 회로 파손을 막을 수 있습니다.

​

⚠ 꼭 알아 둘 점

DAC 출력단에는 칩 제조사 권장대로 10µF 필터 커패시터가 달려 있습니다. 이 커패시터는 고주파 노이즈를 억제하고 출력을 안정적으로 유지해 줍니다. 하지만 RC(Resistor-Capacitor, 저항-커패시터) 시정수 때문에 신호의 슬루율(변화 속도)이 제한됩니다.

그래서 GP8403은 DC 바이어스 설정, 기준 전압 생성, 느린 동적 제어에 적합합니다. 빠른 사인파나 오디오 합성 같은 고주파 AC(Alternating Current, 교류) 파형을 만드는 용도로는 맞지 않습니다.

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■ 3. 핀 배치와 하드웨어 연결

GP8403은 프로토타이핑부터 양산 환경까지 대응할 수 있도록 세 가지 연결 방식을 제공합니다.

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▶ STEMMA QT / Qwiic 커넥터

• 보드 좌우에 JST(Japan Solderless Terminal) SH 4핀 STEMMA QT 커넥터가 하나씩 있습니다.
• 납땜 없이 I2C로 연결할 수 있습니다.
• 표준 케이블로 호환 보드끼리 쉽게 데이지 체인 연결할 수 있습니다.

​

▶ 4핀 터미널 블록 (2.5mm, 납땜 완료)

• 튼튼한 2.5mm 피치 나사식 터미널 블록이 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄 회로 기판)에 미리 납땜되어 있습니다.
• 다음 네 단자에 전선을 직접 단단히 고정할 수 있습니다.
• 출력 채널 0(OUT0)
• 출력 채널 1(OUT1)
• 승압된 12V 전원 출력
• GND

​

▶ 6핀 헤더 영역 (0.1" 표준 헤더 동봉)

• 0.1" 피치 브레드보드용 헤더가 납땜되지 않은 상태로 함께 들어 있습니다.
• 6핀 패드 열에 헤더를 납땜하면 브레드보드나 만능기판에 꽂아 쓸 수 있습니다.

​

▶ 로직 레벨과 I2C 버스 관련 참고 사항

보드의 I2C 로직은 입력 하이 레벨 전압 2.7V ~ 5.5V의 넓은 범위에서 동작합니다. 또 I2C 로직부가 승압된 아날로그 출력 드라이버와 분리되어 있습니다. 그래서 다음 보드들을 레벨 시프터 없이 I2C 버스에 바로 연결할 수 있습니다.

• 3.3V 마이크로컨트롤러: 라즈베리 파이, Pico RP2040, ESP32 등
• 5V 보드: 아두이노 UNO 등

​

💡 데이지 체인 연결 팁

STEMMA QT 보드에는 SCL/SDA 라인에 풀업 저항이 기본으로 달려 있습니다. 한 I2C 버스에 여러 보드를 연결하면 이 풀업 저항들이 병렬로 연결되어 전체 버스 저항이 낮아집니다. 호스트 마이크로컨트롤러의 I2C 드라이버가 늘어난 풀업 전류를 충분히 감당할 수 있는지 꼭 확인하세요.

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■ 4. 여러 보드 연결과 I2C 주소 설정

아날로그 채널이 2개보다 더 필요하다면 하드웨어 주소 점퍼를 바꿔 보세요. 여러 GP8403 보드를 같은 I2C 버스에 신호 충돌 없이 연결할 수 있습니다.

​

▶ 설정 방법

① PCB를 뒤집어 A0, A1, A2라고 표시된 주소 선택용 솔더 점퍼 3개를 찾습니다.

② 솔더 브리지를 연결해서 보드마다 서로 다른 3비트 주소 조합을 지정합니다.

③ STEMMA QT 케이블이나 브레드보드 배선으로 I2C 버스를 데이지 체인 연결합니다.

④ 호스트 소프트웨어에서 각 보드의 점퍼 상태에 맞는 주소로 인스턴스를 초기화합니다.

A0, A1, A2 점퍼 조합으로 한 I2C 버스에 GP8403 보드를 최대 8개까지 함께 연결할 수 있습니다. 그러면 정밀 아날로그 출력 채널을 최대 16개까지 독립적으로 쓸 수 있습니다.

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■ 5. NVM(Non-Volatile Memory, 비휘발성 메모리)과 부팅 시 기본 전압 설정

GP8403에는 NVM이 내장되어 있어 원하는 기본 출력 전압을 내부 레지스터에 영구 저장할 수 있습니다. 이후 전원을 켜거나 리셋하면 DAC가 NVM에서 이 값을 자동으로 불러옵니다. 호스트 컨트롤러의 명령을 기다리지 않고 설정된 전압을 바로 출력합니다.

​

⚠ 플랫폼 주의 사항

NVM에 기본값을 쓸 때는 일반적인 I2C 레지스터 쓰기를 사용하지 않습니다. 대신 SCL/SDA 라인으로 제조사 고유의 비트뱅잉 펄스 시퀀스를 보내야 합니다.

​

▶ 구조적인 배경

• 아두이노 UNO의 ATmega328 같은 베어메탈 마이크로컨트롤러에서는 펌웨어가 GPIO(General-Purpose Input/Output, 범용 입출력) 방향 레지스터를 직접 제어할 수 있습니다. 그래서 I2C 하드웨어를 우회해 이 시퀀스를 비트뱅잉으로 보낼 수 있습니다.
• 운영체제가 돌아가는 플랫폼(라즈베리 파이의 리눅스 등)에서는 사정이 다릅니다. 전용 하드웨어 I2C 주변장치를 쓰는 고급 RTOS(Real-Time Operating System, 실시간 운영체제) 마이크로컨트롤러도 마찬가지입니다. 운영체제 커널이나 하드웨어 잠금 때문에 사용자 코드가 SCL/SDA 핀을 직접 제어해 비트뱅잉할 수 없습니다.
• → NVM 쓰기를 시도하기 전에 사용하는 플랫폼이 저수준 GPIO 직접 제어나 소프트웨어 비트뱅잉 I2C 드라이버를 지원하는지 먼저 확인하세요.

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■ 6. 소프트웨어 연동과 라이브러리

Adafruit는 빠르게 적용할 수 있도록 실사용 수준의 라이브러리와 예제 코드를 제공합니다.

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▶ 아두이노

• 공식 Adafruit GP8403 라이브러리를 지원합니다.
• 다음 기능을 함수로 간단히 호출할 수 있습니다.
• 출력 범위 선택
• 12비트 원시 값 쓰기
• 전압 변환
• 예제는 8비트 AVR 마이크로컨트롤러는 물론 최신 32비트 플랫폼(ARM, ESP32, RP2040)과도 호환됩니다.

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▶ Python / CircuitPython

• 전용 Adafruit CircuitPython 드라이버를 지원합니다.
• 리눅스가 돌아가는 라즈베리 파이 같은 싱글보드 컴퓨터와 CircuitPython을 실행하는 마이크로컨트롤러 양쪽에서 사용할 수 있습니다.

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■ 마무리

GP8403은 내장 부스트 컨버터라는 하드웨어 강점과 잘 정리된 소프트웨어 라이브러리를 함께 갖추고 있습니다. 그래서 마이크로컨트롤러로 넓은 전압 범위의 시스템을 손쉽게 제어할 수 있습니다.

​

보드를 연결하고 플랫폼에 맞는 드라이버만 불러오면 바로 12비트 정밀도로 고전압 아날로그 채널을 구동할 수 있습니다. 산업용 0~10V 장비를 마이크로컨트롤러로 다뤄 보고 싶은 분들께 추천합니다! 😊

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식물의 토양 수분과 주변 환경을 측정하는 IoT 센서의 KC 전자파 적합등록을 최근 완료했습니다.

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그동안 하드웨어 설계, PCB 제작, 펌웨어 개발, Android 앱과 클라우드 서버 구축까지 직접 진행해 왔습니다. 하지만 직접 개발한 제품을 국내에서 정식으로 판매하기 위해서는 반드시 넘어야 하는 관문이 바로 KC 인증입니다.

실제로 진행해 보니 시험기관 선정부터 기존 무선통신 모듈의 인증자료 확보, 시험 및 행정 절차까지 준비해야 할 일이 적지 않았습니다.

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특히 ESP32 모듈의 기존 인증을 활용하기 위해 제조사인 Espressif에 직접 이메일을 보내 시험성적서를 요청했던 경험이 기억에 남습니다.

이번 글에서는 그 과정을 공유하고자 합니다.

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1. 필요한 KC 인증은?

제가 제작한 IoT기기는 다음과 같은 기능을 갖춘 IoT 제품입니다.

​

• ESP32-WROOM-32E 기반 Wi-Fi 및 Bluetooth 통신
• 정전용량 방식의 토양 수분 측정
• 온도, 습도 및 조도 측정
• AA 배터리 4개로 작동
• Android 앱 및 클라우드 서버 연동

​

무선통신 기능을 사용하기 때문에 전파법에 따른 적합성평가가 필요합니다.

KC 인증이라고 하면 하나의 인증만 생각하기 쉽지만, 실제로는 제품의 종류와 기능에 따라 전파법상 적합성평가, 전기용품 안전인증 등 서로 다른 제도가 적용됩니다.

따라서 가장 먼저 확인해야 할 것은 내 제품이 어떤 시험과 인증의 대상인지 파악하는 일입니다.

​

2. KC 인증 시험기관 선정 — KTC, KTL, KTR

국내에는 전자파 적합성평가 시험을 수행할 수 있는 여러 기관이 있습니다.

제가 검토한 대표적인 기관은 다음 세 곳입니다.

​

① KTC — 한국기계전기전자시험연구원

https://www.ktc.re.kr

전기전자 제품의 시험과 인증을 전문적으로 수행하는 기관으로, 전자파 적합성평가 시험을 비롯해 다양한 제품 시험을 지원합니다.

​

② KTL — 한국산업기술시험원

https://www.ktl.re.kr

전자파 적합등록 및 적합인증 관련 시험을 수행하는 기관입니다. 전기전자 및 산업용 기기의 시험과 평가 경험이 풍부합니다.

​

③ KTR — 한국화학융합시험연구원

https://www.ktr.or.kr

국립전파연구원이 지정한 시험기관으로, 전자파 및 무선통신 관련 시험을 비롯해 다양한 국내외 인증 시험을 지원합니다.

​

세 기관 모두 검토할 만한 곳이지만, 실제 시험 가능 범위와 비용, 일정은 제품별로 확인해야 합니다.

저는 최종적으로 KTC를 선택하여 시험 진행과 관련한 상담을 거쳐 전자파 적합성평가 시험을 의뢰했습니다.

소규모 개발자에게는 시험 비용뿐 아니라 기존 무선 모듈의 인증자료를 어떻게 활용할 수 있는지도 중요한 사항이었습니다.

​

이번 시험 견적은 대략 240만원(부가세 별도)정도 였습니다.

개인 개발자에게는 상당한 비용이지만, 제품을 정식 판매하기 위해 필요한 투자입니다.

​

3. ESP32 모듈의 기존 인증을 활용할 수 있을까?

제 IoT 모듈의 경우에는 Espressif의 ESP32-WROOM-32E 무선통신 모듈을 사용했습니다.

다행히 ESP32 모듈은 이미 국내 전파 인증을 받은 제품입니다.

​

기존 인증을 받은 모듈을 사용하면 완제품의 인증 절차도 간단하게 끝날 것으로 생각할 수 있지만, 실제로는 기존 모듈의 인증이 완제품에 자동으로 적용되는 것은 아닙니다.

완제품의 회로와 전원 구성, 안테나 및 무선통신 구성 등에 따라 추가 평가가 필요할 수 있습니다. 다만 시험기관이 인정하는 조건에 해당한다면 기존 무선 모듈의 시험 자료를 활용하여 일부 시험을 생략하거나 절차를 간소화할 수 있습니다.

​

이를 흔히 기존 모듈 인증의 활용 또는 인증 승계라고 부르기도 합니다.

여기서 중요한 점은 기존 모듈의 인증서뿐 아니라 시험성적서도 필요할 수 있다는 것입니다.

​

4. ESP32 인증서는 검색할 수 있지만, 시험성적서는?

ESP32 모듈의 국내 전파 인증 정보는 인터넷에서 비교적 쉽게 확인할 수 있습니다.

국립전파연구원의 적합성평가 관련 검색 서비스를 이용하거나 Espressif에서 제공하는 인증자료를 찾아보면 됩니다.

Espressif 공식 인증자료 페이지:

https://www.espressif.com/en/support/documents/certificates

​

그런데 문제가 하나 있습니다.

인증 등록 정보와 시험성적서는 서로 다른 문서라는 점입니다.

​

인증서나 적합성평가 등록 정보는 해당 모듈이 인증을 받았다는 사실을 확인하는 자료입니다.

반면 시험성적서(Test Report)는 실제 시험 조건, 측정 결과, 시험 규격 등이 포함된 기술 문서입니다.

제가 진행하는 절차에서는 기존 인증을 활용하기 위한 시험성적서가 필요했습니다.

이 문서는 일반적인 인터넷 검색만으로는 확보하기 어렵습니다. (ESP입장에서는 회사의 비밀이므로 공개하지 않기 때문입니다.)

그래서 ESP32의 제조사인 Espressif Systems에 직접 연락해서 확보해야합니다.

​

5. Espressif에 직접 시험성적서 요청하기

처음에는 해외 반도체 제조사가 개인 개발자의 요청에 응답해 줄지 걱정이 되었습니다.

Espressif 측에 현재 개발 중인 제품과 사용 중인 ESP32 모듈을 설명하고, 한국의 KC 인증을 위해 기존 시험성적서가 필요하다는 내용으로 이메일을 보냈습니다.

​

다음은 비슷한 상황에서 활용할 수 있는 이메일 예시입니다.

Subject: Request for KC Certification Test Report — ESP32-WROOM-32E

Dear Espressif Support Team,

I am developing an IoT product called ***, which uses the ESP32-WROOM-32E Wi-Fi/Bluetooth module.

I am currently preparing for KC certification of the final product in South Korea.

Our testing laboratory has requested the original RF test report associated with the Korean certification of the ESP32-WROOM-32E module, so that the existing certification data can be considered during the conformity assessment process.

Could you please provide the relevant KC certification test report or advise me on the procedure to obtain it?

I would be happy to sign a Non-Disclosure Agreement (NDA) if required.

Thank you very much for your assistance.

Best regards,

[신청인 이름 및 직함]

​

위 이메일은 당시 요청 취지를 바탕으로 작성한 예시이며, 실제 발송한 이메일의 원문은 아닙니다.

​

여기서 중요한 내용은 세 가지입니다.

1. 사용 중인 (국내에서 이미 인증받은) ESP32 모듈의 정확한 모델명
2. 한국 KC 인증을 위해 시험성적서가 필요하다는 목적
3. 필요한 경우 NDA 체결이 가능하다는 의사

​

생각보다 훨씬 친절했던 Espressif의 대응

다행히 Espressif의 대응은 매우 친절하고 신속했습니다.

요청 이후 시험성적서 제공을 위한 NDA(Non-Disclosure Agreement, 비밀유지계약) 체결 절차가 진행되었습니다.

​

그리고 일주일도 걸리지 않아 NDA 체결과 필요한 시험성적서 확보까지 마칠 수 있었습니다.

처음에는 해외 제조사에서 시험자료를 받는 일이 복잡하고 오래 걸릴 것으로 예상했는데, 실제로는 생각보다 어렵지 않았습니다.

특히 개인 개발자의 요청에도 친절하게 대응해 준 Espressif 측에 감사한 마음이 들었습니다.

이번 경험을 통해 알게 된 것은 다음과 같습니다.

​

ESP32 모듈의 기존 인증 정보는 공개 검색으로 확보할 수 있지만, 상세 시험성적서는 제조사에 직접 요청해야 할 수 있습니다.

​

그리고 적절한 목적을 설명하고 NDA를 체결하면 필요한 자료를 제공받을 가능성이 있습니다.

물론 시험성적서 제공 여부와 절차는 모듈 모델, 문서의 기밀성 및 제조사의 정책에 따라 달라질 수 있습니다.

ESP32를 활용하여 제품을 개발하는 분이라면, 필요한 자료가 검색되지 않는다고 바로 포기하지 말고 Espressif에 직접 문의해 보시기를 권합니다.

​

6. KTC에서 전자파 시험 진행

필요한 기술자료를 준비한 뒤 KTC에 시험을 의뢰했습니다.

시험 접수일은 2026년 8월 말 경이었습니다.

​

시험 대상은 케이스까지 포함된 최종 제품 구성이었습니다.

전자파 적합성평가에서는 제품의 전자파 방출 특성과 해당 제품에 적용되는 전자파 관련 기준 등을 확인합니다.

Wi-Fi 통신 모듈, 전원 변환 회로, PCB 배선 및 각종 센서가 함께 동작하는 완제품이므로 시험 결과에 관심이 컸습니다.

​

다행히 시험 과정에서 큰 문제는 발생하지 않았습니다.

9월 20일 경 시험 완료 통보를 받았고, 9월 말에는 적합 판정을 받은 시험성적서가 발급되었습니다.

시험 접수부터 성적서 발급까지 약 한 달이 걸렸습니다.

​

7. 시험 통과 후 KC 적합등록

전자파 시험을 통과한 뒤에는 관련 시험성적서와 기술문서를 바탕으로 적합등록 절차를 진행했습니다.

필요한 부합확인서 등의 문서를 준비하고 행정 절차를 거쳐 KC 적합등록을 완료했습니다.

​

KC 적합등록번호: R-R-ZU8-***-*** (정확한 제품명은 ***으로 처리합니다.)

​

이로써 제 IoT제품은 국내 판매에 필요한 전파법상 적합등록 절차를 마쳤습니다.

직접 설계한 PCB와 펌웨어로 시작했던 시제품이 정식 판매를 위한 중요한 관문을 통과했다는 점에서 뜻깊은 순간이었습니다.

​

KC 인증 전에 미리 준비하면 좋은 것 — 제조자 식별부호

한 가지 미리 준비하면 좋은 것이 있습니다. 바로 제조자 식별부호(정식 명칭: 적합성평가 식별부호)입니다.

제 경우 KC 적합등록번호는 R-R-ZU8-*****-*****인데, 여기서 ZU8이 제조자 식별부호에 해당합니다.

이 부호는 영문 대문자와 숫자로 구성된 3자리 코드로, KC 적합성평가를 신청하는 업체나 개인을 식별하는 데 사용됩니다.

​

시험기관에서 신청을 대행해 주기도 하지만, 인증을 의뢰하기 전에 미리 발급받아 두는 것을 권합니다.

신청은 다음 사이트에서 가능합니다.

​

① 과학기술정보통신부 전자민원센터 — 온라인 신청

https://emsit.go.kr/cp/ai/SchCvaByBizTrg.do?bizCat=70

위 사이트에서 「방송통신기자재등의 적합성평가 식별부호 지정신청」 메뉴를 선택하면 됩니다.

​

② 정부24 — 적합성평가 식별부호 지정 안내

https://www.gov.kr/mw/AA020InfoCappView.do?CappBizCD=15701000046

정부24에서도 신청 방법, 준비 서류와 처리기관을 확인할 수 있습니다.

식별부호 지정 업무는 국립전파연구원에서 담당하며, 정부24 안내 기준으로 신청 수수료는 무료이고 처리기간은 근무시간 내 3시간(즉시 처리 민원)입니다.

물론 서류나 신청 상황에 따라 실제 처리시간은 달라질 수 있습니다.

KC 인증을 준비하고 있다면 시험기관에 문의하기 전에 이 식별부호부터 확인해 보시길 추천합니다.

​

8. AA 배터리를 사용하면 전기용품 안전인증은?

인증을 진행하면서 별도로 확인한 문제가 있었습니다.

바로 전기용품 안전인증입니다.

​

제 하드웨어는 AA 배터리 4개를 사용하는 저전압 IoT 기기입니다.

일반적인 가정용 AC 전원을 직접 사용하는 제품은 아니기 때문에 전기용품 안전인증 적용 여부가 궁금했습니다.

KTC에 문의한 결과, 제출한 제품 사양과 전원 조건을 기준으로 전기용품 안전인증 대상에 해당하지 않는 것으로 보인다는 검토 의견을 받았습니다.

​

다만 이는 제공한 사양에 대한 검토 의견이며, 법적 효력을 가진 최종 유권해석은 아닙니다. 따라서 동일하게 배터리로 구동하는 제품이라도 제품의 종류와 적용 법령을 별도로 확인하는 것이 좋겠습니다.

​

9. KC 인증을 직접 진행하며 배운 점

이번 과정을 거치며 몇 가지 실무적인 교훈을 얻었습니다.

​

첫째, 무선통신 모듈의 인증 여부를 설계 단계에서 확인하는 것이 좋습니다.

처음부터 국내 적합성평가를 받은 모듈을 사용하면 기존 인증자료 활용 가능성을 검토할 수 있습니다.

​

둘째, 인증서와 시험성적서는 다릅니다.

모듈의 인증 등록 정보를 찾았다고 해서 필요한 서류가 모두 준비된 것은 아닙니다. 시험기관에 어떤 자료가 필요한지 먼저 확인해야 합니다.

​

셋째, 해외 모듈 제조사에 직접 문의하는 것도 좋은 방법입니다.

Espressif의 경우 NDA 체결을 포함하여 일주일 이내에 시험성적서를 확보할 수 있었습니다. 예상보다 빠르고 친절한 대응이었습니다.

​

넷째, 시험 비용과 일정을 미리 고려해야 합니다.

이번에 제시된 시험 견적은 약 240만 원(부가세 별도)이었으며, 시험 접수부터 성적서 발급까지 약 한 달이 소요되었습니다.

​

다섯째, 제품의 설계 변경 시 인증에 미치는 영향을 확인해야 합니다.

KC 적합등록 이후에도 무선통신 모듈, 안테나, 전원회로, PCB 등 주요 설계를 변경한다면 추가적인 검토나 평가가 필요할 수 있습니다.

​

10. 이제 실제 제품을 시장으로

제 IoT 제품은 단순한 토양 수분 센서에서 출발했지만, 현재는 측정 데이터를 클라우드에 저장하고 관수 이력을 학습하며 물주기 시점을 안내하는 시스템으로 발전하고 있습니다.

하드웨어, 펌웨어, Android 앱, 클라우드 서버와 데이터 분석 기능까지 직접 개발하는 데 많은 시간이 필요했습니다.

​

그리고 이번 KC 적합등록을 통해 실제 제품을 판매하기 위한 또 하나의 과정을 마쳤습니다.

이제는 실제 사용자들과 함께 제품을 검증하고, 그 경험을 바탕으로 더욱 발전시켜 나가려고 합니다.

​

연구실에서 시작한 아이디어가 사람들의 일상에서 사용되는 제품으로 이어지는 과정.

앞으로도 그 과정을 기록해 보겠습니다.

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· KiCad PCB 설계 템플릿 (Github, Gumroad)

· 펌웨어 개발

배우고, 만들고, 함께 성장하는 메이커들을 위한 공간으로 계속 발전시켜 나가겠습니다.

​

#KC인증 #전자파적합등록 #ESP32 #Espressif #IoT #하드웨어개발 #메이커 #스타트업 #제품개발

1편에서는 Windows Terminal에 Arduino CLI 환경을 구성하고 Espressif의 Arduino-ESP32 Core를 설치하는 방법을 알아보았습니다.

​

이번에는 실제 ESP32-WROOM-32E 프로젝트를 대상으로 컴파일, firmware 업로드, Serial Monitor, 라이브러리 관리를 수행해 보겠습니다.

그리고 Arduino CLI를 사용하는 중요한 이유 중 하나인 반복적인 컴파일 시간을 줄이는 방법도 함께 살펴보겠습니다.

1. 테스트용 ESP32 프로젝트 만들기

예를 들어 다음 위치에서 프로젝트를 만들어 보겠습니다.

mkdir C:\Arduino\ESP32Test

cd C:\Arduino\ESP32Test

Arduino CLI에는 새로운 스케치를 만드는 기능도 있습니다.

arduino-cli sketch new ESP32Test

다음과 같은 프로젝트가 생성됩니다.

C:\Arduino\ESP32Test

└── ESP32Test

└── ESP32Test.ino

ESP32Test.ino에 간단한 코드를 작성합니다.

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println("ESP32-WROOM-32E started");

}

void loop() {

Serial.println("Hello from ESP32");

delay(1000);

}

2. ESP32-WROOM-32E용으로 컴파일하기

프로젝트 폴더로 이동합니다.

cd C:\Arduino\ESP32Test\ESP32Test

이제 다음 명령으로 컴파일합니다.

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 .

마지막의 .은 현재 디렉터리를 의미합니다.

즉 현재 폴더에 있는 Arduino 프로젝트를 다음 보드 설정으로 컴파일하라는 의미입니다.

esp32:esp32:esp32

전체적인 과정은 다음과 같습니다.

ESP32Test.ino

│

↓

Arduino CLI

│

↓

Arduino-ESP32 Core

│

↓

Compiler

│

↓

Firmware

Arduino IDE에서 Verify 버튼을 누르던 작업을 명령 한 줄로 수행한 것입니다.

3. ESP32에 firmware 업로드하기

먼저 연결된 COM 포트를 확인합니다.

arduino-cli board list

ESP32가 COM5에 연결되어 있다고 가정하겠습니다.

컴파일된 firmware를 업로드하려면:

arduino-cli upload -p COM5 --fqbn esp32:esp32:esp32 .

를 실행합니다.

컴파일과 업로드를 연속해서 실행할 수도 있습니다.

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 .

arduino-cli upload -p COM5 --fqbn esp32:esp32:esp32 .

Arduino IDE에서 하던:

Verify

↓

Upload

과정이 두 개의 명령으로 바뀐 것입니다.

4. Serial Monitor 사용하기

Arduino IDE를 열지 않고 ESP32가 보내는 Serial 메시지를 확인할 수도 있습니다.

arduino-cli monitor -p COM5

baud rate가 115200이라면 다음과 같이 지정합니다.

arduino-cli monitor -p COM5 --config baudrate=115200

앞서 작성한 프로그램이 실행되고 있다면 다음과 같은 메시지가 나타납니다.

ESP32-WROOM-32E started

Hello from ESP32

Hello from ESP32

Hello from ESP32

...

따라서 기본적인 ESP32 개발 과정 전체를 Windows Terminal 안에서 처리할 수 있습니다.

Code 수정

↓

Compile

↓

Upload

↓

Serial Monitor

↓

Code 수정

↓

...

5. Arduino CLI에서 라이브러리 검색하기

Arduino CLI에서는 Arduino IDE의 Library Manager에 해당하는 기능도 사용할 수 있습니다.

현재 설치된 라이브러리를 확인하려면:

arduino-cli lib list

특정 라이브러리를 검색하려면:

arduino-cli lib search "Adafruit SHT31"

라이브러리를 설치하려면:

arduino-cli lib install "Adafruit SHT31 Library"

라이브러리 index를 업데이트하려면:

arduino-cli lib update-index

설치된 라이브러리를 업데이트하려면:

arduino-cli lib upgrade

따라서 Board Manager뿐 아니라 Library Manager의 작업도 대부분 Terminal에서 수행할 수 있습니다.

6. Arduino CLI의 중요한 장점 — 반복 컴파일 줄이기

규모가 큰 ESP32 프로젝트에서는 컴파일 시간이 무시하기 어려워집니다.

예를 들어 프로젝트가 다음과 같은 구조라고 생각해 보겠습니다.

Main Firmware

│

├── WiFi

├── BLE

├── HTTPClient

├── Sensor Library

├── Display Library

└── 기타 Libraries

첫 번째 빌드에서는 프로젝트에 필요한 여러 소스 파일과 라이브러리, Core를 컴파일해야 합니다.

개념적으로 보면:

Application source ──→ Compile ──┐

ESP32 Core ──────────→ Compile ──┤

WiFi ────────────────→ Compile ──┤

BLE ─────────────────→ Compile ──┤→ Link → Firmware

Sensor Library ──────→ Compile ──┤

Other Libraries ─────→ Compile ──┘

프로젝트가 클수록 시간이 오래 걸립니다.

그런데 실제 firmware 개발에서는 모든 파일을 매번 수정하지 않습니다.

대부분은:

센서 처리 코드 한 부분 수정

↓

컴파일

↓

테스트

↓

조건문 수정

↓

컴파일

↓

테스트

처럼 일부 application code만 반복적으로 변경합니다.

ESP32 Core나 사용 중인 라이브러리는 그대로인 경우가 많습니다.

이런 경우 변경되지 않은 부분의 기존 컴파일 결과를 재사용할 수 있다면 전체 빌드 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

7. Build Cache와 증분 빌드

첫 번째 컴파일에서는 필요한 파일들을 정상적으로 컴파일합니다.

FIRST BUILD

Application ─────────→ Compile

ESP32 Core ──────────→ Compile

WiFi ────────────────→ Compile

BLE ─────────────────→ Compile

Sensor Library ──────→ Compile

↓

Link

↓

Firmware

그 과정에서 재사용할 수 있는 빌드 결과가 남습니다.

이후 라이브러리나 ESP32 Core에 변화가 없고 application source 일부만 변경되었다면 개념적으로:

NEXT BUILD

Modified source ─────→ Compile ──┐

│

ESP32 Core ──────────→ Reuse ───┤

WiFi ────────────────→ Reuse ───┤

BLE ─────────────────→ Reuse ───┤→ Link → Firmware

Sensor Library ──────→ Reuse ───┘

와 같은 방식으로 불필요한 반복 컴파일을 줄일 수 있습니다.

따라서 라이브러리 자체가 변경되지 않았다면 매번 모든 라이브러리를 처음부터 다시 컴파일하는 작업을 줄일 수 있습니다.

ESP32처럼 Core와 라이브러리가 큰 플랫폼에서는 이런 차이가 반복적인 firmware 개발 과정에서 상당히 중요합니다.

8. Build Path를 유지하기

반복적인 개발에서는 build directory를 명시적으로 지정하는 것도 유용합니다.

예를 들어:

arduino-cli compile `

--fqbn esp32:esp32:esp32 `

--build-path .\build `

.

PowerShell의 ` 문자는 명령을 다음 줄로 이어 쓰기 위한 것입니다.

한 줄로 작성하면:

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 --build-path .\build .

입니다.

프로젝트 구조는 다음과 같이 관리할 수 있습니다.

ESP32Project

│

├── ESP32Project.ino

│

├── source files

│

└── build

├── object files

├── libraries

└── firmware binaries

동일한 build directory를 유지하면 반복적인 개발에서 기존 빌드 결과를 관리하기도 쉬워집니다.

9. 언제 다시 컴파일되는가?

물론 모든 상황에서 이전 결과를 그대로 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

다음과 같은 변화가 있으면 관련 소스가 다시 컴파일될 수 있습니다.

Library source 변경

ESP32 Arduino Core 변경

Board 설정 변경

Compiler option 변경

FQBN 변경

Build directory 삭제

Build/Cache 정리

예를 들어:

esp32:esp32:esp32

에서 다른 보드 설정으로 변경하면 기존 빌드 결과를 그대로 사용할 수 없는 부분이 생깁니다.

따라서 CLI를 이용한 반복 빌드의 핵심은 동일한 개발환경을 유지하면서 변경된 부분만 효율적으로 다시 빌드하는 것입니다.

10. 여러 ESP32에 같은 firmware 업로드하기

CLI의 또 다른 장점은 자동화입니다.

예를 들어 여러 ESP32 보드가 각각 다음 포트에 연결되어 있다고 가정하겠습니다.

COM5

COM6

COM7

PowerShell에서 다음과 같이 처리할 수 있습니다.

$ports = @("COM5", "COM6", "COM7")

foreach ($port in $ports) {

Write-Host "Uploading firmware to $port"

arduino-cli upload `

-p $port `

--fqbn esp32:esp32:esp32 `

.

}

한 번 컴파일한 firmware를 여러 동일한 보드에 순차적으로 업로드하는 작업을 자동화할 수 있습니다.

이는 한두 개의 개발보드를 테스트할 때보다 여러 개의 동일한 제품을 제작하는 단계에서 더욱 유용합니다.

11. Arduino CLI가 특히 유용한 경우

Arduino CLI는 단순한 프로젝트에서는 Arduino IDE보다 오히려 불편하게 느껴질 수도 있습니다.

하지만 다음과 같은 상황에서는 장점이 분명해집니다.

• ESP32 firmware를 자주 수정하고 컴파일하는 경우
• 규모가 큰 프로젝트에서 반복 빌드 시간을 줄이고 싶은 경우
• 동일한 firmware를 여러 보드에 업로드하는 경우
• 개발환경과 보드 옵션을 명령으로 명확하게 관리하고 싶은 경우
• PowerShell이나 Python으로 firmware 작업을 자동화하려는 경우
• Git이나 CI/CD 시스템과 firmware build를 연결하려는 경우
• 제품 생산 과정에서 firmware 업로드를 자동화하려는 경우

특히 개발보드 수준을 넘어 실제 하드웨어 제품을 제작하기 시작하면 CLI의 활용도가 높아집니다.

12. Arduino IDE와 CLI의 차이

Arduino IDE와 Arduino CLI는 서로 경쟁하는 도구라기보다 목적이 조금 다릅니다.

Arduino IDE는 사람이 직접 개발하기 편한 환경입니다.

코드 작성

→ 버튼 클릭

→ 컴파일

→ 업로드

→ Serial Monitor

반면 Arduino CLI는 반복 가능하고 자동화 가능한 개발환경을 만드는 데 강점이 있습니다.

Source Code

↓

Arduino CLI

↓

Incremental Build

↓

Firmware

↓

Automatic Upload

↓

Device Test

따라서 초기 개발 단계에서는 Arduino IDE를 사용하다가 프로젝트가 커지면서 CLI를 함께 사용하는 방법도 좋습니다.

13. 정리

ESP32-WROOM-32E를 사용하는 일반적인 프로젝트라면 Arduino CLI 개발 흐름은 생각보다 단순합니다.

환경을 한 번 설정한 뒤 실제 개발에서 반복적으로 사용하는 핵심 명령은 몇 개뿐입니다.

컴파일:

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 .

업로드:

arduino-cli upload -p COM5 --fqbn esp32:esp32:esp32 .

Serial Monitor:

arduino-cli monitor -p COM5 --config baudrate=115200

그리고 반복적인 개발에서는:

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 --build-path .\build .

처럼 build path를 관리할 수 있습니다.

Arduino CLI의 진짜 장점은 단순히 Arduino IDE를 열지 않아도 된다는 데 있지 않습니다.

더 중요한 것은 개발 과정을 명령으로 정의할 수 있다는 점입니다.

이를 통해 변경되지 않은 Core와 라이브러리의 빌드 결과를 활용해 반복 작업을 효율화하고,

코드 수정

↓

증분 빌드

↓

Firmware 생성

↓

업로드

↓

테스트

라는 개발 사이클을 빠르게 반복할 수 있습니다.

그리고 이 과정을 PowerShell, Python 등의 스크립트와 결합하면 결국 ESP32 firmware의 빌드부터 여러 제품에 대한 업로드와 테스트까지 자동화하는 개발·생산 환경으로 확장할 수 있습니다.

Arduino 프로젝트가 단순한 실험을 넘어 실제 제품 개발 단계로 발전하고 있다면 Arduino CLI를 익혀둘 가치가 충분합니다.

#ArduinoCLI #ESP32 #아두이노 #펌웨어개발 #JLCPCB

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·         펌웨어 개발

배우고, 만들고, 함께 성장하는 메이커들을 위한 공간으로 계속 발전시켜 나가겠습니다.

이번에 다음 주말 메이커 페어에서 선보이고 베타 테스터분들에게 나누어 드릴 ESP32 기반 보드를 제작했습니다.

한 대는 현재 KC 무선 인증을 위해 인증기관에 보내 시험을 진행하고 있습니다. 인증이 모두 끝나면 직접 개발한 ESP32 제품을 실제 판매 가능한 제품으로 만들기까지 어떤 과정이 필요한지, 제가 경험한 KC 인증 과정도 별도의 글로 정리해볼 생각입니다.

이번 글에서는 그보다 먼저, 완성된 보드에 펌웨어를 반복해서 개발하고 업로드하면서 사용하게 된 Arduino CLI에 대해 이야기해보려고 합니다.

JLCPCB 협찬으로 제작한 ESP32 보드

먼저 이번 보드 제작은 JLCPCB의 지원을 받아 진행했습니다.

이번 제작에서는 기성품 방수 케이스에 넣을 수 있는 버전과 제가 직접 3D 프린터로 제작한 케이스를 사용하는 버전, 두 가지 형태로 준비했습니다.

방수 케이스용 PCB는 검은색 솔더마스크를 사용하고 흰색 실크스크린으로 로고와 QR코드 등을 표시했습니다.

예전에는 직접 설계한 PCB라고 하면 아무래도 '개발용 회로 기판'이라는 느낌이 강했는데, 실제로 완성된 보드를 받아보니 생각보다 상당히 깔끔합니다.

특히 검은색 PCB와 흰색 실크스크린의 조합은 완성품에 가까운 느낌을 줍니다.

보드 왼쪽에는 USB-C 커넥터를 배치해 PC와 직접 연결하여 펌웨어를 업로드할 수 있도록 만들었습니다.

실제 펌웨어를 업로드해 여러 센서와 Wi-Fi 통신 등을 테스트해보니 설계했던 대로 정상적으로 동작했습니다.

아두이노에 익숙한 분들이라면 어느 정도 경험이 쌓인 뒤에는 Arduino Uno와 같은 기성 개발보드만 사용하는 데서 한 단계 더 나아가, ESP32 모듈을 이용해 자신만의 개발보드를 직접 설계해보는 것도 재미있는 경험이라고 생각합니다.

​

ESP32 역시 Arduino 개발환경을 그대로 사용할 수 있고, 예제와 라이브러리가 매우 풍부하기 때문에 생각보다 접근하기 어렵지 않습니다.

PCB 제작 역시 JLCPCB와 같이 소량 PCB 제작과 SMT 조립을 지원하는 업체를 이용하면 예전처럼 큰 비용을 들이지 않고도 자신의 보드를 만들어볼 수 있습니다.

JLCPCB 관련 링크는 글 하단에 남겨두겠습니다.

이번 글을 마지막으로 이번 보드 제작과 관련한 JLCPCB 협찬 내용도 마무리합니다.

보드를 만들고 나니 새로운 문제가 생겼다

하드웨어 제작이 끝나면 그다음부터는 펌웨어를 계속 수정하고 테스트하는 과정이 시작됩니다.

저 역시 지금까지 ESP32 모듈의 펌웨어 개발에는 주로 Arduino IDE를 사용해왔습니다.

Arduino를 개발한다고 하면 보통 Arduino IDE를 먼저 떠올립니다.

코드를 작성하고, 보드를 선택하고, 포트를 선택한 뒤 Verify와 Upload 버튼을 누르면 컴파일부터 펌웨어 업로드까지 대부분 자동으로 처리됩니다.

작은 프로젝트에서는 이 방법이 매우 편리합니다.

​

그런데 프로젝트가 점점 커지면서 상황이 조금 달라졌습니다.

제가 사용하는 펌웨어 역시 처음에는 비교적 단순했지만 기능을 하나씩 추가하다 보니 코드가 수천 줄 규모로 늘어났고, 여러 ESP32 라이브러리까지 함께 사용하게 되었습니다.

그러면서 한 번 컴파일하고 펌웨어를 업로드하는 데 걸리는 시간이 점점 길어졌습니다.

특히 하드웨어를 개발할 때는 핀 설정 하나를 수정하거나 센서 동작을 확인하기 위해서도 다음 과정을 계속 반복하게 됩니다.

코드 수정

↓

컴파일

↓

업로드

↓

동작 확인

↓

다시 코드 수정

이런 작업을 하루에도 여러 번 반복하게 되는데, 제 개발환경에서는 한 번의 컴파일과 업로드에 10분 이상 걸리는 경우도 있었습니다.

코드 몇 줄을 수정하고 다시 결과를 확인하기 위해 긴 시간을 기다려야 하니 개발 흐름이 자주 끊겼습니다.

​

그래서 Arduino IDE 이외의 방법을 찾아보기 시작했습니다.

그 과정에서 사용하게 된 것이 바로 Arduino CLI(Command Line Interface)입니다.

Arduino CLI를 사용하면 Windows Terminal이나 PowerShell에서 Arduino 프로젝트의 보드 설치, 라이브러리 관리, 컴파일, 업로드, Serial Monitor 등을 명령어로 수행할 수 있습니다.

​

처음에는

"버튼 하나 누르면 되는 Arduino IDE를 두고 굳이 명령어를 사용해야 할까?"

라는 생각도 들었습니다.

하지만 실제로 사용해보니 반복적인 ESP32 개발에서는 오히려 CLI 방식이 상당히 편리했습니다.

특히 빌드 캐시와 기존 빌드 결과를 활용하면 변경되지 않은 ESP32 Core나 라이브러리 등을 매번 불필요하게 다시 컴파일하는 일을 줄일 수 있어 반복 빌드 시간이 크게 단축될 수 있습니다.

제 프로젝트에서는 기존에 10분 이상 걸리던 반복적인 컴파일과 업로드 과정이 경우에 따라 약 1분 정도까지 줄어들었습니다.

펌웨어를 자주 수정해야 하는 개발 과정에서는 상당히 큰 차이입니다.

​

그래서 이번 글에서는 Windows에 Arduino CLI를 처음 설치하는 것부터 시작해 Espressif의 ESP32-WROOM-32E 기반 보드를 개발할 수 있는 환경을 구성하는 방법까지 정리해보겠습니다.

그리고 2편에서는 실제 프로젝트를 이용해

컴파일 → 업로드 → Serial Monitor → 라이브러리 관리

과정을 수행하고, 반복적인 ESP32 펌웨어 개발에서 빌드 시간을 줄이는 방법을 자세히 살펴보겠습니다.

1. Arduino CLI란?

Arduino CLI는 Arduino 개발환경의 주요 기능을 명령줄에서 사용할 수 있도록 만든 공식 도구입니다.

기본적인 명령 구조는 다음과 같습니다.

arduino-cli <명령> <옵션>

Arduino IDE에서는 메뉴와 버튼을 이용해 작업하지만 Arduino CLI에서는 동일한 작업을 명령으로 수행합니다.

예를 들어,

Arduino IDE

Board Manager

↓

보드 선택

↓

Verify

↓

Upload

↓

Serial Monitor

라는 작업이 Arduino CLI에서는,

core install

↓

compile

↓

upload

↓

monitor

라는 명령의 흐름으로 바뀝니다.

처음에는 IDE가 더 편해 보일 수 있습니다. 하지만 명령은 그대로 저장해서 다시 실행할 수 있고 PowerShell이나 Python 스크립트와 결합할 수도 있기 때문에 반복 작업이 많아질수록 CLI의 장점이 커집니다.

2. Arduino CLI의 장점

Arduino CLI의 첫 번째 장점은 개발환경을 명령으로 정확하게 정의하고 반복할 수 있다는 것입니다.

예를 들어,

arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32 .

이라는 명령만 보더라도 어떤 플랫폼과 보드를 대상으로 컴파일했는지를 알 수 있습니다.

두 번째 장점은 자동화가 쉽다는 것입니다.

컴파일과 업로드를 연속해서 수행하거나 여러 보드에 같은 firmware를 업로드하는 PowerShell 스크립트를 만들 수 있습니다.

세 번째로 중요한 장점은 반복적인 컴파일 시간을 줄일 수 있다는 것입니다.

ESP32 프로젝트는 사용자가 작성한 .ino 파일만 컴파일하는 것이 아닙니다. ESP32 Arduino Core와 프로젝트에서 사용하는 여러 라이브러리도 빌드 과정에 참여합니다.

프로젝트가 커지면 이 과정이 상당한 시간을 차지할 수 있습니다.

Arduino CLI에서는 빌드 캐시와 기존 빌드 결과를 활용하여 변경되지 않은 부분을 불필요하게 다시 컴파일하는 작업을 줄일 수 있습니다.

이에 대해서는 2편에서 자세히 살펴보겠습니다.

3. Windows에 Arduino CLI 설치하기

이제 실제로 Windows에 Arduino CLI를 설치해 보겠습니다.

Arduino CLI는 GUI 프로그램이 아니라 하나의 실행 파일을 중심으로 동작합니다. 따라서 Arduino IDE를 반드시 설치해야 Arduino CLI를 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

Windows에서는 여러 가지 설치 방법을 사용할 수 있지만, 여기서는 가장 이해하기 쉬운 공식 Windows 실행 파일을 내려받아 설치하는 방법을 기준으로 설명하겠습니다.

3-1. Arduino CLI 다운로드

Arduino 공식 Arduino CLI 페이지 또는 GitHub의 Arduino CLI Releases 페이지에서 Windows용 패키지를 다운로드합니다.

Windows 64비트 PC라면 일반적으로 다음과 같은 Windows 64-bit 패키지를 선택하면 됩니다.

arduino-cli_x.x.x_Windows_64bit.zip

압축 파일을 풀면 핵심 실행 파일인 다음 파일을 확인할 수 있습니다.

arduino-cli.exe

즉 Arduino CLI의 핵심은 이 실행 파일입니다.

3-2. Arduino CLI 전용 폴더 만들기

예를 들어 다음 폴더를 만들어 보겠습니다.

C:\ArduinoCLI

다운로드한 arduino-cli.exe를 이 폴더에 복사합니다.

결과적으로:

C:\

└── ArduinoCLI

└── arduino-cli.exe

와 같은 구조가 됩니다.

3-3. 먼저 직접 실행해 보기

Windows Terminal 또는 PowerShell을 열고 다음과 같이 이동합니다.

cd C:\ArduinoCLI

이제:

.\arduino-cli.exe version

을 실행합니다.

정상적으로 설치되었다면 Arduino CLI의 버전 정보가 출력됩니다.

이 단계까지 성공했다면 arduino-cli.exe 자체는 정상적으로 실행되는 것입니다.

하지만 현재는 C:\ArduinoCLI 폴더 안에서 실행하고 있기 때문에 다른 디렉터리에서는 바로:

arduino-cli

라고 입력해 사용할 수 없습니다.

이를 해결하기 위해 Windows의 PATH 환경 변수에 Arduino CLI 폴더를 등록합니다.

4. Arduino CLI를 Windows PATH에 등록하기

PATH에 다음 폴더를 추가합니다.

C:\ArduinoCLI

Windows 검색창에서:

환경 변수

를 검색한 뒤 시스템 환경 변수 편집을 실행합니다.

그다음:

환경 변수

↓

사용자 변수

↓

Path

↓

편집

↓

새로 만들기

를 선택하고 다음 경로를 입력합니다.

C:\ArduinoCLI

확인을 눌러 설정을 저장합니다.

이미 실행 중인 Windows Terminal은 이전 PATH 정보를 가지고 있을 수 있으므로 Terminal을 닫고 새로 실행하는 것이 좋습니다.

이제 어느 폴더에서든:

arduino-cli version

을 실행합니다.

버전 정보가 출력되면 PATH 설정까지 정상적으로 완료된 것입니다.

또한 Windows에서 실제 어떤 실행 파일을 찾고 있는지 확인하려면 다음 명령을 사용할 수 있습니다.

where.exe arduino-cli

정상적으로 설정되었다면:

C:\ArduinoCLI\arduino-cli.exe

와 같이 표시됩니다.

이제 Arduino CLI 설치가 완료되었습니다.

5. Arduino CLI 초기 설정

Arduino CLI를 처음 사용하는 경우 설정 파일을 생성합니다.

arduino-cli config init

Arduino CLI는 이후 보드 패키지 URL 등의 설정을 이 configuration을 통해 관리합니다.

현재 설정을 확인하려면:

arduino-cli config dump

를 실행합니다.

여기까지 완료했다면:

Arduino CLI 다운로드

↓

arduino-cli.exe 설치

↓

PATH 등록

↓

arduino-cli version

↓

config init

이라는 기본 설치 과정이 끝난 것입니다.

이제 ESP32 개발환경을 추가해 보겠습니다.

6. ESP32-WROOM-32E는 어떤 보드를 설치해야 할까?

여기서 ESP32를 처음 CLI로 사용하는 경우 조금 혼동하기 쉬운 부분이 있습니다.

ESP32-WROOM-32E는 Arduino에서 설치하는 보드 패키지의 이름이 아닙니다.

ESP32-WROOM-32E는 Espressif에서 만든 ESP32 기반의 무선 MCU 모듈입니다.

개념적으로 보면 다음과 같습니다.

ESP32 SoC

│

↓

ESP32-WROOM-32E Module

│

↓

개발보드 또는 Custom PCB

따라서 WROOM-32E를 사용한다고 해서 ESP32-WROOM-32E라는 Arduino 패키지를 별도로 찾을 필요는 없습니다.

Espressif에서 제공하는 Arduino-ESP32 Core를 설치하면 됩니다.

일반적인 ESP32-WROOM-32E 기반 보드나 커스텀 PCB에서는 ESP32 Dev Module 설정을 사용할 수 있습니다.

이때 사용하는 FQBN은 다음과 같습니다.

esp32:esp32:esp32

FQBN은 Fully Qualified Board Name의 약자로 Arduino CLI가 정확히 어떤 플랫폼과 보드 설정을 사용할 것인지를 나타냅니다.

7. Espressif ESP32 Board Manager URL 등록

ESP32는 Arduino 기본 플랫폼이 아니므로 Espressif에서 제공하는 package index를 Arduino CLI에 알려줘야 합니다.

다음 명령을 실행합니다.

arduino-cli config add board_manager.additional_urls https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json

설정이 정상적으로 등록되었는지는 다음과 같이 확인합니다.

arduino-cli config dump

설정 내용에 다음과 같은 항목이 나타납니다.

board_manager:

additional_urls:

- https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json

한 번 설정해 두면 이후 명령마다 URL을 다시 입력할 필요가 없습니다.

8. ESP32 Package Index 업데이트

이제 사용 가능한 보드 패키지 정보를 갱신합니다.

arduino-cli core update-index

ESP32 Core가 검색되는지도 확인할 수 있습니다.

arduino-cli core search esp32

정상적으로 등록되어 있다면 다음과 비슷한 항목을 찾을 수 있습니다.

ID Name

esp32:esp32 esp32

9. Espressif Arduino-ESP32 Core 설치

이제 실제 ESP32 개발환경을 설치합니다.

arduino-cli core install esp32:esp32

이 과정에서는 ESP32 Arduino Core뿐 아니라 컴파일과 업로드에 필요한 compiler 및 관련 toolchain도 설치됩니다.

설치가 완료되면:

arduino-cli core list

를 실행합니다.

다음과 비슷하게 표시되면 설치가 완료된 것입니다.

ID Installed Latest Name

esp32:esp32 x.x.x x.x.x esp32

10. ESP32 Dev Module 확인하기

설치된 ESP32 보드 목록을 확인해 봅니다.

arduino-cli board listall | findstr ESP32

ESP32 Dev Module을 찾으려면:

arduino-cli board listall | findstr "ESP32 Dev"

일반적인 ESP32-WROOM-32E 기반 프로젝트에서 사용할 수 있는 설정은:

ESP32 Dev Module esp32:esp32:esp32

입니다.

따라서 이후 컴파일 명령에서 기억해야 할 FQBN은:

esp32:esp32:esp32

입니다.

11. USB로 연결된 ESP32 확인하기

ESP32 보드를 PC에 연결한 뒤:

arduino-cli board list

를 실행합니다.

예를 들어 보드가 COM5로 인식되었다면:

Port Protocol Type

COM5 serial Serial Port (USB)

와 같이 나타날 수 있습니다.

커스텀 ESP32-WROOM-32E 보드에서는 Arduino CLI가 정확한 보드 이름을 자동으로 알아내지 못할 수도 있습니다.

그 자체는 문제가 아닙니다.

중요한 것은 USB-UART 장치가 Windows에서 정상적으로 인식되어 COM 포트가 생성되는가입니다.

이 예에서는:

COM5

가 firmware를 업로드할 포트가 됩니다.

12. 전체 설치 과정 정리

처음 Windows PC에서 Arduino CLI와 ESP32-WROOM-32E 개발환경을 구축한다면 전체 과정은 다음과 같습니다.

Arduino CLI 다운로드

↓

arduino-cli.exe 설치

↓

Windows PATH 등록

↓

arduino-cli config init

↓

Espressif Package URL 등록

↓

core update-index

↓

esp32:esp32 Core 설치

↓

ESP32 Dev Module 확인

↓

ESP32 USB 연결

↓

COM Port 확인

명령만 다시 정리하면:

arduino-cli version

arduino-cli config init

arduino-cli config add board_manager.additional_urls https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json

arduino-cli core update-index

arduino-cli core install esp32:esp32

arduino-cli core list

arduino-cli board listall | findstr "ESP32 Dev"

arduino-cli board list

여기까지 성공했다면 Windows Terminal만으로 ESP32-WROOM-32E firmware를 빌드할 수 있는 환경이 완성된 것입니다.

처음 설치할 때는 Arduino IDE보다 과정이 많아 보이지만 환경 설정은 한 번만 하면 됩니다. 이후에는 몇 개의 명령만으로 개발을 반복할 수 있습니다.

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그리고 Arduino CLI의 장점은 단순히 IDE 없이 개발할 수 있다는 데 그치지 않습니다.

프로젝트가 커질수록 빌드 결과와 캐시를 활용해 변경되지 않은 Core와 라이브러리의 불필요한 반복 컴파일을 줄이고, PowerShell 등의 스크립트를 이용해 컴파일과 업로드를 자동화할 수 있다는 점이 중요해집니다.

​

다음 편에서는 실제 ESP32 프로젝트를 이용해 컴파일 → 업로드 → Serial Monitor → 라이브러리 관리를 수행하고, 반복적인 firmware 개발에서 빌드 시간을 줄이는 방법을 자세히 살펴보겠습니다.

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Arduino나 ESP32로 프로젝트를 만들다 보면 물체와의 거리를 측정해야 하는 경우가 꽤 많습니다.

로봇의 장애물 감지, 사람이나 물체의 접근 감지, 자동문, 비접촉 인터페이스, 탱크 수위 측정 등 활용 분야도 다양합니다.

가장 익숙한 방법으로는 초음파 거리 센서나 적외선(IR) 거리 센서가 있지만, 최근에는 빛이 왕복하는 시간을 직접 측정하는 ToF(Time of Flight) 방식의 센서도 쉽게 사용할 수 있습니다.

이번 글에서 살펴볼 제품은 Adafruit TMF8806 Time of Flight Distance Sensor입니다.

ams OSRAM의 TMF8806 칩을 기반으로 한 소형 breakout board로, 최대 약 5m 거리 측정, 최대 30Hz 측정 속도, I2C 통신을 지원합니다.

특히 Arduino부터 ESP32와 같은 32비트 MCU까지 비교적 간단하게 사용할 수 있다는 것이 특징입니다.

1. TMF8806는 어떤 센서인가?

TMF8806는 Direct Time-of-Flight(dToF) 방식의 거리 센서입니다.

주요 사양을 정리하면 다음과 같습니다.

• 측정 거리: 약 20mm ~ 5m
• 최대 측정 속도: 30Hz
• 광원: 940nm VCSEL
• Laser Safety: Class 1
• 검출 방식: SPAD(Single-Photon Avalanche Diode)
• 인터페이스: I2C
• 단거리 저전력 모드: 약 200mm
• Arduino / CircuitPython 지원
• STEMMA QT / Qwiic 지원

센서 자체가 상당히 작기 때문에 로봇이나 IoT 기기처럼 공간이 제한된 프로젝트에도 적용하기 좋습니다.

2. dToF는 어떻게 거리를 측정할까?

TMF8806에서 가장 중요한 특징은 Direct Time-of-Flight, 즉 dToF 방식입니다.

일반적인 적외선 센서는 물체에서 반사되어 돌아오는 빛의 세기(Intensity)를 이용하여 거리를 추정하는 경우가 있습니다.

반면 ToF 센서는 빛을 물체에 발사하고, 그 빛이 다시 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다.

기본 원리는 간단합니다.

거리 = 빛의 속도 × 왕복 시간 ÷ 2

예를 들어 센서에서 레이저 펄스를 발사했다고 생각해 보겠습니다.

빛은 물체에 도달한 후 반사되어 다시 센서로 돌아옵니다. 센서는 이 왕복 시간을 매우 정밀하게 측정하고 이를 거리로 환산합니다.

문제는 빛의 속도가 약 30만 km/s로 엄청나게 빠르다는 것입니다.

따라서 실제 센서에서는 극도로 짧은 시간 차이를 검출해야 합니다.

TMF8806는 이를 위해 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) 검출기와 고감도 TDC(Time-to-Digital Converter) 구조를 사용합니다.

3. 940nm VCSEL 레이저 사용

TMF8806는 거리 측정을 위해 940nm VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)을 사용합니다.

매우 짧은 서브 나노초(sub-nanosecond) 펄스를 발사하고, 반사되어 돌아온 빛을 검출하여 거리를 계산합니다.

레이저를 사용한다고 하면 눈에 대한 안전성이 걱정될 수 있는데, TMF8806는 정상적인 사용 조건에서 Class 1 Eye Safety 등급으로 설계되어 있습니다.

또한 940nm는 적외선 영역이기 때문에 사람의 눈에는 센서가 발사하는 빛이 보이지 않습니다.

4. 기존 IR 거리 센서와 무엇이 다른가?

ToF 센서의 장점은 단순히 "레이저를 사용한다"는 데 있는 것이 아닙니다.

전통적인 반사광 세기 기반 IR 센서는 물체의 색상이나 표면 특성에 따라 반사되는 빛의 양이 달라질 수 있습니다.

예를 들어 같은 거리에 있는 물체라도 흰색 표면과 검은색 표면의 반사율은 상당히 다릅니다.

이 때문에 반사광의 세기를 거리로 환산하는 방식에서는 비선형성이나 측정 오차가 발생할 수 있습니다.

TMF8806와 같은 dToF 센서는 기본적으로 빛의 왕복 시간을 이용하기 때문에 이러한 문제를 줄일 수 있습니다.

물론 실제 ToF 센서도 물체의 반사율, 주변광, 측정 각도 등의 영향을 완전히 받지 않는 것은 아닙니다.

하지만 단순 반사광 세기 기반 센서에 비하면 훨씬 정교한 거리 측정이 가능합니다.

5. 초음파 센서와 비교하면?

Arduino를 처음 접했을 때 많이 사용하는 거리 센서 중 하나가 초음파 센서입니다.

초음파 센서는 소리를 발사하고 반사되어 돌아오는 시간을 측정한다는 점에서는 ToF 센서와 원리가 상당히 비슷합니다.

차이는 사용하는 매체입니다.

초음파 센서는 소리, TMF8806는 빛을 사용합니다.

초음파는 비교적 넓게 퍼지기 때문에 센서 앞에 여러 물체가 있는 환경에서는 원하는 물체만 정확하게 측정하기 어려운 경우가 있습니다.

TMF8806는 상대적으로 좁은 Field of View를 갖습니다.

• 200mm 이하 단거리: 약 30°
• 장거리 측정: 약 21°

따라서 센서 전방의 비교적 제한된 영역을 대상으로 거리 측정을 할 수 있습니다.

로봇이나 자동화 장비에서 특정 방향의 물체를 감지해야 할 때 유용한 특성입니다.

6. 최대 약 5m까지 측정

TMF8806의 실용적인 측정 범위는 약

20mm ~ 5m

입니다.

칩의 펌웨어에는 10m 관련 동작 모드가 언급되기도 하지만, 실제 안정적인 거리 측정 용도로는 최대 약 5m 정도를 기준으로 생각하는 것이 좋습니다.

최대 측정 속도는 약 30Hz이므로 1초에 최대 30번 정도 새로운 거리 데이터를 얻을 수 있습니다.

따라서 단순한 정적 거리 측정뿐 아니라 움직이는 물체의 거리 변화도 어느 정도 추적할 수 있습니다.

7. 200mm 단거리 저전력 모드

재미있는 기능 중 하나는 약 200mm 단거리 측정을 위한 저전력 모드입니다.

항상 5m까지 측정할 필요가 없는 애플리케이션도 많습니다.

예를 들어

• 손 접근 감지
• 뚜껑 개폐 감지
• 기기 앞 사용자 감지
• 소형 로봇 근접 센서
• 비접촉 스위치

같은 용도에서는 수십 cm 정도만 측정하면 충분합니다.

이러한 경우 단거리 모드를 이용하여 보다 효율적으로 센서를 운용할 수 있습니다.

배터리 기반 IoT 프로젝트에서는 꽤 유용할 수 있는 기능입니다.

8. 작은 MCU에서도 사용하기 쉽다

TMF8806의 또 다른 장점은 비교적 작은 메모리 사용량입니다.

일부 ToF 센서는 부팅 과정에서 별도의 펌웨어 패치나 상당한 크기의 데이터를 센서에 전송해야 하는 경우가 있습니다.

반면 TMF8806는 5m 거리 측정을 위해 대용량 firmware patch를 다운로드할 필요가 없습니다.

덕분에 SRAM이 제한적인 MCU에서도 사용하기가 상대적으로 쉽습니다.

예를 들어

ATmega328 기반 Arduino Uno

같은 8비트 마이크로컨트롤러에서도 사용할 수 있습니다.

물론 ESP32, RP2040, SAMD 계열과 같은 현대적인 32비트 MCU에서도 사용할 수 있습니다.

9. 3.3V와 5V 시스템 모두 사용 가능

TMF8806 칩 자체는 기본적으로 3.3V 시스템을 기반으로 하지만, Adafruit breakout board에는 전압 레귤레이터와 레벨 시프팅 회로가 포함되어 있습니다.

따라서 약 3V~5V 전원 및 로직 환경에서 사용할 수 있습니다.

예를 들어

• Arduino Uno
• Adafruit Feather
• ESP32
• Raspberry Pi
• RP2040 기반 보드

등과 연결하기 편리합니다.

특히 Arduino Uno처럼 5V 로직을 사용하는 시스템과 연결할 때 별도의 레벨 시프터를 추가하지 않아도 된다는 점은 프로토타이핑에서 큰 장점입니다.

10. STEMMA QT / Qwiic 지원

Adafruit breakout board답게 STEMMA QT / Qwiic 커넥터도 제공합니다.

보드 양쪽에 I2C 커넥터가 있어 호환 케이블을 이용하면 납땜 없이 센서를 연결할 수 있습니다.

즉,

MCU → Qwiic 케이블 → TMF8806

형태로 연결하여 빠르게 테스트할 수 있습니다.

또한 일반적인 breadboard용 핀도 제공되기 때문에 직접 점퍼선을 연결하거나 커스텀 PCB와 연결하는 것도 가능합니다.

11. Arduino와 CircuitPython 지원

통신 방식은 I2C입니다.

Adafruit에서는 TMF8806를 위한 소프트웨어 라이브러리와 예제를 제공하기 때문에 센서 레지스터를 처음부터 직접 제어할 필요가 없습니다.

대표적으로

• Arduino C/C++
• CircuitPython / Python 3

환경에서 사용할 수 있습니다.

따라서 센서를 구입한 뒤 예제 코드를 실행하여 실제 거리값을 확인하는 과정까지 비교적 빠르게 진행할 수 있습니다.

12. 크기와 무게

breakout board의 크기는 약

25.5 × 17.7 × 4.8mm

이며 무게는 약

1.7g

입니다.

센서 자체뿐 아니라 전압 레귤레이터, 레벨 시프터, I2C 커넥터까지 포함한 보드라는 점을 고려하면 상당히 작은 편입니다.

따라서 소형 로봇이나 휴대형 장치, IoT 센서 노드 등에 넣기에도 부담이 크지 않습니다.

13. TMF8806가 유용한 프로젝트

TMF8806의 특성을 생각해 보면 다음과 같은 프로젝트에 활용할 수 있습니다.

• 로봇 장애물 감지
• 물체 접근 감지
• 비접촉 스위치
• 자동문 및 스마트홈 센서
• 탱크 및 용기의 수위 측정
• 물체 위치 및 이동 감지
• 소형 IoT 기기
• 사용자 접근 감지
• 간단한 제스처 인터페이스
• 거리 변화 데이터 로깅

특히 초음파 센서보다 작은 크기와 좁은 감지 영역이 필요한 프로젝트에서 활용도가 높습니다.

마치며

TMF8806는 작은 크기의 breakout board이지만 상당히 흥미로운 기능을 갖춘 거리 센서입니다.

20mm부터 최대 약 5m까지의 거리 측정, 최대 30Hz 업데이트, 940nm VCSEL, SPAD 기반 dToF 측정, I2C 인터페이스, Arduino와 CircuitPython 지원이라는 구성이 특징입니다.

무엇보다 Adafruit breakout board에는 레귤레이터와 레벨 시프팅 회로, STEMMA QT/Qwiic 커넥터까지 포함되어 있기 때문에 ToF 기술을 직접 실험해 보고 싶은 메이커에게 접근성이 좋습니다.

기존의 초음파 센서나 단순 IR 거리 센서보다 조금 더 정밀하고 방향성이 있는 거리 측정이 필요하다면 한 번 사용해 볼 만한 센서입니다.

향후에는 많이 사용되는 STMicroelectronics의 VL53L4CD, VL53L4CX 계열 ToF 센서와 TMF8806를 비교해 보는 것도 재미있을 것 같습니다.

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