SPI 파형이 왜곡됐던 이유 — Digital Isolator 주파수 제한

ASUS Tinker Board 2S로 개발하다가 SPI 통신 파형이 이상하게 나오는 문제를 겪었다. 원인과 해결 과정을 정리해둔다.

개발 환경

Tinker Board 2S에서는 SPI1과 SPI5, 두 개의 SPI 버스를 사용할 수 있다.

Tinker Board 2S GPIO Pin Map

개발 언어는 Java, GPIO 제어는 MRAA 라이브러리를 사용했다.

MRAA Library SPI Index MRAA 라이브러리에서 SPI Index 설정

MRAA에서는 위 그림처럼 index를 설정해주면 SPI1과 SPI5를 각각 사용할 수 있다.

SPI를 초기화한 뒤, 파형 확인을 위해 SPI.write()를 호출하고 오실로스코프로 측정해봤다.

Android Studio에서 작성한 SPI Initialize 코드

결과는 예상과 달랐다.

SPI1 버스 파형 SPI1 버스에서 측정한 MOSI와 CLK 파형 — 삼각파가 출력됨

SPI5 버스 파형 SPI5 버스에서 측정한 MOSI와 CLK 파형 — 오실레이션 발생

처음에는 하드웨어 문제를 의심했다. Bypass Capacitor를 하나씩 교체해가며 확인했지만 증상은 그대로였다.

그러다 전혀 생각하지 못했던 부분에서 원인을 찾았다.

AD5420 SPI Class 코드 기존 AD5420 SPI Class — Frequency가 20MHz로 설정되어 있었다

바로 SPI1.Frequency였다. 기존에 20MHz로 아무 생각 없이 설정해두고 있었다.

그런데 Tinker Board 2S와 AD5420 사이에는 Digital Isolator(ADUM1400) 가 삽입되어 있다. ADUM1400 데이터시트를 확인해보니 문제가 명확해졌다.

ADUM1400 데이터시트 — Maximum pulse width 1000ns

ADUM1400의 Maximum pulse width는 1000ns, 즉 최대 10MHz까지만 정상 동작을 보장한다. 20MHz 파형은 이 한계를 넘어서 왜곡이 발생한 것이었다.

코드에서 SPI1 Frequency를 1MHz로 낮춘 뒤 파형을 다시 확인했다.

SPI1 수정 후 파형 Frequency 1MHz로 수정 후 SPI1 파형 — 정상적인 사각파 확인

정상 사각파가 나왔다.

다만 SPI5(MAX1032) 쪽은 1MHz로는 부족했고, 50kHz까지 낮춰야 정상 파형이 나왔다. 같은 보드에서 두 SPI 라인이 이렇게 큰 차이를 보이는 이유는 아직 잘 모르겠다. 나중에 기회가 되면 더 파봐야겠다.

Digital Isolator를 쓸 때는 해당 소자의 Maximum pulse width를 먼저 확인해야 한다. 하드웨어를 의심하며 Bypass Capacitor를 하나씩 교체하느라 시간을 꽤 날렸는데, 데이터시트를 먼저 봤으면 금방 잡았을 문제였다.