### 0.0.1 I2C 버스 락업(Lock-up) 현상 원인 및 하드웨어 풀업(Pull-up) 저항 용량 최적화 계산

PX4 기반 소형 멀티로터 설계 현장에서 마르고 닳도록 접수되는 추락 사일로(Silo) 원인 중 하나가 바로 하단 라이다(Lidar)나 외부 나침반 센서가 사용하는 I2C 버스의 치명적인 통신 마비(Lock-up/Hang) 현상이다.

I2C 버스 락업(Lock-up)의 기전

I2C 통신 프로토콜은 SCL(Clock)과 SDA(Data) 단 두 가닥의 선을 여러 장치가 공유하는 오픈 드레인(Open-Drain) 비동기 버스다. 아무도 데이터를 보내지 않을 때 선로 핀은 공중에 떠 있게 되므로, 이를 높은 전압( $3.3V$ )으로 끌어당겨 주기 위해 반드시 풀업 저항(Pull-up Resistor) 이 매달려 있어야 한다.
문제가 발생하는 원인은 ‘선(Wire)의 길이’ 구조 때문이다.

하향 라이다는 짐벌이나 다리 아랫부분에 달아야 하므로, 비행 제어기(Pixhawk 등)로부터 I2C 케이블 선이 평소보다 길게(예: $20cm$ 이상) 뻗어 나가게 된다. 케이블이 길어지면 두 선 간격에 일종의 거대한 ‘기생 커패시턴스(Parasitic Capacitance, $C_p$ )’ 용량이 축적된다.
이 기생 용량 때문에 신호가 $Low(0V)$ 에서 $High(3.3V)$ 로 튕겨 올라갈 때 날카로운 사각파( $Square \ Wave$ )를 그리지 못하고 둥글고 긴 꼬리를 그리는 라이징 타임 지연(Rise Time Degradation)이 발생한다.
바로 이때 ESC 스위칭 노이즈 스파이크(EMI)가 긴 I2C 선율을 안테나 삼아 찌르고 들어오면, 둥글어진 파형의 경계선(Threshold) 부근에서 $0$ 인지 $1$ 인지 칩셋이 혼동하게 된다. 결과적으로 슬레이브(센서) 디바이스가 ACK 비트를 놓아주어야 할 타이밍을 착각하여 SDA 라인을 그라운드( $0V$ )로 무한정 영원히 잡고 놓치지 않는 상태, 이른바 I2C Bus Lock-up (버스 질식) 상태에 돌입하는 것이다. I2C 버스가 뻗으면 같은 버스에 몰린 모든 고도 센서, 나침반이 동반 정지되어 쿼드콥터는 요/고도 제어 상실로 그 자리에서 격추된다.

풀업 저항 용량 최적화를 통한 물리적 버스 구제망

이 절망적인 EMI/정전기 락업 지옥을 부수는 가장 훌륭한 해법은 펌웨어 예외처리가 아니라, 순수한 하드웨어의 저항값 커스터마이징에 있다.

RC 값 최소화 전략: 라이징 타임 지연( $\tau = R_{pullup} \times C_{parasitic}$ )을 무찌르려면 선의 길이( $C_p$ )를 줄일 수 없는 이상, 풀업 저항값( $R_{pullup}$ ) 자체를 현격히 낮게 찍어내려 전압 회복 속도를 예리한 칼날 파형으로 날렵하게 깎아주어야 한다.
Pixhawk 내부 구동 버스는 기본적으로 약 $10k\Omega \sim 4.7k\Omega$ 급의 안전 위주 저항이 박혀 있다. 하지만 I2C 멀티 포트 케이블이 $20cm$ 이상 길어지는 환경에서는 이 저항치를 무시하고 외부에 강력한 $2.2k\Omega$ 혹은 심할 경우 $1.5k\Omega$ 급 강풀업(Strong Pull-up) 저항 모듈을 I2C Splitter 보드 양단 버스 극성에 병렬 전원 납땜 결선해야만 한다.

적절한 풀업 강도의 최적화( $2.2k\Omega$ 대역 개조)는 라인 파형의 RC 시정수 둥근 꼬리를 날카롭게 분쇄해 주며, EMI 외란 노이즈가 SCL/SDA 임계전압을 뚫고 들어오지 못할 정도로 짱짱한( $Stiff$ ) High-Level 토크를 유지하는 최후 최고의 물리 방어 메커니즘을 제공한다.