8. 스테퍼 — 파이썬으로 하면 안 되는 일 · 유박사의 mRNA 백신 합성기 펌웨어 첫걸음

이 강의에서 파이썬으로는 안 된다고 말하는 유일한 자리입니다. 그런데 안 되는 이유가 여러분 짐작과 다를 수 있습니다.

펄스 폭은 문제가 아니다

드라이버	STEP 최소 HIGH	최소 LOW
A4988	1 µs	1 µs
DRV8825	1.9 µs	1.9 µs

1~2 마이크로초는 아무것도 아닙니다. 파이썬이 한 줄 실행하는 시간이 이미 그보다 깁니다. 문제는 폭이 아니라 간격입니다.

스텝 속도와 멈춤(지터)을 밀어 보세요. 놓친 스텝이 위치 오차로 어떻게 쌓이는지 보입니다.

불러오는 중…

평균이 아니라 최악을 봐야 합니다. 한 번의 멈춤이 조용히 위치를 옮깁니다.

Python 브라우저에서 실행

# 쓰레기 수집이 한 번 끼어들면 스텝을 몇 개 놓치나.
import numpy as np

step_hz   = 2000            # 초당 2000 스텝을 목표로 한다
dt        = 1 / step_hz     # 스텝 간격 0.5 ms
pause_ms  = [0.5, 5, 20, 100]

print("목표 %d 스텝/초 → 간격 %.2f ms" % (step_hz, dt * 1000))
print()
print("%-14s %-14s %-16s" % ("멈춤", "놓친 스텝", "리드 2mm 기준 오차"))
for p in pause_ms:
    missed = max(0, int(p / 1000 / dt) - 1)
    # 1/8 마이크로스텝, 리드 2 mm, 200 스텝/회전
    mm = missed * 2 / (200 * 8)
    print("%8.1f ms %10d 개 %14.3f mm" % (p, missed, mm))
print()
print("한 번의 100 ms 멈춤이 위치를 0.2 mm 옮긴다. 그리고 아무도 모른다.")
print("여덟 시간 공정에서 이런 일이 몇 번 일어날지 '보장' 할 방법이 없다.")
print()
print("→ 그래서 답은 '더 빨리 만들기' 가 아니라 '파이썬 밖으로 내보내기' 다.")

예전의 탈출구가 막혔다

옛날 강좌의 답은 pigpio 의 DMA 파형이었습니다. CPU 를 거치지 않고 하드웨어가 펄스를 뿌리니 지터가 없었습니다. 그런데—

pigpio

Pi 5 를 지원하지 않습니다. 그리고 마지막 배포가 2020년입니다. 인터넷 스테퍼 예제의 대부분이 이 위에 서 있습니다.

RP1 의 PIO

Pi 5 에는 PIO 하드웨어가 있습니다. 그런데 C 전용입니다 — 파이썬 바인딩이 없습니다.

즉 파이썬 층에서 하드웨어 타이밍 펄스를 만들 길이 지금은 없습니다.

구조를 바꾸면 지켜야 할 시간이 사라집니다. 이것이 이 강의가 권하는 길입니다.

Python 브라우저에서 실행

# '설정값을 보내는' 구조는 코드가 오히려 단순해진다.
class StepperDriverDirect:            # 파이썬이 펄스를 만든다 (하면 안 되는 쪽)
    def move(self, steps, hz):
        for _ in range(steps):
            ...                        # 여기서 시간을 지켜야 한다 ← 불가능
        return "지터에 무방비"

class StepperDriverSmart:             # 컨트롤러에 뜻만 보낸다 (해야 하는 쪽)
    def __init__(self, link): self.link = link
    def move(self, steps, hz):
        self.link.send("MOVE %d %d" % (steps, hz))   # 한 줄
        return self.link.wait_done(timeout=30)       # 끝났는지만 묻는다

class MockLink:
    def __init__(self): self.sent = []
    def send(self, s): self.sent.append(s)
    def wait_done(self, timeout): return "완료"

link = MockLink()
drv = StepperDriverSmart(link)
print("결과:", drv.move(4000, 800))
print("보낸 것:", link.sent)
print()
print("파이썬이 지켜야 할 시간이 사라졌다. 30초 타임아웃만 남는다.")
print("타임아웃은 밀리초 정밀도가 필요 없으므로 파이썬이 넉넉히 감당한다.")

🤔 확인 문제

파이썬으로 스테퍼 펄스를 만들면 안 되는 까닭은?

🤔 확인 문제

Pi 5 에서 예전 스테퍼 강좌를 그대로 못 쓰는 까닭은?

해설 인터넷 예제 대부분이 pigpio 의 DMA 파형 위에 서 있습니다. 그 길이 Pi 5 에서 막혔고, PIO 는 C 전용이라 파이썬 대안이 없습니다.