손쉬운 출력포트 확장 – 74HC595

출처: https://m.blog.naver.com/cubloc/220121191648

출력포트가 무지막지하게 많이 필요한 어플리케이션이라면 어찌 하시겠습니까?

I/O가 많은 MCU는 가격도 비싼 편입니다. 단순하게 출력포트만 더 필요하다면 시프트 레지스터 74HC595 를 기억해 두십시오.

MCU와 단 3가닥으로 연결되며, 서로 연결할 수도 있습니다.

(74HC595 데이터 시트 보기)

원리는 이렇습니다.

MCU에서 클록과 데이터 핀으로 어떤 값을 보내면, 하나씩밀려서 74HC595 안에 기억됩니다. 이값을 LATCH (잡아두는역할) 하게 되면, 8개의 포트로 출력됩니다.

큐블록에서도 74HC595를 사용해서 출력포트를 확장하실 수 있습니다.

시프트 레지스터 사용방법 (Shift Register, 74HC595, 74HC165)

출처: https://www.hardcopyworld.com/?p=2826

LED 하나를 켜기 위해서 아두이노 디지털 핀 하나를 사용합니다. 하지만 LED가 8개 라면? 디지털 핀 8개 사용하면 됩니다. 하지만 16개 혹은 그 이상이 된다면? 이처럼 사용해야 할 디지털 출력의 수가 많을 때 “시프트 레지스터(shift register)”를 사용하게 됩니다.

시프트 레지스터는 다른 이름으로 Serial to Parallel Converter 로 불립니다. 시리얼(직렬)로 입력되는 데이터를 패러럴(병렬)로 바꿔준다는 얘기입니다. 이걸 보기 편하게 이미지로 나타내면 아래와 같습니다.

시프트 레지스터에게 데이터가 전달된다고 알려주는 클럭(clock) 신호와 함께 8개의 핀 출력이 어떻게 되는지 알려주는 시리얼 데이터를 일렬로 보내줍니다. 첫 번째 핀만 on 시키고 싶다면 [1000 0000] 신호를 보내면 되겠죠. 그러면 시프트 레지스터는 8개의 신호를 받아 8개의 핀을 신호에 맞게 출력해줍니다. 이런 방식으로 사용하면 그림처럼 2 개의 핀으로 8개 혹은 그 이상의 핀을 제어할 수 있습니다. (실제로는 제어선 3개를 사용합니다.)

LED 출력 뿐 아니라 수십개의 버튼 입력을 받을 때도 시프트 레지스터를 사용할 수 있습니다. 버튼 입력을 받을 때는 동작이 반대로 되겠죠. 그래서 시프트 레지스터는 두 개로 나뉩니다. SIPO(Serial In Parallel Out) 방식과 PISO(Parallel In Serial Out) 방식입니다.

전자는 LED 8 개 혹은 그 이상의 출력을 한 번에 제어할 수 있고 74HC595 칩을 사용합니다.

후자는 버튼 8 개 이상의 입력을 받을 수 있고 74HC165 칩을 사용하면 됩니다.

먼저 74HC595 칩을 이용해서 LED 8개를 제어하는 예제부터 테스트 하겠습니다.

SIPO – 74HC595 핀 구조 및 동작

먼저 74HC595N 칩이 가진 16개의 핀이 어떤 핀인지부터 알아야 합니다.

1~7, 15 (Q0~Q7)
출력을 제어하고 싶은 8개의 핀입니다. LED 를 제어하고 싶다면 Q0~Q7까지 순서대로 연결해야 합니다.
14 (DS, Data pin)
클럭 신호에 맞춰 데이터가 전송되는 핀입니다.
13 (OE, Output Enable)
출력 핀 전체를 한번에 on/off 시키고 싶을 때 사용합니다. 이 핀을 PWM 핀에 연결해주고 PWM 신호를 주면 LED 밝기 조절이 가능합니다. 이 핀은 active low 상태로 사용하기 때문에 굳이 사용치 않을 때는 아두이노 GND 핀에 연결해주면 됩니다.
12 (STcp, Storage(Latch) Register Clock pin)
시프트 레지스터가 수신한 데이터를 래치 레지스터(Latch register, 핀 제어값 저장공간)에 저장하도록 해주는 신호선
11 (SHcp, Shift Register Clock pin)
아두이노와 시프트 레지스터가 박자에 맞춰 데이터를 전송할 수 있도록 클럭 신호를 전송하는 핀입니다.
10 (MR, Master Re-clear)
리셋핀, Active low 이므로 반대로 5V에 연결합니다.

11(SHcp) 핀에 의해 클럭 신호가 생성되면 이 신호에 맞춰 14(DS) 핀으로 8개의 데이터를 전송합니다. 즉, 클럭 신호가 HIGH 상태일 때 DS 핀의 신호도 HIGH 라면 1 이 전송된 것이고, 클럭 신호가 HIGH 일 때 DS 핀의 신호가 LOW 라면 0 이 전송된 것입니다.

이렇게 8개의 신호가 전달되면 시프트 레지스터는 수신한 값을 Storage(Latch) register 라는 저장공간에 넣습니다. 이후에는 Storage(Latch) register 에 저장된 값에 따라 8개의 Q0~Q7 출력이 변화하게 됩니다.

이때, Storage(Latch) register 값을 외부에서 변경한다는 신호도 보내줘야만 레지스터 값이 바뀝니다. 그래서 데이터를 전달하기 전에 12(STcp) – latch 핀을 LOW 상태로 바꿔주고 데이터 전송이 끝났을 때 HIGH 상태로 다시 돌려둡니다.

연결 방법

조금 복잡하지만 아래 순서로 연결합니다. 먼저 아두이노 5V, GND 핀을 브레드보드에 연결한 다음 74HC595 칩에 연결합니다.

16 (VCC) –> 5V
10 (MR) –> 5V
8 (GND) –> GND
13 (OE) –> GND

이제 3개의 데이터, 클럭, latch 클럭 핀을 아두이노의 디지털 핀 3개에 연결합니다. (변경 가능)

11 (SHcp, clock) –> D12
12 (STcp, latch clock) –> D8
14 (DS, data) –> D11

여기에 8개의 저항을 이용해서 Q0~ Q7 까지 LED를 연결해주면 됩니다.

(위 그림에서 12(STcp) – GND 사이의 1uF 커패시터는 생략해도 될듯?)

스케치

간단한 예제부터 테스트…


/*
Adafruit Arduino - Lesson 4. 8 LEDs and a Shift Register
*/
 
int latchPin = 8;      //Pin connected to ST_CP of 74HC595
int clockPin = 12;   //Pin connected to SH_CP of 74HC595
int dataPin = 11;    //Pin connected to DS of 74HC595
 
byte leds = 0;
 
void setup() {
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);  
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  leds = 0;
  updateShiftRegister();
  delay(500);
  for (int i = 0; i < 8; i++)  {
    bitSet(leds, i);
    updateShiftRegister();
    delay(500);
  }
}
 
void updateShiftRegister() {
   digitalWrite(latchPin, LOW);
   shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds);
   digitalWrite(latchPin, HIGH);
}

Adafruit Arduino - Lesson 4. 8 LEDs and a Shift Register

int latchPin = 8; //Pin connected to ST_CP of 74HC595

int clockPin = 12; //Pin connected to SH_CP of 74HC595

int dataPin = 11; //Pin connected to DS of 74HC595

byte leds = 0;

void setup() {

pinMode(latchPin, OUTPUT);

pinMode(dataPin, OUTPUT);

pinMode(clockPin, OUTPUT);

}

void loop() {

leds = 0;

updateShiftRegister();

delay(500);

for (int i = 0; i < 8; i++) {

bitSet(leds, i);

updateShiftRegister();

delay(500);

}

void updateShiftRegister() {

digitalWrite(latchPin, LOW);

shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

}

1 byte 크기의 변수인 leds 를 구성하는 비트대로 8개의 LED 를 on/off 합니다. 스케치에서 leds 값이 다른 방식으로 변경되도록 응용해서 사용해보세요.

스케치에서 가장 중요한 부분은 아래 코드입니다. 실제 시프트 레지스터를 제어하는 부분입니다.


void updateShiftRegister() {
   digitalWrite(latchPin, LOW);
   shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds);
   digitalWrite(latchPin, HIGH);
}

void updateShiftRegister() {

digitalWrite(latchPin, LOW);

shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

}

먼저 데이터를 시프트 레지스터로 전송하기 전에 Storage register clock pin (latch pin) 의 상태를 LOW 로 바꿔줘야 합니다. 데이터 전송이 끝나면 다시 HIGH로 바꿉니다.

데이터를 전송할 때는 아두이노가 제공하는 shiftOut() 함수를 사용하면 됩니다. shiftOut() 함수는 4개의 값을 넣어줘야 하는데 순서대로 아래와 같은 의미입니다.

dataPin : DS 핀 넘버
clockPin : Clock 핀 넘버
LSBFIRST : LSB(Least Significant Bit) 비트부터 전송. 즉, 1byte 데이터 중 가장 오른쪽의 데이터부터 전송한다는 의미입니다. MSBFIRST (Most Significant Bit) 을 사용해도 됩니다. 이때는 LED on/off 가 반대로 바뀌겠죠
leds : 8개의 비트 상태값을 담은 1byte 데이터

스케치를 실행해보면 아래처럼 동작합니다.

여러개의 시프트 레지스터 연결

2개 이상의 시프트 레지스터를 연결해서 제어가능한 출력의 수를 늘릴 수 있습니다.

이때는 아래처럼 연결됩니다.

2 번째로 추가한 시프트 레지스터 칩도 첫 번째와 유사하게 연결하는데 데이터 전송과 관련된 아래 3 핀을 다르게 연결해주면 됩니다.

Shift Register 1 –> Shift Register 2
11 (SHcp, clock) –> 11 (SHcp, clock)
12 (STcp, latch clock) –> 12 (STcp, latch clock)
9 (Q7”, serial out) –> 14 (DS, data)

이렇게 연결하면 여전히 3개의 핀만 아두이노에 연결되지만 16개의 LED를 제어할 수 있습니다. 16개의 LED를 제어할 때에는 아래처럼 latch pin 을 LOW 로 바꾼 후, 데이터를 1byte 씩 두 번 보내면 됩니다.


    digitalWrite(latchPin, 0);
    shiftOut(dataPin, clockPin, 255);
    shiftOut(dataPin, clockPin, 255);
    digitalWrite(latchPin, 1);

digitalWrite(latchPin, 0);

shiftOut(dataPin, clockPin, 255);

digitalWrite(latchPin, 1);

라이브러리

shiftOut() 함수를 이용해 제어하기가 어려운 경우 혹은 7 segment 같은 장치를 좀 더 편하게 제어하고 싶은 경우 라이브러리를 이용하세요.

PISO – 74HC165 시프트 레지스터

SIPO 방식의 74HC595 와 거의 유사한 방식으로 사용이 가능합니다. 아래 링크를 참고하세요.

https://learn.sparkfun.com/tutorials/shift-registers

참고자료

SIPO – 74HC595 핀 구조 및 동작

연결 방법

스케치

여러개의 시프트 레지스터 연결

라이브러리

PISO – 74HC165 시프트 레지스터

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