HBOT 챔버 제어 시스템에서 압력 밸브와 환기 밸브를 각각 4~20mA 전류로 제어해야 했다. 소자를 두 개 쓰면 SPI 핀을 두 세트 써야 하는데, Tinker Board 2S의 핀 구성상 여유가 없어서 AD5420 두 개를 Daisy Chain으로 연결하기로 했다.

회로를 구성하고 코드를 짰는데, 출력이 아예 안 나왔다.

AD5420 Daisy Chain 구성

AD5420은 SPI로 제어하는 4~20mA 전류 출력 DAC이다. 24비트(3바이트) 단위로 명령을 받는다.

Daisy Chain은 여러 SPI 소자를 하나의 SPI 버스에 직렬로 연결하는 방식이다. 별도의 CS 핀 없이 첫 번째 소자의 SDO를 다음 소자의 SDIN에 연결한다. SCLK와 LATCH는 모든 소자에 공통으로 연결한다.

실제 회로는 아래와 같다. ADUM1400/1200 디지털 아이솔레이터를 거쳐 두 AD5420(U9, U14)이 직렬로 연결되어 있다. 상단 U9의 SDO1이 하단 U14의 SDIN으로 이어지는 게 Daisy Chain의 핵심 연결이다.

AD5420 Daisy Chain 회로도

데이터시트 Figure 35는 이 연결 방식을 추상적으로 나타낸 것이다. Table 8에는 레지스터 주소별 동작도 정리되어 있다.

Figure 35. Daisy Chaining the AD5420 / Table 8. Control Word Functions

48비트(6바이트)를 한 번에 전송하면 shift register 방식으로 데이터가 밀려 들어간다. LATCH가 내려올 때:

  • 처음 24비트 → 칩2에 래치
  • 나중 24비트 → 칩1에 래치

문제: 출력이 아예 안 나온다

초기화 코드를 짜고 전류를 출력해봤는데 두 채널 모두 반응이 없었다. SPI 통신 자체는 오류 없이 진행됐다. 레지스터 주소, 데이터 값, LATCH 타이밍을 다 확인했는데 특별히 이상한 게 없었다.

오실로스코프로 확인

SPI 신호를 직접 확인하기 위해 오실로스코프를 연결했다. MOSI, MISO, SCLK, LATCH 네 채널을 동시에 찍었다.

첫 번째 전송을 보는 순간 문제가 보였다. MISO에 이상한 데이터가 찍혔다.

AD5420은 전송이 끝나면 MISO(SDO)로 직전에 수신한 데이터를 돌려준다. 정상 초기화 상태라면 깔끔한 값이 나와야 하는데, 전혀 예상하지 못한 값이 나오고 있었다. 쓰레기값이었다.

원인: 데이터시트에 이미 UNDEFINED라고 적혀 있었다

이상하다 싶어서 데이터시트를 다시 꼼꼼히 봤다. Daisy-Chain Mode Timing Diagram을 보는 순간 바로 이해가 됐다.

Figure 4. Daisychain Mode Timing Diagram

SDO 라인 첫 번째 24비트 구간에 UNDEFINED 라고 명시돼 있다.

Daisy Chain에서 칩1의 SDO는 칩2의 SDIN에 연결된다. 칩1은 자신이 받은 데이터를 처리하면서 동시에 직전 shift register 내용을 SDO로 밀어낸다. 문제는 전원 인가 직후 shift register 초기값이 보장되지 않는다는 것이다.

처음 48비트를 보낼 때의 상황:

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전송: [칩2용 명령 24비트] [칩1용 명령 24비트]

칩1이 명령을 받아 처리하는 동시에, 칩1은 이전에 shift register에 남아 있던 쓰레기값을 SDO로 내보낸다. 이 값이 칩2의 SDIN으로 들어가서 칩2가 전혀 엉뚱한 명령을 받게 된다. 칩2가 제대로 초기화되지 않았으니 출력이 안 나오는 게 당연했다.

해결: 더미 데이터로 shift register flush

해결 방법은 명령을 보내기 전에 6바이트짜리 더미 데이터를 먼저 전송해서 두 칩의 shift register를 모두 0으로 채우는 것이다.

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private void clearSpiBuffer() {
    byte[] dummy = new byte[] {0, 0, 0, 0, 0, 0};
    spi1.write(dummy);
}

0x00을 NOP으로 쓸 수 있는 근거는 위 데이터시트 Table 8에 명시돼 있다. Address Word 00000000이 No Operation (NOP)이다. 즉, 0x00을 6바이트 보내면 두 칩의 shift register가 0으로 채워지면서도 실제 레지스터에는 아무 영향을 주지 않는다.

flush 이후 초기화 순서:

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clearSpiBuffer();   // shift register flush — 쓰레기값 제거
Daisy_reset();      // 소프트웨어 리셋
Daisy_Setup();      // CONTROL 레지스터 설정

더미 데이터를 추가하고 나서 오실로스코프로 다시 확인했더니 MISO가 깔끔하게 나왔고, 전류 출력도 정상으로 동작했다.

정리

Daisy Chain은 핀을 아끼면서 소자를 늘릴 수 있는 효율적인 방식이지만, shift register 기반 동작 특성상 전원 인가 후 초기 상태가 보장되지 않는다.

유효한 명령을 보내기 전에 반드시 더미 데이터로 shift register를 flush해야 한다. 데이터시트 Figure 4에 SDO 초기값이 UNDEFINED라고 명시돼 있으니, 처음부터 꼼꼼히 읽었다면 바로 알 수 있었던 내용이다. 오실로스코프로 MISO를 직접 찍어보지 않았다면 원인을 찾는 데 훨씬 오래 걸렸을 것이다.