"아두이노"를 이용한 무전기, 안테나 Switching Controller 제작 (1-2)

[hl5lh]

최근에는 원격제어 아마추어 무선국이 늘어나고 있는 추세이며,

무전기와 안테나를 다양하게 결합해서 사용해야 할 필요성이 많아지고 있습니다.

              또한 하나의 무전기에 넓은 Band의 송.수신 주파수를 사용할 수 있어 안테나 하나로

전 주파수를 커버하기에 무리가 있으며, 옛날에는 구하기 힘들었던 무전기도

하나 이상을 소유하고 있는 무선국도 늘어나는 경우가 있습니다.

아무튼 여러 가지 이유로 무전기와 안테나를 자신의 무선국에

적합한 용도로 결합해서 사용해야 할 필요성이 있으나, 정작 우리 주변에서는

본인들의 무선국 환경에 적합하고 편리하게 이용할 무전기 안테나

 Switching 장치는 쉽게 구할 수 없었습니다.

여기에서 소개하는 장치는 어떠한 환경에서도 범용성 있는 용도로

자신의 무선국에서 설치된 무전기와 안테나를 결합해서 사용할 수 있는 확장성이 있으면서도

편리하게 사용하기 위한 무전기와 안테나 Switching Control 방법에 관한 내용으로

 2회에 걸쳐 연재 하도록 하겠습니다. 

본인은 20층의 고층 아파트에 살고 있으면서 하나의 안테나에

2대의 무전기를 연결 하여 주로 무선국을 원격으로 사용하고 있는데,

처음에는 많은 시행착오를 하면서 다양한 Switching 방법을 사용했으나,

원격제어 장치의 신뢰성과 안정성이 걱정이 되어 고심을 하다가

다음과 같은 Switching Controller를 제작하여 사용하였더니

현재 일년 이상 단 한번의 고장도 없고 아주 안정되게

작동되어 잘 사용하고 있습니다.

이 방법의 주안점은 Switching을 위한 회로의 복잡성을 피하기 위해

“아두이노”를 이용하여 “소프트웨어”적인 방법으로 Hardware를 단순화하였고,

Latching Relay와 무전기 전원, 안테나 전환을 하나의 스윗치로 동시에 해결해 주는 

 무전기와 안테나의 Switching 방법입니다. 

1. “아두이노” 란 ?

“아두이노는 Open Source를 기반으로 한 단일보드 Micro Controller로

Hardware 와 Software로 구성되어 있는데, 자체적인 입.출력 수단이 없어

USB 인터페이스로 일반 컴퓨터에 연결하여 프로그램을 할 수 있으며, Compile 및

Up load를 하여 다양한 Device를 값싸고 간단하게 신뢰성있도록 제어할 수 있습니다. 

본 장치에서는 원격지에서 “아두이노 우노”를 이용하여 4X1 무전기와 안테나셀렉터를,

 “아두이노 나노”를 이용하여 1x4 무전기, 안테나 셀렉터를 제작하는 방법을소개하고 있는데

 물론 무선국 내에서의 Local 환경에서도 쉽게 사용할 수 있습니다.

                < 아두이노 우노 >                                             <아두이노 나노>              

“아두이노는 Open Source를 기반으로 한 단일보드 Micro Controller로 Hardware 와

 Software로 구성되어 있는데, 자체적인 입.출력 수단이 없어 USB 인터페이스로 일반 컴퓨터에 연결하여

프로그램을 할 수 있으며, Compile 및 Up load를 하여 다양한 Device를 값싸고

간단하게 신뢰성있도록 제어할 수 있습니다. 

2. 1 x 4 (4X1) 무전기 안테나 Switching Controller HardWare의 구성

    가. 제어장치의 기본적인 구성

` 

Hardware의 구성은 매우 심플한데, Led 전류를 제한하는 220 Ohm 저항 4개와

 Full Down 5 K Ohm 저항 4개, 스윗칭 다이오드 4개, 안테나 또는 무전기를 선택하는 4개의 토글 스윗치로

구성되어 있는데, 소프트웨어가 탑재된 “아두이노 나노”만 있다면

누구든지 만능 기판에 쉽게 조립할 수 있습니다.

이 장치는 내부에 Up Load하는 Software에 따라 1 x 4 또는 4 x 1 무전기, 안테나

Switching Controller 로 동작하는데, 위의 회로는 1 X 4의 예이지만 4 X 1 의 Switching 경우에는

무전기의 전원 공급 여부를 나타내는 LED 세 개와 Port를 더 확장해야 합니다.

무전기나 안테나의 선택은 “아두이노”의 Full Down저항으로 인해 정논리(+)

신호에 따라서 작동하므로. 토글 스윗치로 5Volt를 공급하든, 또는 무전기가 연결된 컴퓨터를

원격지에서 WOL(Wake On Lan) 또는 인터넷 스윗치 등으로 컴퓨터를 활성화 시키면

부팅되는 순간 컴퓨터의 USB 단자에서는 5 Volt의 정논리 신호가 출력됨으로

이 신호를 무전기 또는 안터나 선택 스윗치에 1N4004 다이오드를 통해

순 방향으로 연결하면 선택된 무전기의 원격제어도 가능합니다.

이와 같이 “아두이노”를 이용하여 간단하게 구성된 Hardware로 다양한 활용을 할 수 있는데,

LED가 연결된 아두이노의 Port에 래칭 리렐이 또는 일반 릴레이를 연결하고, 무전기의 전원 공급을 위해

 SSR 또는 Power Relay를 연결한 후 Software를 동작시키면 무전기와 안테나의

Switching 뿐만이 아니라 무전기의 전원을 공급하는 Power Supply

전원까지 Control할 수 있는 특징이 있습니다. 

나. 1 X 4 Switching 회로의 무전기 전원 공급

이 장치에서의 특징은 “아두이노”의 제어로 안테나 Switching뿐만 아니라 

 해당되는 무전기에 전원을 동시에 Switching하는데 그 방법은 다음과 같습니다.

- “아두이노”로 Power Supply와 무전기 전원을 스케치 프로그램으로 제어 함 -

이 장치는 “아두이노 나노” 라는 Micro Controller에 의해 무전기 전원과 안테나를

동시에 Switching 하는데, 토글 스윗치로 선택된 무전기 또는 안테나는 제어 Software에 의해

해당 안테나와 무전기 RF출력 단을 먼저 Switching하고 마지막으로 선택되는 안테나의

무전기에 연결된 SSR을 Trigger하여 전원을 공급합니다.

여기에서 SSR(Solid State Relay)의 역할은 “아두이노”의 출력으로

직접 Drive 할 수 있으며, 대 전력의 DC 전류(30A)을 간단하게 ON, OFF할 수 있어 사용했으나,

동일한 규격의 Power Relay를 사용해도 무방합니다.

그러나 무전기에 DC 전원을 공급하는 Power Supply의 AC 220V를

ON, OFF하는 Switching  소자는 아두이노용 소형 Relay Module을 값싸게 구입할 수 있고

안정도도 높기 때문에 이를 사용해도 무방합니다.

- SSR의 동작 원리 , Led가 점등됨면 Load에 전원이 공급 됨 -

다. 1x4 Switching회로의 릴레이 연결

본 장치는 1x4, 4x1 Switching회로의 Hardware는 동일하며,

“아두이노 나노”에 Up Load되는 Software에 의해 그 기능을 달리할 수 있습니다.

“아두이노 나노”에 연결되는 무전기용 고주파 릴레이는 일반릴레이 또는

래칭 릴레이 다 같이 사용할 수 있는데, 다른 점은 각자가 따로 사용하는 Software이며,

이는 나중에 Software편에서 자세하게 설명하고자 합니다.

가장 이상적인 고주파 회로의 Switching 장치는 Maker에서 제대로 된

규격대로 제작된 고주파 릴레이를 사용하는 것이지만, 여기서는 각자가 처해진 환경들이 따로

있기에 무전기와 안테나의 Control 방법에 대해서만 설명하도록 하겠습니다.

 - 2 Channel, 3 Channel Latcging Relay -

위 그림은 고주파용 래칭 릴레이인데, 본인이 소유하고 있는

래칭릴레이는  (⧾전원)을 공통으로 하고, 선택되는 안테나에 (ㅡ전원)을 1초간

순간적으로 공급하면 접속이 바뀌는 구조입니다.

이 같이 순간적으로 짧은 전원으로 연결되는 기능은 “아두이노 나노”에

Up Load 되는 Software 함수  기능으로 동작하며, 일반적인 릴레이를 사용하는 경우는

이 기능을 가진 함수를 제거하고 Software를 Up Load하여 사용합니다.

- 전체 시스템의 결선 -

라. 실제 제작 한 장치의 모습

                                           - “아두이노 우노”를 이용하여 제작한 4 x 1 Switching 장치 -

- 인터넷 스윗치 ' s on off" 2 개를 이용한 무전기 안테나의 원격 제어 -

마. 시험 제작한 Test 모듈을 이용한 동작 모습

- 4  X 1 무전기, 안테나 스윗칭 Test Module을 시험중인 모습 -

위에서 전체 LED는 "아두이노 나노"  Test 모듈에서 Dip Switch로 선택되는 신호에 따라

출력되는 신호를 모니터하고 있는 모습이며,  윗 부분의 Dip Switch 4개는 안테나 또는 무전기를 선택하는

토글 스윗치에  해당하고, 맨 아래  LED 4개는 무전기에 공급되는 전원을 모니터 하며,

왼쪽의 LED는 안테나를 연결하는 Latching Relay 작동상태를 모니터 하는 것입니다.  

3. Switching Controller 스케치 프로그램 구성

“아두이노”는 가격이 저렴하며 단순한 용도의 제어용은 아주 값싸게 그리고 작동이 정확하며,

 매우 신뢰성 있게 작동합니다. 아두이노 나노의 호환보드 구입 가격은 5,000원 이내이며, 4 CH Relay 구입

가격도 3,000원 전후여서 모든 부품의 구입가격은 Latch Relay를 제외하면 수 천원 이내로 제작할 수 있습니다.

문제는 “아두이노”를 작동시키는 스케치 프로그램인데, 여기 소개하는

스케치 프로그램은 본인이 제작하여 현재 1년 가까이 사용하고 있는데 전혀 문제없이 안정되게 작동하고 있습니다.

여기서 4x1, 1x4 프로그램의 차이는 토글 스윗치에서 선택하는 무전기나 안테나에

따라 달라지는데, 4x1의 경우는 무전기를 4대까지 연결할 수 있기 때문에 4개의  “아두이노 나노”

출력 Port가 더 필요하며 그에 따라 Software가 약간 달라집니다.

가. Switching 프로그램의 System Flow Chart

나. “아두이노 나노” 무전기, 안테나 Switching 프로그램의 실제

“아두이노의 프로그램 언어는 C 언어 문법의 형태를 따르고 있는데,

main 함수는 존재하지 않고 setup과 loop만 존재하고 있습니다.

본 장치는 무전기나 안테나를 선택한 후 전원 스윗치를 넣었을 때

한번만 Switching되면 동작 상테를 유지하기 때문에 안전성을 위해서 loop문을 배제하고 있습니다.

따라서 전원 스윗치를 넣어 동작 시킨 후로는 선택 토글 스윗치를 아무리

on, off시켜도 그에 따른 동작을 하지 않으며 변화가 없습니다. 이는 본 장치의

신뢰성과 안정성을  좌우하는 매우 중요한 요소입니다.  

다음 그림은 가장 먼저 전체 Port를 설정하는 에디터 회면입니다. 

위 그림을 보면 “아두이노 나노‘의 5, 6, 7, 8, 번 포트를  Latching Relay 또는

일반 릴레이를 접속하고 (7-10항), 무전기의 전원 Control을 위해 각 무전기의 SSR led를 10 , 11, 12 번 Port에

접속하며(14-16항),  무전기 전체의 전원을 공급하는 Power Supply의 AC 220 Volt전원 제어를 위해

Relay Module을 14번 단지에(12항) 연결합니다.

그러나 위는 1x4 Switching의 경우이지만, 4x1 Switching의 경우에는 무전기를

4대나 부착해야 하므로 Port를 더 증설하고 16, 17, 18 항애 TrcvSsr 코드를 수정해야 합니다.

이제 입출력 Port를 설정하고 무전기 또는 안테나를 연결하는

토글 스윗치  4개에 대한  입력 Mode와 토글 스윗치 상태에 대한 변수를 설정합니다.

4개의 토글 스윗치의 움직임에 대한 변수 val1 – val4를 설정하고 토글

스윗치의 상태 변화를 읽어 무전기 전원과 안테나 릴레이를 동작시키는 신호를 출력합니다.

즉, 토글 스윗치 1을 on 시키먄 5Volt의 정논리 신호가

 “아두이노 나노”의 입력 Port에 접속되므로 다음과 같은 논리에 따르는 제어를 합니다.

프로그램을 하는 기법에 따라 for ~ next와 관련된 문법을 이용한다면

입.출력 Port와 pinMode 및 각종 변수를 설정하는 배열을 보다 간결하고 짧게 구성할 수 있지만,

여기서는 이해를 돕기 위해 1차원 적으로 펼쳐두고 설명하고자 합니다.

위에서 if 문장을 보면 토글 스윗치 1을 on 시켰을 때 5 Volt의

정논리 신호가 입력되면 1번 안테나의 Latching Relay에 정논리 5 Volt가 1초간 (delay 1000)

출력되었다가 원래 상태대로 복귀됩니다. (80-82항) 

이때 81번 항 delay 함수의 시간 단위는 밀리 세컨드 이므로 0.5초간 유지를 위해서라면

delay 500을 해야만 합니다. Latchinh Relay를 사용할 경우에는 이렇게 하지만, 일반 Relay인 경우에는

 80-81항을 삭제해야만 Relay를 지속적으로 Trigger하여 동작 상태를 유지시켜 줍니다.

그리고 83항에서는 무전기에 전원을 공급하라는 digitalWrite(TrcvSsr, HIGH) 함수에 따라

5Volt의 신호가 출력되어 SSR의 Led를 점등하고 Power Supply로부터 전원을 공급받아 무전기를 동작시킵니다.

여기서 84번과 86항을 보면 val2, val3, val4의 변수를 LOW로 변화시켰는데, 이는 본 Switching 장치를

동작시킬 때 두 개의 무전기 또는 두 개의 안테나를 동시에 동작 시키는 신호가 Processing된다면 커다란 문제가 발생하게 되므로 이 같은 오작동을 방지 하면서 신뢰성있고 안정적인 동작을 할 수 있도록 하는 조치입니다.

만약 이 Switching Controller가 오동작으로 한 개 이상의 무전기 또는 안테나가

동시에 접속된다면 그 무전기는 순간적으로 파괴 되어 엄청난 문제가 발생되는데, 본인의 경우는

일년 이상 이 장치를 원격지에서 매일같이 조작해도 지금까지 전혀 문제없이 안정되게

동작하고 있으며, 그 어떤 문제점과 Trouble도 없었습니다.

다. 현재 설치하여 사용중인 장치의 모습

완성된 4x1 Witching Controller의 실제 모습입니다 이장치는

전관방송장치 제조 업체인 인터엠의 방송전원 장치.를 이용해서 사용 중인데,

왼쪽 중간 부분에 “아두이노 우노”를 이용한 무전기, 안테나 Switching장치가 보입니다.

그리고 나머지 복잡해 보이는 부분은 12 Volt와 23 Volt 정전압 전원장치이며

뒷 부분은 각종 장치와 연결되는 AC 220 Volt의 전원 콘센트입니다.

다음은 이 장치의 전면 모습입니다. 두 대의 컴퓨터 위에 있는 장치가 4 X 1 무전기,

안테나 Switching인데 왼쪽에 있는 두 개의 토글 스윗치는 무전기가 연결된 컴퓨터의 모니터 전원 스윗치며,

나머지 4개의 스윗치는 무전기를 선택하는 스윗치로서 현재 3대의 HF 무전기가 있으므로

제일 오른쪽에 있는 스윗치 하나는 비워있는 여분 스윗치입니다.

따라서 원격으로도 무전기와 안테나를 선택할 수 있을 뿐만 아니라,

Local에서도 3대의 무전기 중 어느 하나를 사용하기 위해서는 여기 토글 스윗치 중 하나를

선택해서 on 시키면 전원과 안테나가 동시에 연결되어 손쉽게 사용할 수 있습니다,

이와 같이 무전기에 두 대의 컴퓨터를 연결하고 Local 또는 Remote로

두 대의 무전기를 번갈아 가면서 사용하고 있는데, 이때 1 무전기 또는 2 무전기를 선택하면

그에따라 1 무전기에 선택되는 안테나가 자동으로 연결되며, 2 무전기를 선택하면

 1 무전기에 연결된 안테나가 2 무전기로 이동하여 접속됩니다.

마지막 하나의 무전기는 컴퓨터를 이용한 CAT Control이

되지 않아 단순한 무전기와 안테의 Switching기능으로만 이용하고 있습니다. 

이제 “아두이노”의 도움으로 Software 적인 방법에 따라 복잡한

무전기와 안테나의 Switching 문제를 해결했으며, 기본적으로 Hardware를 최소한으로 사용하고

Software를 적극 활용하여 앞으로 다른 곳에서도 경제적인 방법으로 실용적인

Controller를 얼마든지 만들 수 있다는 가능성을 확인 하였습니다.

4. 제작방법의 예상되는 기대효과

o  지금까지의 무전기 안테나 Switching Controller는 논리회로를 이용한 Hardware 위주의 장치였기

  때문에 보다 효율적이고 간편한 장치로 표준화할 수 없었으나,  본 장치는 Hardware를 보다

   간단하게 제작하게   어떤 환경에서나  활용할 수 있도록 표준화 할 수 있습니다.

o  무전기나 안테나 등 아마추어무선국들은 저 마다의 설치환경이 모두 다르기 때문에 SWR 측정기,

   안테나 아날라이져 등과 같이 하나의 모델로 완성 제품을 제작할 수 없었던 것이 무전기, 안테나

  Switching Controller이었으나,  이제 Hardware가 간단하게 표준화 된다면 Software는 여러 방면으로

  다양한 Model이 발표돨 수 있다고 생각됨으로 많은 무선국에서 보다  편리하게 이 장치를 이용할 수

  있을 것으로 기대됩니다.

o  “아두이노”는 원천적으로 Open Source를 기반으로 하여 다양한 지구촌의 사람들이 그 지식을

   공유하고 있으므로, 본 장치에 활용된 여러 Software는  많은 아마추어 무선사들의 관심과 활용을

   거쳐 개선된다면 이 보다 훨씬 좋은 새로운 장치로 거듭날 수 있다고 생각됩니다.

o  “아두이노”의 많은 주변장치와 엑추에이터는 국제적으로 표준화 된 규격으로 대량생산 되고

   있으므로  본 장치의 Hardware는 보다 값싸게 제작할 수 있으며, 특히 가장 중요한 Main CPU는

   “아두이노 나노”  뿐만이 아니라 "라즈베리 파이", “아두이노 메가”, “아두이노 듀에” 등으로 기능   확대할

    수 있어  대폭 확장된 I/O Port와 속도등으로 지금까지 우리가 생각지도 못했던 장치로 발전할 수 있다고

    생각합니다.

o   본 장치에서 활용된 스케치 프로그램에서는 안정성을 강화하기 위하여 loop 문을 생략하여 한번

   동작하면 전원 스윗치를 끄고 다시 시작하지 않는 한, 처음 동작을 그대로 유지하도록 하였으며,

     또한 토글 스윗치를 동시에 조작하여 발생하는 “에러”가 없도록 하였습니다. 그리고 입력 Port를

   Full Down 저항으로 고정하여 RFI, EMI 등 잡음원이 입력되지 않도록 배려하였으므로, 

     아마추어  무선사  들의 사랑을 받을 수 있다면 프로그램이 개선될 수 있다면,  더 낳은 안정된 

   장치로 사랑 받을 수 있을것으로 예상합니다.