필자 : 권대현 연구원
97년 한양대학교 전자공학과 졸업
2000년 한양대학교 전자공학과 석사
2000년∼현재 LG산전 중앙연구소 PLC연구팀
daehyunka@lgis.com
산업 자동화 시장환경이 아날로그에서 디지털 방식의 산업용 네트워크로 전환되고 있다.
디지털 방식은 다량의 신호를 원거리까지 전송할 수 있고 케이블 등 전송 기자재를 기존에 비해 5분의 1 정도 절감할 수 있어 인력 및 비용을 대폭 줄일 수 있기 때문이다. 또한 기기의 계측 기능도 향상시킬 수 있는 장점과 함께 안정성과 경제성을 인정 받으면서 선진국을 중심으로 산업용 네트워크의 채택이 빠르게 늘어나는 추세다.
네트워크로 I/O정보를 처리하는 기기인 리모트 I/O가 핵심기기로 대두되고 있는데 여기서는 세계 시장점유율 1위를 확보한 프로피버스 DP의 이론적인 배경과 전용 ASIC을 개발하기 위한 핵심 기능을 알아보자.
프로피버스 DP는 세가지로 구성된 프로피버스 계열 중의 하나로서 프로피버스는 적용 분야에 따라 FMS, DP 및 PA로 나뉜다. PA가 주로 아날로그 신호를 처리하는 공정 제어 분야에 적합한 반면 FMS와 DP는 주로 이산신호를 처리하는 제조 응용 분야에 적합하다. DP는 자동화 시스템과 분산된 주변 장치 사이에서 실시간이 요구되는 경우에 효율적이고 안정적인 I/O 통신을 제공한다. MAC 계층의 프로토콜로는 PC와 PLC 등의 복잡한 기능을 제공하는 마스터 노드간 통신을 위해서는 토큰 전달 방식을 사용하고, 마스터 노드와 간단한 I/O 시스템들과 같은 슬레이브 노드간 통신을 위해서는 마스터-슬레이브 방식을 사용한다.
프로피버스 DP의 프레임의 종류와 상태 천이에 대하여 알아보자.
첫번째로 프로피버스 프레임의 종류에는 매체 접근 권리를 나타내는 토큰 프레임, 다른 스테이션으로 데이터를 보내는데 사용하는 액션 프레임 그리고 액션 프레임에 대한 확인 또는 응답에 사용되는 확인/응답 프레임이 있다. 마스터 스테이션이 보낼 수 있는 프레임의 종류에는 토큰 프레임, 액션 프레임, 확인/응답 프레임이 있으며 슬레이브 스테이션은 확인/응답 프레임만을 보낼 수 있다. 필드버스 데이터 링크(FDL) 레이어에서 사용되는 프레임의 구조 및 종류는 다음과 같다.
-SD1 프레임:FDL의 상태를 요구하는 프레임
-SD2 프레임:1 ∼ 244바이트의 가변적인 데이터를 전송하는 프레임
-SD3 프레임:8바이트의 고정적인 데이터를 전송하는 프레임
-SD4 프레임:토큰 프레임
-SD5 프레임:긍정 응답 프레임
이들 프레임 안의 구조는 Start Delimiter(SD), 길이(LE), 도착지주소(DA), 소스주소(SA), 펑션코드(FC), 도착지 서비스 액세스 포인트(DSAP), 소스 서비스 액세스 포인트(SSAP), 데이터 유닛(DU), 프레임 체크 시퀀스(FCS), End Delimiter(ED) 등으로 이루어지며 FCS는 체크섬(checksum) 방식을 사용하고 있다.
슬레이브 시스템은 마스터로부터 받은 프레임에 따라 상태 천이를 하게 되는데 크게 네가지의 상태를 갖게 되며 각각의 상태는 아래와 같다.
-Power-On:마스터로부터 프레임을 받기 전 초기화 상태
-Wait-Prm:마스터로부터 통신을 위해 필요한 파라미터를 기다리는 단계
-Wait-Cfg:입·출력에 관한 정보를 기다리는 단계
-Data-Exch:마스터와 기본 설정이 이뤄지고 실제 데이터 입·출력을 하는 단계. 글로벌 커맨드를 수신할 때는 체크-프리즈(Freeze)와 체크-클리어(Clear) 과정을 수행한다.
이제 이론적인 배경을 가지고 프로피버스 DP 프로토콜을 구현한 ASIC에 대하여 살펴보도록 하자.
주문형반도체(ASIC)는 크게 마스터와 슬레이브로 나눌 수 있고 슬레이브는 핀에서 직접 I/O정보를 처리하는 심플 모드의 ASIC과 MPU와 버스 인터페이스를 통하여 I/O정보를 처리하는 인텔리전트 모드의 ASIC으로 구분할 수 있다. 현재 슬레이브용 ASIC제품은 4바이트 이내의 I/O 정보는 심플 모드로 구현하였으며, 그 이상의 I/O정보를 요구하는 사용자를 위해서는 인텔리전트 모드로 구현하여 출시되고 있다. 그러나 안타깝게도 전용 ASIC은 전세계적으로 지멘스(Siemens)가 실질적으로 독점공급하고 있어서 국내의 리모트 I/O업체도 전량 수입에 의존하고 있었다. 따라서 LG산전에서는 관련 기술을 확보하고 리모트 I/O의 확산을 위하여 타사의 ASIC을 대체할 수 있는 전용 ASIC을 개발하게 되었다. ProDa-S1이라고 이름 지어진 ASIC은 기존 슬레이브 ASIC들의 장점을 취합하여 심플 모드와 인텔리전트 모드를 제공한다. 심플 모드의 칩은 핀에서 직접 I/O정보를 입력받아 처리하기 때문에 추가적인 MPU가 필요 없고 구현이 쉽다는 장점이 있지만 I/O정보가 한정되어 있다는 단점이 있다. 인텔리전트 모드의 칩은 I/O정보를 244바이트까지 처리할 수 있으나 MPU와 버스 인터페이스를 위하여 DPRAM, MPU 등이 필요하고 프로토콜 스택을 MPU에서 소프트웨어로 처리하기 때문에 복잡한 펌웨어를 다루어야 한다. 또한 DP의 최대 전송량은 입·출력 각각 244바이트이나 대부분의 프로피버스 DP 슬레이브 개발 회사에서는 전송 데이터의 인테그러티(integrity)와 보다 빠른 리스폰스(response), 메인 컨트롤러의 기능 저하 보호 등을 위해 보통 최대 32바이트로 그 크기를 정하고 있기 때문에 4∼32바이트의 사용자들은 보다 효율적인 ASIC을 필요로 하고 있다. 개발된 ASIC은 사용자의 요구 사항을 반영하여 심플 모드에서 4바이트 이내의 I/O정보가 필요한 기존 사용자를 위하여 이전 칩과 1대 1 대체가 가능한 기능을 제공한다. 또한 인텔리전트 모드는 MPU, DPRAM 등을 구성하는 추가적인 보드를 원칩(one chip)화하여 프로토콜 스택을 심플 모드와 같이 ASIC이 처리하게 한다. 그 결과 MPU의 부하는 최소화, 펌웨어의 유지보수는 용이한 기능을 제공한다.
이 ProDa-S1이라고 명명된 ASIC을 개발하려면 핵심 기능은 다음과 같다
첫째, 다기능 로직이 필요하다. 이 기능은 핀에서 직접 I/O정보를 처리하는 심플 모드, MPU와 버스 인터페이스를 통하여 I/O정보를 처리하는 인텔리전트 모드로 동작하는 것을 가능하게 한다. MPU와 버스 인터페이스를 통하여 I/O를 확장한 인텔리전트 모드는 펌웨어에서 통신을 위하여 필요한 기본 파라미터(국번, ID, 모듈 수, I/O 길이) 설정만 해주면 DP통신을 수행하게 하여 MPU의 부하를 줄이고, 설정 및 관리가 용이하게 하는 역할을 담당하게 한다. 둘째, 자동 통신 속도 검출이 필요하다.
9.6Kbps∼12Mbps까지 다양한 통신 속도로 동작하게 되는데 외부에서 별도로 통신 속도를 설정하는 과정이 없기 때문에 자동으로 통신 속도를 검출해야 한다. 셋째, 프로피버스 프로토콜 디코딩, 프로토콜 인코딩에 의한 응답 프레임 생성과 내부 상태 처리 과정이 필요하다. 수신 데이터를 체크하고 있다가 SD를 검출하여 프레임 형식에 따라 수신하고 HD=4를 지원하기 위하여 옥테트(octet)별로 Start, Stop, Parity Bit 에러, 프레임별로 SD, LE, FCS, ED 에러를 감지한다. 에러가 없으면 국번이 일치하는 프레임만 수신하고 프로토콜을 분석하여 슬레이브의 네가지 상태를 관리하며 내부 데이터 입출력을 처리하고 응답 프레임을 생성하는 역할을 한다. 넷째, 와치독 타이머 기능이 필요하다. 마스터-슬레이브 방식의 통신에서 마스터로부터 수신 프레임을 주어진 시간에 받지 못하면 초기화 과정을 수행하는 역할을 담당한다. 다섯째, 버스 인터페이스가 필요하다.
인텔리전트 슬레이브 설정시 I/O 확장을 위한 것으로 8비트 데이터버스, 6비트 데이터버스, RD, WR, CS를 제공한다. 여섯째 모드에 따라 I/O포트 입출력을 다양하게 처리할 수 있어야 한다. △심플 슬레이브는 최대 4바이트 I/O △인텔리전트 슬레이브는 최대 32바이트 I/O가 필요하며 △그 외로 주소와 ID를 설정하기 위한 EEPROM/시프트레지스터 로직, 인터럽트를 처리하기 위한 인터럽트로직이 필요하다.
당사는 대표적인 필드버스인 프로피버스를 채용하고, 산업현장에서 가장 수요가 많고 기술 자립이 요구되는 리모트 기기분야의 핵심 부품인 ‘리모트 I/O용 원칩 ASIC’을 개발 완료했다.
당사는 이 부품을 자사제품에 사용하는 동시에, 국내 필드버스 분야의 기술을 주도하고, 국내 산업 인프라 선진화에 기여하기 위하여, 국내 필드버스 관련 업체에도 공급할 계획을 세우고 이를 위해 올해 말 관련업체 연합체인 ‘필드버스 클럽(가칭)’을 조직하는 등 관련 산전업체와의 협조체제 구축도 고려하고 있다.