옆길로 샌 Ardule Project - USB MIDI host 만들기는 좌절과 극복의 연속이었다

아두이노 우노 R3 입문 키트(KEYES KT0001)를 주문한 것이 2020년 10월(관련 글). 최근 약 1년 동안은 이 키트와는 별도로 구입한 아두이노 나노 '클래식'과 아두이노 나노 에브리를 사용한 MIDI 컨트롤러 및 드럼 패턴 플레이어를 만드느라 몰두하였었다. GitHub에도 문서와 코드를 비롯한 거의 모든 자료를 올려 두었다. 프로젝트명은 Ardule Project - Arduino Nano-based Drum Patternology Ecosystem이다.

아두이노 식구 중에서 가장 먼저 구입했던 아두이노 우노는 초창기에 몇 번의 간단한 실습을 한 것 외에는 별다른 용도를 찾지 못하고 있었다. (Nano) Ardule의 곁다리 프로젝트로서 계획한 것은 USB MIDI host이다. USB 단자밖에 없는 MIDI controller keyboard를 DIN 5-pin MIDI 커넥터만 갖고 있는 MIDI 사운드 모듈에 연결하여 실시간 연주를 할 수 있는 중간 '어댑터'에 해당하는 것을 만들고 있었다. PC와 USB MIDI cable이 있으면 된다. 이러한 경우 신호의 방향을 반대로 할 수도 있다. 하지만 컴퓨터가 없으면 매우 곤란하다. 

아직도 쉽게 구할 수 있는 USB MIDI 케이블. 실은 MIDI 인터페이스에 해당한다.

아두이노 우노의 생태계에는 위에 포개어 장착하여 기능을 확장할 수 있는 다양한 'shield'가 존재한다. USB host shield와 MIDI shield만 있으면 납땜 작업을 전혀 하지 않고 원하는 일을 이룰 수 있을 것이라 생각했다.

그런데 그게 아니었다.

첫 좌절은 아두이노 우노 + USB host shield를 연결하고 여기에 USB MIDI keyboard controller를 연결했을 때 건반이 전혀 인식이 되지 않았었다. 이는 USB host shield가 기본 구성으로는 자체 USB-A 커넥터로 5V를 내보내지 않기 때문이었다. 보드 내에서 두 군데의 패드를 납으로 이어야 한다는 사실 앞에서 첫 좌절을 겪었(관련 글).

두 번째 좌절. 아두이노 우노와 USB host shield는 양 옆 가장자리의 커넥터 외에도 ICSP(In-Cirtuit Serial Programming)라는 6핀 헤더를 통해 연결된다. 아두이노 우노에는 핀이, 위에 포개어 놓는 USB host shield에는 소켓이 위치한다. 그런데 보드 두 장을 포개어 ICSP 커넥터를 완전히 밀착하더라도, 좌우의 핀은 끝까지 끼워지질 않는다. 이것 때문에 USB host shield에 건반을 꽂아도 인식이 되다말다 하는 일이 벌어졌다. 좌우의 핀 배열을 통해 +5V가 확실하게 공급되어야 하기 때문이다.

USB host shield의 ICSP 핀헤더 소켓(2x3)이 문제다.  너무 높다!

처음에는 이 접촉 문제를 가벼이 여기고 전원이 충분하지 않다고 생각했다. PC->USB 커넥터로 공급되는 5V의 전류에는 한계가 있으니, 2A 이상의 대전류를 흘릴 수 있는 5V 전원을 마련하여 아두이노 우노의 +5V 핀에 공급하기로 하였다. 아두이노 우노의 소켓에는 USB host shield가 꽂혀야 하니 납땜을 통해 전원 공급선을 별도로 빼야 한다. DC 어댑터 잭에 약간 높은(예: 7V~9V) 전원을 넣으면 전선 피복을 벗기고 납땜을 하지 않아도 되겠지만, 전압차가 클 경우 내부 레귤레이터가 너무 무리를 하게 된다. 전압차는 전부 열로 바뀌기 때문이다. 

하필이면 내가 갖고 있는 어댑터는 5V와 12V뿐이다. 후자를 이용할 경우, 부품통에 굴러다니는 스텝다운 모듈을 쓰면 된다. 그리고 PC쪽의 USB를 통한 전원과 독립 전원을 동시에 연결하면 좋지 않다는 의견이 있어서 PC쪽에서는 5V를 공급하지 못하도록 케이블을 개조하기로 하였다. 정확히 말하자면 케이블을 개조하는 것이 아니라 USB 케이블 어댑터를 새로 만들었다. 시중의 USB 케이블은 커넥터와 선재가 거의 일체형태라서 작업을 하기가 불편하기 때문이다. 알리익스프레스에서 DIY용 USB 커넥터를 별도로 구입하느라 며칠이 소요되었다. 기기 보호를 위해 데이터는 차단하고 충전만 되는 USB 케이블용 어댑터는 비교적 흔하다. 

전원 차단형 USB 케이블 어댑터 만들기. 커넥터는 나사가 아니라 접착제로 붙여야 한다. 정말 오랜만에 플라스틱 모델용 접착제 'TAMIYA CEMENT'를 꺼냈다. 아마 25년은 족히 묵었을 것이다. 수축 튜브를 케이블 중간 부분에는 씌우지 않는 실수를 범하였다.

아두이노 우노의 아랫쪽에서 전원과 그라운드를 위한 선을 납땜하였다. 그러나 이것으로 충분하지 않았다. 아두이노와 USB host shield의 핀 접촉이 완벽하지 못하다. 이보다 더 밀착해야 한다!

어쨌든 충분한 전류를 흘릴 수 있는 전원장치까지 연결하였는데 키보드 인식이 매우 불안하였다. 몇 번의 실험을 거친 최종 결론은 두 보드 좌우의 핀/소켓 어레이가 완전히 밀착하지 않은 데에 원인이 있다는 것이었다. USB host shield의 ICSP 소켓을 제거한 뒤에 아두이노 우노와 연결할 방법을 고민하였다. 그렇지! IC 소켓 하나를 반으로 잘라서 쓰면 되겠구나. 원형 IC 소켓 스트립도 갖고 있었지만 핀이 도저히 들어가지 않았다.

왼쪽부터 MIDI shield, 소켓을 개조한 USB host shield, 그리고 아두이노 우노. 개조를 하지 않은 실드도 보이고 있다.

ICSP 커넥터 체결에 대한 오해 때문에 USB host shield도 두 개를 보유하게 되었다. 원래 갖고 있던 것은 2020년에 아두이노 우노 R3 키트를 살 때 들어 있었는지, 나중에 따론 산 것인지 잘 기억이 나지 않는다. 왜 최근에 실드를 하나 더 사게 되었나? 판단 착오의 흐름은 다음과 같다.

1. 어라? ICSP 커넥터 때문에 두 보드의 핀/소켓 헤더가 밀착되지 않네. ICSP 소켓을 실드에서 떼어 버리자!
2. 어라? ICSP 커넥터를 연결하지 않으면 안 되는 거였네... 원래 그렇게 좌우 핀/소켓이 들뜬 상태에서 쓰는 건가? 에이, 하나 더 사자.
3. 어라? 새로 산 보드는 작동이 되다 안되다 하네... 그러면 ICSP 소켓을 떼어버린 이전 shield를 쓰되 어떻게 해서든 아두이노 우노와 연결을 해야 되겠네. 흑흑...

여기까지 하여 USB 키보드를 연결한 뒤 키를 누르면 PC의 아두이노 IDE 시리얼 모니터에 이벤트가 출력되게 하는 것까지 성공하였다. 이제 MIDI shield를 통해 MIDI out 신호만 나가게 하면 될 것이라 기대하였다. 

모든 논의와 C++ 코드 설계는 챗GPT의 도움을 받았다. 이제 마지막으로 생각하고 펌웨어를 업로드하는데 뭐가 좀 이상하다. 업로드 과정에서 에러가 발생하는 것이었다. MIDI shield에 붙어 있는 용도 미상의 ON/OFF 슬라이드 스위치가 수상하였다. 세 번째 좌절이었다.

아두이노 나노 에브리와 달리 아두이노 우노 및 아두이노 나노 클래식은 펌웨어 업로드시 RX(D0)이 다른 곳에 연결되어 있으면 안 된다. 그래서 펌웨어 업로드 시에는 점퍼를 사용하는 등 별도의 수단을 강구해야 한다. 그리고 TX(D1)을 통해 UART MIDI 신호가 나가게 되므로 기본적으로 시리얼 모니터도 쓰지 못한다.

이 스위치를 OFF 위치에 놓으니 비로소 펌웨어 업로드가 성공하였다. 아마도 이 스위치를 ON으로 놓으면 는 DIN 5핀 커넥터로 들어오는 MIDI IN 신호를 RX 핀으로 보내는 기능을 하는 것으로 여겨진다.

MIDI IN을 쓰려면 스위치를 ON으로 놓을 것.

펌웨어 업로드가 되었지만 여전히 소리는 나지 않았다. USB-MIDI 신호의 파싱에 문제가 있었기 때문이다. 이것이 네 번째 좌절이었다. MIDI shield만을 이용하여 '도레미파솔라시도'를 무한 반복하는 코드를 테스트하면서 보드가 정상임을 먼저 확인한 뒤 문제를 해결해 나갔다.

무슨 말인지 나도 잘 모르겠음. 완벽하게 이해를 하지 못하더라도 학습을 위해 중간 단계마다 문서를 만들어서 잘 저장해 두었다. 

이렇게 몇 단계의 좌절을 거쳐서 드디어 USB 키보드 컨트롤러를 통해 롤랜드 사운드캔버스 SC-D70을 제어하여 소리를 낼 수 있었다. 보드 3장이 겹쳐져 있어서 맨 아래 아두이노 우노의 LED가 잘 보이지 않는다. 작동 상태를 표시할 겸 I2C 2004 LCD를 연결하였다. LCD 표시에 너무 충실하면 키보드 제어에 지연이 발생하기 때문에 몇 번의 최적화를 거쳤다. 

2004 LCD는 이 작은 기기에게 지나치게 크다. 1602 LCD 또는 0.96인치 OLED 디스플레이가 더 적합하겠지만 일단 갖고 있는 부품으로 작동을 확인하고 싶은 욕심이 컸다. 최종 개발품의 소형화를 위해 나중에 OLED 디스플레이를 써 보고 싶다.

케이스만 씌우면 실사용에 문제가 없는 수준이 되었다. 실은 DIY에서 케이스를 만드는 일이 가장 어려운 단계임은 누구나 잘 안다.

Nano Ardule 생태계 구축에 들인 수 개월 동안의 노력이나 숱한 좌절을 생각하면 이번 서브 프로젝트는 매우 빠르게 진척된 셈이다. 가장 시급한 기능 개선은 디스플레이를 가장 능률적인 것으로 확정하는 것이다. 하드웨어 버튼 같은 것은 달고 싶지 않다. 채널 리맵/레이어링 기능 등은 Nano Ardule MIDI Controller에 이미 충분히 구현되어 있으니 이것을 다음에 연결하여 사용하면 된다.

이렇게 Ardule 세계의 장난감이 하나 둘 늘어나고 있다.