ESP32 Gray Code Absolute Encoder

초고속 6비트 Gray Code 절대 위치 엔코더 시스템

ESP32와 I2C LCD를 활용한 실시간 위치/직경 측정 시스템입니다. 하드웨어 인터럽트 기반 Gray Code 디코딩으로 고속 회전에서도 정확한 위치 추적이 가능합니다.

📋 목차

주요 특징
하드웨어 구성
핀 연결도
시스템 아키텍처
설치 방법
사용 방법
기술 세부사항
문제 해결

✨ 주요 특징

🚀 초고속 처리

하드웨어 인터럽트 기반: 6개 핀 동시 모니터링
직접 레지스터 읽기: GPIO_IN_REG 활용으로 마이크로초 단위 반응
링 버퍼 구조: 1024 샘플 버퍼로 데이터 손실 방지
고속 회전에서도 정확한 추적

📊 정밀 측정

절대 위치 인코더: 전원 꺼져도 위치 기억
0.05mm 분해능: 64단계 Gray Code
실시간 직경 계산: 원주율 기반 자동 변환
최소 위치 3cm: 음수 방지 클램핑

💾 자동 캘리브레이션

Flash 메모리 저장: ESP32 Preferences 활용
자동 매핑 모드: 처음 1회전으로 자동 학습
즉시 사용: 재부팅 후 매핑 자동 로드
수동 리셋 가능: 시리얼 명령으로 초기화

🖥️ LCD 실시간 표시

16x2 I2C LCD (0x27 주소)
위치(cm) 및 직경(cm) 동시 표시
100ms 주기 갱신
매핑 진행률 표시

🔌 하드웨어 구성

필요 부품

구성품	모델/사양	수량
메인 컨트롤러	ESP32 DevKit	1
LCD 디스플레이	16x2 I2C LCD (0x27)	1
Gray Code 엔코더	6비트 절대 엔코더	1
풀업 저항	10kΩ (옵션, 내부 풀업 사용 가능)	6

시스템 요구사항

전원: 5V / 500mA 이상
Gray Code 디스크: 6비트 (64단계)
센서: 광센서 또는 홀센서 6개

📊 핀 연결도

ESP32 핀아웃

┌─────────────────────────────────────┐
│             ESP32                   │
├─────────────────────────────────────┤
│ GPIO13  ────→ Encoder Bit 0         │
│ GPIO14  ────→ Encoder Bit 1         │
│ GPIO16  ────→ Encoder Bit 2         │
│ GPIO17  ────→ Encoder Bit 3         │
│ GPIO18  ────→ Encoder Bit 4         │
│ GPIO19  ────→ Encoder Bit 5         │
│                                     │
│ GPIO21  ────→ LCD SDA (I2C)         │
│ GPIO22  ────→ LCD SCL (I2C)         │
│                                     │
│ 5V      ────→ Power Supply          │
│ GND     ────→ Common Ground         │
└─────────────────────────────────────┘

상세 연결표

Gray Code 엔코더 연결

엔코더 출력	ESP32 핀	비트	설명
Bit 0 (LSB)	GPIO13	0	최하위 비트
Bit 1	GPIO14	1
Bit 2	GPIO16	2
Bit 3	GPIO17	3
Bit 4	GPIO18	4
Bit 5 (MSB)	GPIO19	5	최상위 비트
VCC	5V	-	전원
GND	GND	-	그라운드

I2C LCD 연결

LCD 핀	ESP32 핀	설명
VCC	5V	전원
GND	GND	그라운드
SDA	GPIO21	I2C 데이터
SCL	GPIO22	I2C 클럭

회로도

        ┌──────────────┐
        │    ESP32     │
        │              │
 Enc B0 │ GPIO13 ◄─────┼──── Gray Code Bit 0
 Enc B1 │ GPIO14 ◄─────┼──── Gray Code Bit 1
 Enc B2 │ GPIO16 ◄─────┼──── Gray Code Bit 2
 Enc B3 │ GPIO17 ◄─────┼──── Gray Code Bit 3
 Enc B4 │ GPIO18 ◄─────┼──── Gray Code Bit 4
 Enc B5 │ GPIO19 ◄─────┼──── Gray Code Bit 5
        │              │
 I2C-DA │ GPIO21 ─────►┼──── LCD SDA
 I2C-CL │ GPIO22 ─────►┼──── LCD SCL
        │              │
        └──────────────┘

🏗️ 시스템 아키텍처

데이터 흐름

Gray Code 엔코더 (6비트)
    ↓
6개 GPIO 핀 (하드웨어 인터럽트)
    ↓
ISR: encoderISR() [IRAM]
  • GPIO_IN_REG 직접 읽기
  • 6비트 코드 생성
  • 링 버퍼에 저장
    ↓
[Ring Buffer] (1024 샘플)
    ↓
Main Loop: processCode()
  ┌─────────────┬─────────────┐
  ▼             ▼             ▼
Started?    Mapping?    Position Update
  NO: Wait   NO: Learn    YES: Calculate
  START      Codes        Position/Diameter
    ↓             ↓             ↓
LCD Display Update (100ms)

상태 머신

[초기화]
    ↓
[대기] ← START 코드(000000 or 111111) 감지 대기
    ↓
[매핑 모드] ← 1회전하며 64개 코드 학습
    ↓         (Flash 자동 저장)
[측정 모드] ← 위치/직경 실시간 추적
    ↑
    └─────── 재부팅 시 Flash에서 자동 로드

핵심 알고리즘

1. Gray Code 디코딩

// ISR에서 레지스터 직접 읽기 (초고속)
void IRAM_ATTR encoderISR() {
  uint32_t gpio_in = REG_READ(GPIO_IN_REG);    // GPIO 0-31
  uint32_t gpio_in1 = REG_READ(GPIO_IN1_REG);  // GPIO 32-39
  
  uint8_t code = 0;
  for(int i=0; i<6; i++) {
    int pin = ENCODER_PINS[i];
    uint8_t val = (pin<32) ? 
      ((gpio_in >> pin) & 1) : 
      ((gpio_in1 >> (pin-32)) & 1);
    code |= (val << i);
  }
  
  // 링 버퍼에 저장
  bufferPush(code);
}

2. 자동 매핑 학습

// 처음 1회전으로 64개 코드 자동 매핑
if(!mappingComplete) {
  if(codeToIndex[code] == 255) {
    codeToIndex[code] = nextIndex++;
    
    if(nextIndex == 64) {
      mappingComplete = true;
      saveToFlash();  // Flash에 저장
    }
  }
}

3. 위치 계산 (에러 보정 포함)

int8_t rawStep = signedDelta(currentIndex, prevIndex);
int8_t normStep = rawStep;

// 해밍 거리로 에러 감지
uint8_t hd = hammingDistance(currentCode, prevCode);

// Wrap-around 보정
if(abs(rawStep)==7 && hd==1) 
  normStep = (rawStep>0) ? +1 : -1;  // 63→0 또는 0→63
else if(abs(rawStep)==6 && hd<=2) 
  normStep = (rawStep>0) ? +2 : -2;

// 위치 업데이트 (0.05mm/step)
accumSteps += normStep;
position_mm += (normStep > 0) ? +0.05 : -0.05;

// 최소 위치 클램프 (3cm)
if(position_mm < 3.0f) {
  position_mm = 3.0f;
  accumSteps = 0;
}

4. 직경 자동 계산

diameter_mm = position_mm / π
// 예: 위치 31.4mm → 직경 10mm

🚀 설치 방법

1. 개발 환경 설정

Arduino IDE 설정

# ESP32 보드 설치
1. Arduino IDE 열기
2. 파일 → 환경설정
3. 추가 보드 매니저 URL:
   https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json
4. 도구 → 보드 → 보드 매니저
5. "ESP32" 검색 후 설치
6. 보드: "ESP32 Dev Module" 선택

필요 라이브러리 설치

# 라이브러리 매니저에서 설치:
1. LiquidCrystal_I2C (by Frank de Brabander) - v1.1.2 이상
2. Wire (Arduino 기본 내장)
3. Preferences (ESP32 기본 내장)

2. 하드웨어 조립

엔코더 디스크 준비

6비트 Gray Code 패턴이 인쇄된 디스크가 필요합니다:

내경: 회전축 직경에 맞게
외경: 센서 배치 반경
트랙: 6개 (64단계)

Gray Code 패턴 생성 도구:

온라인: Gray Code Generator
또는 Python/엑셀로 자체 생성

센서 배치

    [센서 배치 예시 - 원형]
        
        Bit5 (외곽)
       /    \
    Bit4    Bit3
     |   O   |    ← 회전축 중심
    Bit2    Bit1
       \    /
        Bit0 (내곽)

센서는 디스크 반경에 따라 배치하되, 모든 비트가 동시에 읽힐 수 있어야 합니다.

3. 코드 업로드

# 1. 코드 다운로드
git clone [repository-url]
cd esp32-gray-code-encoder

# 2. Arduino IDE에서 열기
esp32_v5.cpp 파일 열기

# 3. LCD I2C 주소 확인 (필요시)
# I2C 스캐너로 LCD 주소 확인
# 코드에서 주소 수정: LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

# 4. 보드 설정
Tools → Board → ESP32 Dev Module
Tools → Upload Speed → 921600
Tools → Flash Frequency → 80MHz

# 5. 업로드
업로드 버튼 클릭

💡 사용 방법

초기 설정 (첫 사용)

1. 전원 켜기

LCD 표시: "UltraFast ENC"
         ↓ (1초 후)
         "Waiting START..."

2. 자동 매핑 시작

엔코더를 천천히 회전하여 START 위치 찾기
START 코드 (000000 또는 111111) 감지되면 자동 시작

LCD 표시: "Mapping..."
         "0/64" (진행률)

3. 1회전 완료

계속 천천히 회전하여 전체 1바퀴 완성
64개 코드 모두 학습되면 자동 완료

LCD 표시: "Mapping Done"
         ↓ (자동 저장)
         "Pos:3.00cm"
         "Dia:0.95cm"

4. 측정 시작

이제 자유롭게 엔코더 회전
실시간 위치/직경 표시

일반 사용 (매핑 완료 후)

LCD 화면 읽기

┌────────────────┐
│Pos:12.34cm     │  ← 현재 위치 (원주 기준)
│Dia:3.93cm      │  ← 계산된 직경
└────────────────┘

Pos: 원주 위치 (mm 단위, 3cm 최소값)
Dia: 자동 계산된 직경 (Pos ÷ π)

시리얼 명령어

시리얼 모니터 (115200 baud)에서 다음 명령 입력:

명령	설명	사용 예시
`R` or `r`	전체 리셋 (매핑 삭제, 대기 모드로)	엔코더 교체 시
`E` or `e`	Flash 메모리 완전 삭제	문제 발생 시
`Z` or `z`	영점 리셋 (위치를 3cm로)	측정 기준점 재설정

사용 예시:

시리얼 모니터에서 'R' 입력 → 엔터
→ LCD: "Waiting START..."
→ 매핑부터 다시 시작

고급 사용

정밀 측정 팁

매핑 시: 천천히 일정한 속도로 회전 (노이즈 최소화)
측정 시: 빠른 회전도 가능 (링 버퍼가 처리)
방향 전환: 순방향/역방향 자유롭게 가능

직경 측정 활용

실제 사용 예시:
- 파이프 외경 측정
- 롤러 지름 측정
- 원형 부품 검사

계산식:

위치(mm) = 누적 스텝 × 0.05mm
직경(mm) = 위치(mm) ÷ π

🔧 기술 세부사항

Gray Code란?

정의: 인접한 두 값이 1비트만 차이나는 이진 코드

장점:

노이즈에 강함 (다중 비트 동시 변화 없음)
절대 위치 인코더에 이상적
전원 꺼져도 위치 유지

6비트 Gray Code 예시:

Decimal  Binary   Gray Code
0        000000   000000
1        000001   000001
2        000010   000011
3        000011   000010
4        000100   000110
...
63       111111   101000

성능 사양

항목	사양
분해능	64단계 (6비트)
단계당 거리	0.05mm (설정 가능)
최대 회전 속도	~1000 RPM (링 버퍼 크기에 따라)
ISR 응답 시간	~2μs
LCD 갱신 주기	100ms
위치 범위	3cm ~ 무제한
Flash 쓰기 횟수	~100,000회 (ESP32 Preferences)

에러 처리

1. Wrap-around 보정

// 63 → 0 또는 0 → 63 전환 감지
if(abs(rawStep) == 7 && hammingDistance == 1) {
  normStep = (rawStep > 0) ? +1 : -1;
}

2. 노이즈 필터링

해밍 거리 검사: 비트 변화 수가 2 이상이면 의심
링 버퍼: 순간적 노이즈 버스트 흡수

3. 최소 위치 클램핑

if(position_mm < 3.0f) {
  position_mm = 3.0f;
  accumSteps = 0;
}

🐛 문제 해결

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. LCD에 아무것도 표시되지 않습니다

원인:

I2C 주소 불일치
연결 불량

해결 방법:

I2C 스캐너로 주소 확인:

// I2C Scanner 예제 실행
// Tools → Examples → Wire → i2c_scanner

LCD 주소 수정:

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);  // 0x27을 찾은 주소로 변경

SDA/SCL 연결 확인:
```
GPIO21 → SDA
GPIO22 → SCL
```

Q2. 매핑이 완료되지 않습니다 (64개 미만에서 멈춤)

원인:

센서가 특정 코드를 읽지 못함
디스크 패턴 오류

해결 방법:

시리얼 모니터 확인:

[NEW] code=12 -> idx=12
[NEW] code=13 -> idx=13
...

누락된 코드 찾기
센서 위치/감도 조정
필요시 매핑 리셋: R 명령

Q3. 위치가 튀거나 부정확합니다

원인:

센서 노이즈
너무 빠른 회전
센서 정렬 불량

해결 방법:

풀업 저항 추가 (10kΩ)
센서와 디스크 간격 최적화 (1~3mm)

디버그 출력 활성화:

Serial.printf("code=%d idx=%d step=%d\n", code, idx, normStep);

Q4. 재부팅 후 매핑이 사라졌습니다

원인:

Flash 저장 실패
Preferences 공간 부족

해결 방법:

시리얼에서 확인:

[FLASH] Mapping saved  ← 이 메시지 확인

Flash 초기화:
```
시리얼에서 'E' 입력
```
매핑 다시 수행

Q5. 위치가 3cm 아래로 내려갑니다

정상 동작: v5에서는 3cm가 최소값입니다.

변경 방법:

// 최소 위치 변경
const float MIN_POS_CM = 0.0f;  // 3.0f → 0.0f

// clampToMinOffset() 함수에서 확인

하드웨어 이슈

센서 감도 문제

증상: 일부 비트가 항상 0 또는 1
해결:
- 광센서: 거리 조정 (1~2mm)
- 홀센서: 자석 강도 확인

전원 노이즈

증상: 랜덤한 코드 변화
해결:
- 100μF 커패시터 추가 (5V-GND)
- 센서 전원 별도 분리

I2C 통신 오류

증상: LCD가 간헐적으로 멈춤
해결:
- SDA/SCL 풀업 저항 확인 (4.7kΩ)
- I2C 속도 낮추기:
```
Wire.setClock(100000);  // 400kHz → 100kHz
```

📝 시리얼 디버그 출력

정상 작동 시

UltraFast ENC
[RESET] Waiting for START(000000/111111)
[START] code=0 -> index=0
[NEW] code=1 -> idx=1
[NEW] code=3 -> idx=2
...
[NEW] code=2 -> idx=63
[FLASH] Mapping saved
Position: 15.30cm, Diameter: 4.87cm

재부팅 시 (매핑 로드)

UltraFast ENC
[FLASH] Mapping loaded (64/64)
Position: 3.00cm, Diameter: 0.95cm

명령 실행

> R
[RESET] Waiting for START(000000/111111)

> E
[FLASH] Cleared

> Z
Position reset to 3.00cm

🔬 확장 아이디어

가능한 개선사항

더 높은 분해능
- 8비트 엔코더 사용 (256단계)
- 멀티턴 엔코더 추가 (회전 수 카운트)
무선 데이터 전송
- ESP32 WiFi/Bluetooth 활용
- 실시간 데이터 로깅
다축 시스템
- 여러 엔코더 동시 모니터링
- X-Y-Z 좌표계
자동 캘리브레이션
- 알려진 직경으로 스케일 보정
- 온도 보상

🤝 기여 및 지원

버그 리포트, 기능 제안을 환영합니다!

프로젝트 관련 문의사항이 있으시면 Issue를 등록해주세요.

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ESP32 Gray Code Absolute Encoder

📋 목차

✨ 주요 특징

🚀 초고속 처리

📊 정밀 측정

💾 자동 캘리브레이션

🖥️ LCD 실시간 표시

🔌 하드웨어 구성

필요 부품

시스템 요구사항

📊 핀 연결도

ESP32 핀아웃

상세 연결표

Gray Code 엔코더 연결

I2C LCD 연결

회로도

🏗️ 시스템 아키텍처

데이터 흐름

상태 머신

핵심 알고리즘

1. Gray Code 디코딩

2. 자동 매핑 학습

3. 위치 계산 (에러 보정 포함)

4. 직경 자동 계산

🚀 설치 방법

1. 개발 환경 설정

Arduino IDE 설정

필요 라이브러리 설치

2. 하드웨어 조립

엔코더 디스크 준비

센서 배치

3. 코드 업로드

💡 사용 방법

초기 설정 (첫 사용)

1. 전원 켜기

2. 자동 매핑 시작

3. 1회전 완료

4. 측정 시작

일반 사용 (매핑 완료 후)

LCD 화면 읽기

시리얼 명령어

고급 사용

정밀 측정 팁

직경 측정 활용

🔧 기술 세부사항

Gray Code란?

성능 사양

에러 처리

1. Wrap-around 보정

2. 노이즈 필터링

3. 최소 위치 클램핑

🐛 문제 해결

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. LCD에 아무것도 표시되지 않습니다

Q2. 매핑이 완료되지 않습니다 (64개 미만에서 멈춤)

Q3. 위치가 튀거나 부정확합니다

Q4. 재부팅 후 매핑이 사라졌습니다

Q5. 위치가 3cm 아래로 내려갑니다

하드웨어 이슈

센서 감도 문제

전원 노이즈

I2C 통신 오류

📝 시리얼 디버그 출력

정상 작동 시

재부팅 시 (매핑 로드)

명령 실행

🔬 확장 아이디어

가능한 개선사항

🤝 기여 및 지원

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