STM32F446RE에 FreeRTOS를 올려 소형 챔버 온도를 PI 제어하는 펌웨어입니다. 과온 시 히터 차단·복구 시퀀스를 수행하며, PC측 호스트 모니터(EC)와 UART로 연결해 실시간 모니터링과 명령 처리를 합니다.
구분
기술
MCU
STM32F446RE (ARM Cortex-M4, 84MHz)
FW 언어
C
RTOS
FreeRTOS 10.3.1 (CMSIS-RTOS V2)
개발 도구
STM32CubeMX, STM32CubeIDE
EC 언어
Python 3
통신
UART 115200bps (ST-LINK USB VCP)
┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│ EC — 호스트 모니터 (Host Monitor, macOS Python) │
│ │
│ - curses 실시간 모니터 패널 (상태 / KPI / 알람) │
│ - 복구 조건 실시간 모니터링 (온도 ≤ SP-2°C ✓/✗) │
│ - 센서 데이터 CSV 자동 로깅 │
└─────────────────────┬────────────────────────────────┘
│ UART 115200bps (ASCII text, \r\n)
│ ST-LINK USB VCP
┌─────────────────────▼────────────────────────────────┐
│ FW (STM32F446RE NUCLEO, C / FreeRTOS) │
│ │
│ - DHT22 온도 측정 (PB5, 2s 주기, 단선 1-Wire) │
│ - PI 히터 제어 (TIM3_CH3, 1kHz PWM) │
│ - 상태 머신: IDLE → HEATING → WARNING → ALARM │
│ - 팬 릴레이 (PA0) / 부저 (PB10) 자동 제어 │
│ - RESET 복구 조건 검증 후 ACK / NACK 응답 │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
├─[AboveNormal]─ UartRxTask : USART2 ISR 알림 수신 → 명령 파싱 → 상태 전이
├─[Normal]───── SensorTask : DHT22 읽기 (vTaskSuspendAll 타이밍 보호)
├─[AboveNormal]─ ControlTask : PI 제어 · KPI 계산 · 알람 판정 (센서 세마포어 동기화)
├─[Normal]───── UartTxTask : TX Queue 소비 + 1s 주기 DATA 전송
└─[BelowNormal]─ ActuatorTask : 50ms 주기 부저 · LED GPIO 패턴 구동
RTOS 오브젝트
종류
역할
g_state_mutexosMutex
공유 상태(g_state, g_temp, KPI) 보호
g_sensor_semosSemaphore
SensorTask → ControlTask 측정 완료 신호
g_tx_queueosMessageQueue (8×128B)
TX 직렬화 — 이벤트/ACK/NACK 큐잉
g_uart_rx_task_hTaskHandle
ISR → UartRxTask 라인 완성 알림
IDLE ──[START]──► HEATING ──[과온 > SP+1°C, 5s]──► WARNING
▲ │ │
│ │ [온도 복귀] │ [과온 > SP+2°C, 10s]
│ ◄──────────────────────┘
│ ▼
└──────────[RESET + 온도≤SP-2°C]── ALARM
e(t) = SP − T_measured
I(t) = clamp(I(t-1) + e(t) × dt, −100, +100)
u(t) = clamp(Kp × e(t) + Ki × I(t), 0, 1000)
Kp = 200, Ki = 2, Kd = 0 — DHT22 노이즈에 의한 미분 킥 방지로 D항 비활성u(t) 범위 0~1000 : TIM3_CH3 Compare 레지스터에 직접 기입 (1kHz PWM)ALARM 진입 시 : u=0 강제, 적분항 초기화
DHT22 단선 프로토콜은 µs 단위 타이밍이 필요합니다. 태스크 선점으로 인한 타이밍 깨짐을 vTaskSuspendAll() / xTaskResumeAll() 로 방지하면서, TIM14(HAL Timebase)와 USART2 IRQ는 정상 동작을 유지합니다.
ALID
알람명
발생 조건
FW 자동 대응
복구
ALM-01
TEMP_WARNING
온도 > SP + 1°C, 5s 지속
팬 ON, 부저 간헐
온도 복귀 시 자동 해제
ALM-02
TEMP_ALARM
온도 > SP + 2°C, 10s 지속
히터 OFF, 팬 ON, 부저 연속
RESET (온도 ≤ SP-2°C 검증 후)
ALM-03
SENSOR_FAIL
DHT22 3회 연속 실패
히터 OFF, ALARM 전이
RESET
FW → EC (주기/이벤트):
DATA:28.3,30.0,HEATING,NONE,50.0,23.1,0,0.0,0.0,0.0,0,0.0 # 1s 주기
EVENT:WARN,ALM-01 # WARNING 발생
EVENT:ALARM,ALM-02 # ALARM 발생
EVENT:CLEAR,ALM-01 # 알람 해제
EVENT:SETTLED,67.8 # 안정화 확인 (SP ± 1°C, 10s 유지)
ACK:START # 명령 수락
NACK:RESET,TEMP_HIGH # 복구 조건 미충족 거부
EC → FW (명령):
SET:30.0 # 온도 설정점 변경 (20°C ~ 80°C)
START # 가열 시작 (IDLE → HEATING)
STOP # 가열 정지
RESET # 알람 복구 시도 (조건 검증 후 ACK/NACK)
STATUS # 즉시 DATA 응답 요청
────────────────────────────────────────────────────────
챔버 온도 제어 펌웨어 — 호스트 모니터
────────────────────────────────────────────────────────
[State] FW: ALARM
[Sensor] Temperature: 32.5°C Setpoint: 30.0°C Duty: 0.0%
[Run] Elapsed: 127.3s Reach: 45.2s Settle: ---
[KPI] Peak: 32.8°C Overshoot: 2.8°C
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[Alarm] ALM-02 TEMP_ALARM
발생: 온도 > SP+2°C, 10초 지속
복구: 온도 ≤ SP-2°C 복귀 후 RESET
[복구 조건] Temperature ≤ 28.0°C : ✗ (현재 32.5°C)
→ 냉각 대기 중...
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부품
역할
인터페이스
STM32 NUCLEO-F446RE
메인 MCU (84MHz, Cortex-M4)
—
DHT22
챔버 내부 온도 측정 (±0.5°C)
단선 (PB5/D4)
카프톤 필름 히터 24V/~26W
챔버 내부 가열
—
N-ch MOSFET 모듈
히터 PWM 제어 (1kHz)
PB0/A3 (TIM3_CH3)
릴레이 모듈 + 5V 팬
챔버 환기 냉각
PA0/A0
DC-DC 컨버터 (24V→5V)
팬 전원
—
액티브 부저 (3.3V)
알람 경보
PB10/D6
WANPTEK 파워 서플라이
24V / 1.5A 제한
—
락앤락 밀폐 용기
챔버 본체 (환기 구멍 포함)
—
1단계 — 펌웨어 플래시 (STM32CubeIDE) 1. STM32CubeIDE 실행
2. chamber-fw 프로젝트 임포트
3. Run (▶) — 빌드 → Flash → 실행
cd chamber-ec
python3 -m venv .venv
source .venv/bin/activate
pip install -r requirements.txt
python ec.py /dev/cu.usbmodem* source chamber-ec/.venv/bin/activate
python chamber-ec/ec.py /dev/cu.usbmodem*
명령
설명
SET:<온도>온도 설정점 변경 (예: SET:30.0)
START가열 시작 (IDLE → HEATING)
STOP가열 정지
RESET알람 복구 시도 (복구 조건 검증 후 ACK/NACK)
STATUS현재 상태 즉시 조회
QUITEC 종료
equip-control/
├── chamber-fw/ # STM32 펌웨어 (C, FreeRTOS, HAL)
│ └── Core/Src/
│ ├── main.c # 5태스크 구조, 상태 머신, PI 제어, UART
│ └── dht22.c # DHT22 단선 프로토콜 드라이버 (DWT 타이밍)
├── chamber-ec/ # EC 소프트웨어 (Python)
│ ├── ec.py # curses 모니터 패널 UI, UART 통신, CSV 로깅
│ └── requirements.txt
└── docs/
├── sw/
│ ├── SRS-001.md # 소프트웨어 요구사항 명세
│ ├── SDD-001.md # 소프트웨어 설계 (태스크 구조, RTOS 오브젝트)
│ └── TPV-001.md # 테스트 계획 및 검증 보고서
└── hw/
├── EFS-001.md # Equipment Functional Specification
├── HDS-001.md # Hardware Design Specification
├── IO-001.md # I/O List & Wiring Diagram
├── AIM-001.md # Alarm / Interlock Matrix
├── TRG-001.md # Fault Handling & Recovery Guide
└── SCN-001.md # 과온 보호 동작 시나리오
문서
내용
SRS-001 소프트웨어 요구사항 명세 — REQ-F/SW/NF 요구사항 정의
SDD-001 소프트웨어 설계 — FreeRTOS 5태스크 구조도, RTOS 오브젝트 명세, PI 제어 알고리즘
TPV-001 테스트 계획 및 검증 — TC-01~05, UART 송수신 예시, 요구사항-설계-시험 추적표
문서
내용
EFS-001 시스템 기능 명세 — 상태 머신, 알람 동작, UART 프로토콜
HDS-001 HW 설계 명세 — DHT22, MOSFET PWM 회로, 전원 아키텍처
IO-001 I/O 목록 및 배선도
AIM-001 알람 매트릭스 — ALM-01~03 발생 조건, 자동 대응, 복구 조건
TRG-001 이상 처리·복구 가이드 — 이상 검출 동작, 복구 시퀀스, 벤치 브링업 점검
SCN-001 과온 보호 검증 시나리오 — 타임라인, 원인별 분석, 복구 시퀀스 검증