KR101192964B1 - 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템에 관한 것으로, 연결선을 통해 캔 통신을 수행하며, 연결선에 단선이 발생한 경우 지그비 무선 네트워크를 통해 단선상태 정보를 전송하는 전자제어 유닛, 전자제어 유닛을 하나 이상 관리하며, 연결선을 통해 캔 통신을 수행하는 도중에 단선이 발생하여 지그비 무선 네트워크를 통해 전자제어 유닛으로부터 단선상태 정보를 수신하면, 하나 이상의 타 전자제어 유닛으로 전자제어 유닛에 대한 단선상태 정보를 전달하는 전자제어 유닛 관리부를 포함함으로써, 캔 통신을 수행하는 전자제어 유닛들이 서로 단선이 된 경우에도 근거리 무선 네트워크 통신 방법인 지그비를 이용해서 각 전자제어 유닛의 상황을 공유할 수 있다.

Description

지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템{Reliable CAN communication System using ZigBee}
지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그비를 이용하여 캔 통신의 신뢰성을 향상시키는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템에 관한 것이다.
캔(Controller Area Network: CAN) 통신은 자동차, 로봇, 엘리베이터 등에서 사용되고 있는 통신 방법이다. 이러한 캔 통신은 초기 자동차에서 각종 전자장치의 증가로 인한 기기 간의 연결 전선 증가 및 이로 인한 차량의 무게 증가와 전자기기들 간의 효율적인 통신을 하기 위한 방식으로 제안되어 졌고, [도 1]에 도시된 구성으로 널리 사용되고 있다.
또한, 로봇과 같은 경우에는 각종 센서 및 액츄에이터와 이를 상호 제어하기 위한 통신 선로의 급증으로 인하여 캔 통신 방식이 적용되고 있다. 이때, 액츄에이터의 동작으로 인한 콘넥터 이탈 및 전선 절단 등으로 인한 돌발 상황에 대해서는 시스템의 전체적인 프로토콜을 세워서 알려 주는 방식이 있다. 하지만, 선으로 연결된 상태이기 때문에 이러한 순간적인 돌발 상황의 발생 즉시 알려줘야 하는 경우에는 가능하지 않다.
즉, 전자제어 유닛에서 사용하는 장비의 대부분은 두 가닥의 선으로 데이터를 주고받고 있으며, 각 전자제어 유닛들과 관련된 상태 정보 등은 서로 연결된 전자제어 유닛들 사이의 프로토콜로 제공되고 있으나, 이러한 방식은 모든 전자제어 유닛들이 연결이 된 경우에 한정된다. 전자제어 유닛들 사이에 단선이 생긴 경우에는 타 전자제어 유닛의 상태를 알 수 없기 때문에 문제가 된다.
본 발명의 목적은 캔 통신을 수행하는 전자제어 유닛이 단선이 생긴 경우에도 지그비를 이용하여 로봇 또는 자동차 내에서 효율적으로 통신을 수행할 수 있도록 하는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템은, 연결선을 통해 캔 통신을 수행하며, 연결선에 단선이 발생한 경우 지그비 무선 네트워크를 통해 단선상태 정보를 전송하는 전자제어 유닛; 전자제어 유닛을 하나 이상 관리하며, 연결선을 통해 캔 통신을 수행하는 도중에 단선이 발생하여 지그비 무선 네트워크를 통해 전자제어 유닛으로부터 단선상태 정보를 수신하면, 하나 이상의 타 전자제어 유닛으로 전자제어 유닛에 대한 단선상태 정보를 전달하는 전자제어 유닛 관리부;를 포함한다.
전자제어 유닛은 지그비 무선 네트워크를 이용하여 타 전자제어 유닛 및 전자제어 유닛 관리부와 무선통신을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 전자제어 유닛은 자동차가 급제동할 때 바퀴가 잠기는 현상을 방지하기 위한 ABS로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 전자제어 유닛은 변속기를 제어하는 TCU로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 전자제어 유닛은 노면 상태에 따라 바퀴 움직임을 제어하여 충격을 흡수하는 액티브 서스펜션으로 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 캔 통신을 수행하는 전자제어 유닛들이 서로 단선이 된 경우에도 근거리 무선 네트워크 통신 방법인 지그비를 이용해서 각 전자제어 유닛의 상황을 공유할 수 있다.
[도 1]은 일반적인 캔 통신 시스템을 나타낸 도면.
[도 2]는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템을 나타낸 도면.
[도 3]은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지그비를 이용하는 캔 통신 시스템을 나타낸 도면.
[도 4]는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 지그비를 이용하는 캔 통신 시스템을 나타낸 도면.
[도 2]는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
제 1 실시예에 따른 고신뢰성 캔 통신 시스템은 지그비 모듈(205)을 포함하는 전자제어 유닛 관리부(Electronic Control Unit Master)(200)와 지그비 모듈(215, 225, 235)을 각각 포함하는 전자제어 유닛(210, 220, 230)을 포함한다.
전자제어 유닛(210, 220, 230)은 연결선을 통해 캔 통신을 수행하는데, 연결선에 단선이 발생하면 지그비 무선 네트워크를 통해 단선상태 정보를 전송한다.
이때, 전자제어 유닛(210, 220, 230)은 지그비 무선 네트워크를 이용하여 타 전자제어 유닛(210, 220, 230) 및 전자제어 유닛 관리부(200)와 무선통신을 수행할 수 있다.
전자제어 유닛(210, 220, 230)은 예컨대 자동차가 급제동할 때 바퀴 잠김 현상을 방지하기 위한 ABS(Anti-lock Brake System), 변속기를 제어하는 TCU(Transmission Control Unit), 노면 상태에 따라 바퀴 움직임을 제어하여 충격을 흡수하는 액티브 서스펜션으로 구비될 수 있다.
한편, 전자제어 유닛 관리부(200)는 전자제어 유닛(210, 220, 230)을 하나 이상 관리하며, 연결선을 통해 캔 통신을 수행하는 도중에 단선이 발생하여 지그비 무선 네트워크를 통해 전자제어 유닛으로부터 단선상태 정보를 수신하면 하나 이상의 타 전자제어 유닛으로 전자제어 유닛에 대한 단선상태 정보를 전달한다.
또한, 캔 통신으로 주변 장치를 관리하는 전자제어 유닛 관리부(200)에는 지그비 네트워크에서 코디네이터(coordinator) 역할을 하는 지그비 모듈(205)을 장착하고, 각 전자제어 유닛(210, 220, 230)에는 종단 디바이스(end-device) 역할을 하도록 지그비 모듈(215, 225, 235)을 장착한다.
일반적인 동작을 하는 동안에는 지그비 모듈의 동작이 없으나 개별 전자제어 유닛이 통신이 안 되는 경우에는 전자제어 유닛 관리부(ZigBee master)(200)와의 통신을 통해서 각각의 상태를 알 수 있으며, 지그비의 규격상 연결 가능한 최대 244개 지그비 모듈(ZigBee module) 간의 상태를 알 수 있다. 캔 통신을 이용하는 경우에는 빠르고 많은 양의 데이터들을 처리하는 데 반해서, 지그비를 이용하는 경우에는 전자제어 유닛의 상태 및 전자제어 유닛과 전자제어 유닛 관리부와의 연결 상태 등을 알려 주는 데 사용한다.
지그비 종단 디바이스(ZigBee end-device)와 같이 전원을 제어할 수 있는 포트가 외부로 나와있고, 이때 지그비 종단 디바이스들은 개별적인 주소를 가지고 있고 이 개별적인 주소를 이용하기 때문에 지그비 코디네이터(ZigBee coordinator)에서 비록 한 개당 한 모듈을 가지고 있지만 키 패드를 이용하고 있기 때문에 일대 다의 제어가 가능하다.
[도 3]은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지그비를 이용하는 캔 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
제 2 실시예에 따른 캔 통신 시스템은 지그비 모듈(215, 235)을 각각 포함하는 전자제어 유닛(210, 230)을 포함한다.
전자제어 유닛(210, 230)은 캔 버스 드라이버(217, 237)를 각각 포함하며, 연결선(CAN_H와 CAN_L)을 통해 서로 캔 통신을 수행할 수 있으며, 연결선 각 종단에는 예컨대 120옴의 저항(302, 304)을 구비할 수 있다.
한편, 무선사설망(Wireless Personal Area Network: WPAN) 기술의 하나인 지그비는 저전력, 저비용, 저속이 특징인 2.4GHz 기반의 홈 오토메이션 및 데이터를 위한 개인 무선네트워크 규격으로서 IEEE 802.15.4에서 표준화가 진행되었다. 표준안을 참조하면, 지그비는 2.4GHz, 915MHz, 868MHz의 주파수 대역을 사용하며 주파수별로 250kbps(2.4GHz ISM 대역에서 16개의 채널), 40kbps/20kbps(915MHz 대역에서 10개의 채널/868MHz 대역에서 1개의 채널) 전송속도를 가질 수 있으며, 모뎀방식은 DSSS(Direct Secure Spread Spectrum)로서 반경 30m 내에서 20~250kbps의 속도로 데이터를 전송하고, 하나의 무선 네트워크에 최대 255대까지의 기기를 연결하여, 실내외에 대규모 무선 센서망을 구성할 수 있다.
블루투스(bluetooth) 혹은 UWB(Ultra Wide Band)와 같은 다른 WPAN 기술과 대비할 때, 지그비는 초저전력 소비가 가능하고 무선 송수신 회로의 구성이 단순화되어 가장 저렴한 칩셋가격을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있으며 센서 네트워크와 같은 버티컬 애플리케이션 영역에서 경쟁력 있는 단거리 무선통신 기술이다. 예를 들어, 빌딩내 조명, 화재감지, 냉난방 시스템 등에 지그비를 도입함으로써 빌딩관리인은 관리실이 아닌 휴대용 장치를 통해 원격으로 빌딩시스템 관리 및 제어 작업을 수행할 수 있다.
예를 들어, 지그비 무선 네트워크는 하나의 코디네이터 및 이 코디네이터에 직접 또는 간접적으로 연결되어 데이터를 송수신하는 복수의 지그비 디바이스로 이루어질 수 있다. 이때, 지그비 디바이스는 라우터(router) 또는 종단 디바이스일 수 있다.
한편, 지그비 무선 네트워크에서 데이터를 전송하는 방법으로는 트리 방식과 AODV(Ad-Hoc On-demand Distance Vector) 방식이 있다. 트리 방식은 데이터를 전송하고자 하는 목적지 디바이스가 자신의 자손 디바이스면 자손 디바이스로 보내고 목적지 디바이스가 자손 디바이스가 아니면 부모 디바이스로 데이터를 전송하는 방식이다. AODV 방식은 라우팅 테이블을 바탕으로 최단 경로로 디바이스에 데이터를 전송하는 방식이다. 지그비 무선 네트워크에서 데이터를 전송하는 방식은 트리 방식과 AODV 방식을 혼합하여 사용할 수 있다. 지그비는 이러한 전송 방식으로 직접 통신이 불가능한 거리에 있는 디바이스에 중간 매개체인 코디네이터를 이용하여 데이터나 명령을 전달할 수 있다.
[도 4]는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 지그비를 이용하는 캔 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
제 3 실시예에 따른 캔 통신 시스템은 전자제어 유닛으로, 엔진제어 유닛(402), ABS(404), TCU(406), 액티브 서스펜션(408), 대시보드 유닛(410), 조명 유닛(412), 에어컨 유닛(414), 파워락 유닛(416), 에어백 유닛(418)을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 전자제어 유닛 중 어느 하나는 전자제어 유닛 관리부로서의 기능을 수행할 수 있으며, 각 전자제어 유닛은 예컨대 두 개의 연결선으로 구비되는 캔 버스를 통해 통신을 수행할 수 있다.
이때, ABS(404)는 자동차가 급제동할 때 바퀴가 잠기는 현상을 방지할 수 있고, TCU(406)는 변속기를 제어할 수 있으며, 액티브 서스펜션(408)은 노면 상태에 따라 바퀴 움직임을 제어하여 충격을 흡수할 수 있다.
또한, 캔 통신은 전자제어 유닛들을 병렬로 연결하고, 우선순위대로 처리하고, 여러 장치들을 단지 2개의 선으로 컨트롤할 수 있어 사용되는 전선의 양을 획기적으로 줄일 수 있다.
예를 들어, 여러 유닛들이 상호 정보를 공유해 차문이 열려져 있을 경우 경보를 해주고, 속도가 올라가 어느 정도의 속도에 이르면 차 문이 저절로 잠긴 다던지 하는 오토 락 기능이 수행될 수 있다. 이처럼 각각의 전자제어 유닛들 간의 정보 교류로 인해 좀 더 안전하고 편안하게 그리고 일대일의 기기 조작만이 아닌 연쇄적인 조작이 가능하다.
또한, 캔 프로토콜은 멀티마스터(Multi Master) 통신을 수행할 수 있다. 즉, 통신 버스를 공유하고 있는 캔 컨트롤러들은 모두가 마스터 역할을 하여 언제든지 버스를 사용하고 싶을 때 사용할 수 있다.
또한, 캔 프로토콜은 노이즈에 매우 강하다. 즉, 레벨은 다르지만 RS485와 비슷하게 트위스트 페어(twist pair) 2선을 사용하여 전기적인 노이즈에 매우 강하다.
또한, 캔 프로토콜은 표준 프로토콜이므로 각 분야에 적용하기가 용이하며, 호스트 씨피유(CPU)에 내장된 캔 컨트롤러 칩이나 호스트 CPU에 연결된 캔 주변장치에서 실행될 수 있다.
또한, 캔 통신으로 최대 1 Mbps의 고속 통신을 얻을 수 있고, 최대 1000 m 까지도 40 kbps로 통신할 수 있기 때문에 장거리를 통신할 수 있다.
또한, 캔 프로토콜은 하드웨어적인 오류 보정이 가능하다. 즉, 캔에서는 수신 필터가 있어 필터를 어떻게 설정하느냐에 따라 특정 아이디, 특정 그룹 또는 전체를 수신할 수 있기 때문에 하드웨어적으로 미리 설정된 아이디만을 골라서 수신할 수 있다.
또한, 캔 프로토콜은 실시간 메시지 통신을 할 수 있다. 즉, 한번에 8개의 데이터를 전송하는 HW 패킷을 제공한다. 보통 RS232/RS485 통신에서는 패킷 통신을 위해 사용자가 일일이 패킷 형식을 만들어 주고 수신받을 때도 그런 해석이 필요하지만 캔은 8바이트 데이터를 담는 HW 패킷 통신을 기본으로 한다. 따라서 사용자는 데이터 버퍼에 데이터를 쓰고 전송만 하면 그 외 모든 처리는 하드웨어가 알아서 한다.
또한, 오에스아이(OSI) 계층 구조에 따른 캔(CAN) 구조는 전기적 또는 물리적 변수를 결정하여 데이터 비트를 표시하는 물리 계층, 데이터 묶음을 패킷안에 정렬시키는 데이터링크 계층, 네트워크 노드 간의 패킷을 전달하는 네트워크 계층, 메시지와 패킷간의 상호 변환 작업을 수행하는 프랜스포트 계층, 보안 및 로그인/로그아웃을 제어하는 세션 계층, 사용자에게 보여지는 글자나 데이터 포맷을 규정하는 프리젠테이션 계층, 작동 중인 사용자 프로그램인 어플리케이션 계층으로 이루어질 수 있다.
또한, 캔 통신 방법을 개략적으로 설명한다. 먼저, 각각의 메시지는 자신의 고유 아이디를 갖는다. 모든 노드는 버스 아이들(bus idle) 상태에서 데이터 전송이 가능하다. 메시지 충돌의 중재는 아이디를 통하여 우선 순위를 결정하여 처리하고, 수신 노드는 메시지 아이디(message ID)를 체크하여 무시 또는 저장하고 메시지 수신 후 확인(acknowledge) 신호를 발생하며 메시지 포맷 에러(Message format error)를 판단하면 버스에 에러 신호를 발생시킨다.
또한, 캔 컨트롤러 인터페이스 구조는 독립 캔 컨트롤러, 통합 캔 컨트롤러, 단일칩 캔 컨트롤로 분류될 수 있으며, 통합 캔 컨트롤러는 독립 캔 컨트롤러에 비해 가격이 싸고 공간을 적게 차지하지만 CPU에 의존적이므로 재사용성이 다소 떨어질 수 있으나 단일칩 컨트롤러에 비해 현재 많이 사용되고 있다.
이와 같은 캔 통신은 차량에서 주로 사용되어 엔진관리 시스템, 미끄럼 방지 브레이크, 기어 제어, 액티브 서스펜션 등과 같은 전자제어 유닛들 사이의 커뮤니케이션이 가능하게 한다. 또한, 계기판, 조명, 에어컨, 창문, 중앙 잠금, 에어백, 좌석벨트 등과 같은 장치의 제어에 사용될 수 있다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 연결선을 통해 캔 통신을 수행하며, 지그비 모듈(종단)(215, 225, 235)을 각각 구비하여 상기 연결선에 단선이 발생한 경우 단선상태 정보를 지그비 무선 네트워크를 통해 전송하는 전자제어 유닛(210, 220, 230);
    상기 전자제어 유닛을 하나 이상 관리하며, 지그비 모듈(마스터)(205)를 구비하여 연결선을 통해 캔 통신을 수행하는 도중에 특정 전자제어 유닛에서 단선이 발생하여 상기 단선이 발생한 전자제어 유닛에 구비된 지그비 모듈(종단)로부터 지그비 무선 네트워크를 통해 단선상태 정보를 수신하면 하나 이상의 타 전자제어 유닛으로 상기 수신된 상기 전자제어 유닛에 대한 단선상태 정보를 포워딩 전달하는 전자제어 유닛 관리부(200);
    를 포함하여 구성되는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자제어 유닛은 상기 지그비 무선 네트워크를 이용하여 타 전자제어 유닛 및 상기 전자제어 유닛 관리부와 무선통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전자제어 유닛은 자동차가 급제동할 때 바퀴가 잠기는 현상을 방지하기 위한 ABS로 구비되는 것을 특징으로 하는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전자제어 유닛은 변속기를 제어하는 TCU로 구비되는 것을 특징으로 하는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전자제어 유닛은 노면 상태에 따라 바퀴 움직임을 제어하여 충격을 흡수하는 액티브 서스펜션으로 구비되는 것을 특징으로 하는 지그비를 이용하는 고신뢰성 캔 통신 시스템.
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