TCA9548A I2C 멀티플렉서

같은 I2C 센서를 여러 개 연결하고 싶다면? TCA9548A I2C 멀티플렉서 활용하기

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ESP32, Arduino, Raspberry Pi를 사용하다 보면 다양한 I2C 센서를 연결하게 됩니다.

온습도 센서, 조도 센서, IMU, OLED 디스플레이 등 대부분의 센서가 I2C 통신을 사용하기 때문에 배선이 간단하고 확장성이 좋습니다.

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그런데 프로젝트가 조금만 커지면 예상치 못한 문제가 발생합니다.

바로 I2C 주소 충돌(Address Collision) 입니다.

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오늘은 이 문제를 간단하게 해결해주는 TCA9548A 1-to-8 I2C 멀티플렉서를 소개해 보겠습니다.

■ I2C 주소 충돌이란?

I2C 통신에서는 각 장치가 고유한 주소를 가지고 있어야 합니다.

예를 들어 어떤 온도 센서가 항상 0x40 주소를 사용한다고 가정해 보겠습니다.

센서 하나를 연결할 때는 문제가 없지만 동일한 센서를 두 개 이상 연결하면 문제가 발생합니다.

마이크로컨트롤러는 SDA/SCL 버스에서 동일한 주소를 가진 장치들을 구별할 수 없기 때문입니다.

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예를 들어,

센서 1 : 0x40

센서 2 : 0x40

처럼 주소가 동일하면 통신 충돌이 발생합니다.

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일부 센서는 주소를 변경할 수 있지만, 많은 고성능 센서는 주소가 고정되어 있습니다.

이때 필요한 것이 바로 TCA9548A입니다.

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■ TCA9548A란?

TCA9548A는 I2C 멀티플렉서(Multiplexer)입니다.

쉽게 말하면 하나의 I2C 버스를 여러 개의 독립된 채널로 분리해 주는 장치입니다.

마이크로컨트롤러는 TCA9548A를 통해 원하는 채널만 선택하여 통신할 수 있습니다.

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즉,

채널 0 → 센서 A

채널 1 → 센서 B

채널 2 → 센서 C

...

채널 7 → 센서 H

처럼 최대 8개의 동일 주소 센서를 동시에 사용할 수 있습니다.

TCA9548A는 일종의 "교통 정리원" 역할을 수행한다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

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■ 동작 방식

사용 방법은 매우 간단합니다.

먼저 TCA9548A에 원하는 포트 번호를 전송합니다.

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예를 들어 채널 3을 선택하면 이후의 모든 I2C 통신은 자동으로 채널 3에 연결된 장치로 전달됩니다.

예시 코드

Wire.beginTransmission(0x70);

Wire.write(1 << 3); // 채널 3 선택

Wire.endTransmission();

그 후에는 일반적인 I2C 센서와 동일하게 통신하면 됩니다.

즉, 소프트웨어 측면에서도 매우 사용하기 쉬운 구조입니다.

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■ 멀티플렉서 자체 주소도 변경 가능

TCA9548A의 기본 주소는 다음과 같습니다.

0x70

하지만 주소 핀을 이용하면

0x70 ~ 0x77

범위로 변경할 수 있습니다.

즉, 하나의 마이크로컨트롤러에 TCA9548A를 최대 8개까지 연결할 수 있습니다.

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■ 최대 몇 개의 센서를 연결할 수 있을까?

계산해 보면 상당히 놀랍습니다.

TCA9548A 하나당 8개 채널

TCA9548A 최대 8개 연결 가능

따라서

8 × 8 = 64

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즉, 최대 64개의 동일 주소 I2C 장치를 하나의 마이크로컨트롤러에서 제어할 수 있습니다.

예를 들어,

• IMU 센서 64개
• 온도 센서 64개
• 조도 센서 64개

와 같은 대규모 측정 시스템도 구현 가능합니다.

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■ 3.3V와 5V 모두 지원

TCA9548A는

• 3.3V 시스템
• 5V 시스템

모두 지원합니다.

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따라서 다음과 같은 다양한 플랫폼에서 사용할 수 있습니다.

• ESP32
• ESP32-S3
• Raspberry Pi
• Arduino Uno
• Arduino Mega
• Adafruit Feather 시리즈

전압 호환성 때문에 별도의 레벨 시프터를 고민할 필요가 없는 경우가 많습니다.

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■ Adafruit 브레이크아웃 보드의 장점

Adafruit 버전은 브레드보드에서 사용하기 쉽도록 설계되어 있습니다.

보드에는 이미 다음 부품들이 포함되어 있습니다.

• 디커플링 캐패시터
• 풀업 저항
• 풀다운 회로

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따라서 별도의 추가 회로 없이 바로 사용할 수 있습니다.

헤더핀만 납땜하면 브레드보드에 꽂아서 사용할 수 있습니다.

크기는 다음과 같습니다.

무게 : 1.8g

크기 : 30.6 × 17.6 × 2.7 mm

매우 작아서 프로젝트 내부에 쉽게 통합할 수 있습니다.

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■ 어떤 프로젝트에 유용할까?

1. 다중 환경 센서 시스템

제가 개발 중인 식물 관리 IoT 시스템처럼 여러 개의 화분 상태를 동시에 측정하는 경우 활용할 수 있습니다.

예를 들어,

• 토양 수분 센서
• 온도 센서
• 조도 센서

를 여러 측정 지점에 설치할 수 있습니다.

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1. 다수의 IMU 배열

로봇 공학이나 모션 캡처 시스템에서는 여러 개의 IMU 센서를 동시에 사용해야 할 때가 있습니다.

대부분 동일한 I2C 주소를 사용하기 때문에 TCA9548A가 거의 필수 부품이 됩니다.

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2. 다중 OLED 디스플레이

OLED 모듈 역시 주소 변경 범위가 제한적인 경우가 많습니다.

TCA9548A를 사용하면 여러 개의 OLED를 독립적으로 제어할 수 있습니다.

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3. 연구용 데이터 수집 시스템

연구실에서 다수의 온도 센서, 압력 센서, 진동 센서를 연결해야 할 경우 매우 유용합니다.

특히 센서 주소를 변경할 수 없는 경우 거의 유일한 해결책이 되기도 합니다.

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■ 마무리

TCA9548A는 복잡한 기능을 제공하는 칩은 아니지만, I2C 기반 프로젝트를 확장할 때 매우 강력한 도구입니다.

특히 동일한 주소를 사용하는 센서를 여러 개 연결해야 하는 상황에서는 사실상 필수 부품이라고 할 수 있습니다.

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ESP32나 Arduino 프로젝트에서 센서 개수가 늘어나기 시작했다면, TCA9548A를 활용하여 깔끔하고 확장성 있는 시스템을 구성해 보시기 바랍니다.

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개인적으로는 여러 개의 동일한 환경 센서나 IMU를 연결해야 하는 프로젝트를 진행할 때 한 번쯤 반드시 알아두어야 할 부품이라고 생각합니다.