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ESP8266  –  The Wrong Solution or Good…

요즘 많이 사용하는 ESP8266을 고속 통신이 필요해서 테스트를 해보았습니다.

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인터넷 상에서, 너무 좋은 정보들이 많이 있기는 한데, 개인적으로 정말 필요했던, ESP8266 (ESP12, WROOM02)의 물리적인 속도는 어디까지 나오는가에 대한 정보를 찾을 수가 없었습니다.

그래서 직접 TCP/IP 성능을 직접 확인하기로 하고, 각종 테스트를 진행해보았습니다.

상황 , 전제조건

– 개인 프로젝트용으로 초당 1MB/s ​속도로 스트리밍이 되어야 함.

– STM32F4의 통신 모듈로 사용해야 함.

– 인터넷에 있는 내용은 전체가 그런것은 아니지만, 주객전도된 내용이 많음.
(16Mhz Atmega가 80,160Mhz ESP8266을 통신 모듈로 사용해서,  배보다 배꼽이 더 큼.

Atmega가 나쁘다는 것이 아니고, ESP8266 성능이 상대적으로 너무 뛰어남. 접근성에서 Atmega가 좋은 것은 인정)

– STM32F4는 두가지 모드로 작동(On-Air , Disk저장, 저장 장치는 SDCard사용- SDIO I/F)

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주의

bps = bit / sec ,   Bps = byte /sec

실험 결과

– AT Command 방식으로는 해결 않됨. (성능을 향상하기 위해서, Firmware 직접 작성 필수)

 – ESP8266ex는 160Mhz 클럭사용해야 함.

 –  시스템 성능테스트를 위해서, PC를 사용할 경우, FT232BM 대신, 빠른 USB-Uart 컨버터 사용해야함.
(  PC상에서 Packet을 Push해서 ESP8266이 Crash되지 않도록 작성해야함)

 – STM32F4 (168Mhz) 사용할 경우, UART는 10.5Mbps까지 가능 (USART1,6사용시), 나머지 Uart,Usart는 5.25Mbps까지 가능

 – ESP8266 Uart는 9Mbps까지는 가능

    ( PC로 테스트하기 위해서는 PL2303HXD를 사용해야 함, FT232BM 사용시 장비 최고 속도 미만인 관계로, 테스트 불가)

–  ESP8266 단독 실행시 1.4MB/s 정도까지 전송속도가 보장됨 (잘 작성했을 경우)

–  STM32F4의 경우, USART를 사용해도 연동시 7Mbps정도만 가능 (보드에 따라서 성능차이 발생함)

Resampling x8 사용시, x16 사용시 5Mbps까지 가능

– 고속 연동을 위해서는 SPI를 사용해야함.

SPI 통신의 문제점을 해결하기 위해서, Uart도 사용해야 함.  (Master : ESP8266 / Slave : STM32F4 )

잘 작성을 한다면, SPI만으로도 가능하지만, 응답을 받는 ESP8266 CPU 낭비를 없애기 위해서

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기본 구성도는 …​

PC(Mobile) -> Wifi -> ESP8266 -> SPI -> STM32 (Receive)

Uart <- STM32 (Send)

– ESP8266 코드 작성시, 프로토콜의 특성상, TCP<->Uart Transparent Bridge 예제와 같이 작성하면 망함.

(TCP/IP Nagle때문에, 비대칭 송수신 통신일 경우, 패킷을 모아주어야 함, 특히 무선인터넷에서는 잘못 작성할 경우, 10배정도 차이가

발생할 수도 있음.  응답은 한개의 패킷으로  / 개인 프로젝트에서 비대칭 (PC->Embedded System (패킷多),

Embedded System->PC(패킷小) )

 

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최종 결론 (/w STM32F4)

– 1MBps가 요즘 장비(예. 단말기 – 휴대폰)에서는 저속이나, Embedded 장비에서는 매우 고속임 (bit로 환산할 경우, 10Mbps)

(cf. 115200bps ~= 11520Bps =  11.5KBps)

– 고속 통신을 하려면, Interrupt 방식은 Cortex M4라도 절대 사용하면 않됨

(모두 DMA방식을 사용해야함)

– SDIO는 DMA Stream,Channel이 고정되어 있으므로, DMA 매핑을 할때 0순위로 선정되어야 함.

– DMA 방식으로 적당히 작성시, 100KBps정도까지 가능

– Optimized State Machine으로 작성할 경우, 500KB까지 가능

(손발이 오그라질때까지 최적화를 할 경우, 900KB까지 가능할 것으로 예상)

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– Display에서는 FPS, RPS가 구별되어야 함

RPS (Refresh Rate / Sec) : 초당 화면 갱신율 (H/W적으로 업데이트 가능한)

FPS (Frame Rate/ Sec) : 초당 화면 전환 (S/W적으로 — 일반적인 용도)

컨텐츠를 플레이하지 않을 경우, 순수 화면 갱신율을 RPS로 정의해야 함. (예. 숫자만 출력되게 한다면, 1000 RPS가 될 수도 있음)

컨텐츠를 플레이할 경우에는 시스템 전반적인 성능으로 화면이 전환됨. (60FPS, 1200RPS라고 한다면, 1화면이 20면 반복출력되는 것임)

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RPS와 FPS는 서로 Sync가 맞아야 함. FPS시간이 RPS사이에 끼어들면, 화면에 줄이가는 현상이 보여짐

특히 전광판같이 1/4,1/8,1/16 Duty를 갖는 경우, 카메라로 찍으면 눈으로 보이는 것과는 다르게 몇개의 줄만 나오는 것을

확인 할 수 있음 (방송용 카메라에서 고속 프레임으로 찍을 경우 발생, 이 현상을 방지하기 위해서는 1000RPS이상을 지원해야 함.

일반적 검증을 위해서는 iOS AVCamManual 같은 예제를 컴파일해서 설치한 후, Exposure(노출)에서 ISO나 Duration조정을

해보면 됨/ 또한 컬러 LED전광판의 경우, 고속 제어를 할 경우, Ghost Effect가 발생을 함(잔류 전류가 다른 LED를 키는 현상)

이런 부분은 bypass할 수 있는 저항을 달거나 신형 드라이버를 사용하거나, S/W적으로 역계산 함으로 해결 가능함)

발상의 전환

LED를 센서로 사용할수도 있음 (검색어 : LED as Light Sensor , LEDs to Detect Light)

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느낌점

– 하드웨어가 $2이라도, $1000 소프트웨어가 붙어서, $10000 제품이 될 수도 있음.

정말 공개 소프트웨어 개발자분들을 존경해야 함.

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참고. UART 통신 속도