KR101400319B1 - 스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법 - Google Patents

스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법 Download PDF

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Abstract

스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법이 개시된다. 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템은, 마스터; 하나 이상의 슬레이브; 및 상기 마스터 및 상기 슬레이브에 케이블을 통해 각각 연결되어 데이터 전송 경로를 형성하고, 형성된 데이터 전송 경로에 배치된 순서대로 상기 마스터로부터 전송된 데이터가 각각의 슬레이브를 경유한 후 상기 마스터로 전송되도록 하기 위한 데이터 중계 기능을 수행하는 리피터를 포함한다.

Description

스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법{Star topology network based control system and time synchronization method}
본 발명은 스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법에 관한 것이다.
이더넷(Ethernet) 통신을 기반으로 하는 네트워크 기반 제어 시스템은 예를 들어 동기 모션 제어 등과 같은 고속의 실시간 데이터를 전송하는데 주로 사용된다. 이 시스템에서는 동기화를 위해 클럭 동기화 표준인 IEEE 1588을 제정하여 널리 사용되었으며, IEEE 1588은 이더캣(EtherCAT), 파워링크(PowerLINK) 등에서 사용되고 있다.
이더캣은 이더넷을 기반으로 하는 통신 표준 가운데 하나로서, 산업용 환경이나 공장 환경 등에서 입/출력 디바이스, 센서, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)의 네트워킹 및 통신 기능에 갈수록 사용이 늘어나고 있다.
이더캣은 이더넷이 가지는 단점들, 예를 들어 산업용 환경에서 소량의 데이터 교환에 대해서는 충분히 효율적이지 않은 단점, 실시간 동작을 위한 결정론적 성능이 부족한 단점 등을 극복하고 자동화에 적합하고 효율적인 네트워크 기술을 제공한다.
이더캣을 이용한 네트워크 기반 제어 기술로서, 특허공개 제2011-0030191호(네트워크 기반 로봇 제어 방법 및 장치)가 선출원 공개되어 있다. 그러나, 해당 선출원된 특허출원은 라인 토폴로지 또는 링 토폴로지인 경우의 시간 동기화 방법을 제시한 것에 불과하고, 스타 토폴로지의 구성 및 시간 동기화 방법에 대해서는 방법론을 제시하지 못하고 있다.
특허문헌 1 : 한국공개특허 제2011-0030191호 (2011.03.23. 공개)
본 발명은 스타 토폴로지 네트워크 기반의 제어 시스템에서 마스터(주제어기)와 슬레이브(보조 제어기)간의 연결을 위한 케이블 길이를 최소화하고, 마스터와 슬레이브간의 시간 일치성을 보장할 수 있는 스타 토폴로지의 네트워크 기반 제어 시스템 및 시간 동기화 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에 있어서, 마스터; 하나 이상의 슬레이브; 및 상기 마스터 및 상기 슬레이브에 케이블을 통해 각각 연결되어 데이터 전송 경로를 형성하고, 형성된 데이터 전송 경로에 배치된 순서대로 상기 마스터로부터 전송된 데이터가 각각의 슬레이브를 경유한 후 상기 마스터로 전송되도록 하기 위한 데이터 중계 기능을 수행하는 리피터를 포함하는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템이 제공된다.
상기 리피터는 L(Layer)1 멀티포트(multi port) 리피터일 수 있다.
상기 리피터는, 상기 데이터 통신 경로상 직전단에 배치된 마스터 또는 슬레이브인 송신부로부터 데이터를 수신하여 상기 데이터 통신 경로상 직후단에 배치된 마스터 또는 슬레이브인 수신부로 상기 데이터를 전송하는 물리적 계층 처리기; 및 상기 수신부로 전송될 데이터가 상기 전송부에서 수신된 후 임시로 저장되는 선입선출기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 물리적 계층 처리기와 상기 선입선출기는 상기 데이터 전송 경로를 형성하기 위해 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 각각 하나씩 배치될 수도 있다.
상기 마스터는, 데이터 전송 시각과 상기 전송한 데이터가 상기 데이터 전송 경로에 배치된 최종 슬레이브를 경유한 후 상기 리피터를 통해 상기 마스터로 수신된 데이터 수신 시각의 차이인 전파 지연값(Tdiff)을 산출하는 시간 동기화부를 포함할 수 있다.
상기 전파 지연값은 수학식 Tdiff = (n + 1) x (Tt + Tr) + n x Tp + 2 x n x Tw에 의해 산출될 수 있다. 여기서, n은 슬레이브의 개수이고, Tt는 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 전송부에 의한 전송 지연 시간이며, Tr은 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 수신부에 의한 수신 지연 시간이고, Tp는 슬레이브가 상기 데이터에 의해 지시된 처리를 수행하는 시간(processing time)이며, Tw는 상기 마스터 및 상기 슬레이브와 상기 리피터를 연결하는 케이블에 의한 지연시간 및 상기 리피터 자체에서의 지연 시간일 수 있다.
슬레이브는 상기 리피터로부터 수신된 데이터에 임의의 처리를 지시하는 내용이 포함된 경우, 상응하는 처리를 수행하고, 그 결과를 기재한 데이터를 상기 리피터로 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에 구비된 마스터에서 수행되는 시간 동기화 방법에 있어서, 데이터 전송 경로상에서 직후단에 배치된 슬레이브로 데이터를 전송하고, 상기 데이터가 전송된 데이터 전송 시각을 기록하는 단계; 데이터 전송 경로상에서 최종단에 배치된 슬레이브로 전송된 데이터를 리피터를 통해 수신하고, 상기 데이터가 수신된 데이터 수신 시각을 기록하는 단계; 및 상기 데이터 전송 시각과 상기 데이터 수신 시각의 차이를 전파 지연 값(Tdiff)으로 산출하는 단계를 포함하는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에서의 시간 동기화 방법이 제공된다.
상기 리피터는 L(Layer)1 멀티포트(multi port) 리피터일 수 있다.상기 전파 지연값은 수학식 Tdiff = (n + 1) x (Tt + Tr) + n x Tp + 2 x n x Tw에 의해 산출될 수 있다. 여기서, n은 슬레이브의 개수이고, Tt는 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 전송부에 의한 전송 지연 시간이며, Tr은 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 수신부에 의한 수신 지연 시간이고, Tp는 슬레이브가 상기 데이터에 의해 지시된 처리를 수행하는 시간(processing time)이며, Tw는 상기 마스터 및 상기 슬레이브와 상기 리피터를 연결하는 케이블에 의한 지연시간 및 상기 리피터 자체에서의 지연 시간일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스타 토폴로지 네트워크 기반의 제어 시스템에서 마스터(주제어기)와 슬레이브(보조 제어기)간의 연결을 위한 케이블 길이를 최소화하고, 마스터와 슬레이브간의 시간 일치성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템의 구현 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 지연 값(Tdiff) 산출 개념을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일반적인 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 일반적인 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템의 구현 방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 네트워크 기반 제어 시스템은 마스터(110) 및 복수의 슬레이브(120a, 120b, 120c 및 120d, 이하 별도의 구분이 필요하지 않은 경우에는 120으로 통칭함)을 포함하고, 마스터(110) 및 슬레이브(120)들 간에는 케이블에 의해 순차적으로 연결된다.
마스터(110)는 슬레이브(120)로 임의의 데이터(즉, 프레임이며 예를 들어, 로봇 제어를 위한 데이터 등)를 전송한다.
보조 제어기로 전송하는 데이터에는 예를 들어 타임 오프셋 값, 전파 지연 값 등이 포함될 수 있다.
여기서, 타임 오프셋 값은 마스터(110)가 데이터를 전송할 때의 마스터(110)의 내부 시계 값과 슬레이브(120)가 데이터를 수신했을 때의 슬레이브(120)의 내부 시계 값의 차이이다.
그리고 전파 지연 값은 마스터에서 데이터를 전송하여 슬레이브가 그 데이터를 수신할 때까지 걸리는 지연시간이다.
슬레이브(120)는 마스터(110)로부터 데이터를 수신하거나, 데이터 전송 경로상에서 전단에 위치한 슬레이브(120)로부터 데이터를 수신한다.
수신된 데이터가 해당 슬레이브(120)를 대상으로 하는 데이터인 경우, 슬레이브(120)는 데이터를 읽어 데이터에 의해 지정된 처리가 처리부에 의해 수행하며, 필요한 경우 처리 결과 등을 데이터에 기재한 후 데이터 전송 경로상에서 후단에 위치한 슬레이브(120) 또는 마스터(110)로 데이터를 전송한다. 슬레이브(120)가 후단의 슬레이브(120) 또는 마스터(110)로 전송하는 데이터에는 예를 들어 데이터를 송수신한 시간 및 데이터 처리 시간 등이 포함될 수 있다.
도 1에는 라인 토폴로지 형태의 네트워크 기반 제어 시스템의 구성이 도시되었으나, 네트워크 기반 제어 시스템은 라인 토폴로지 형태가 아닌 스타 토폴로지 형태 등으로도 구현될 수 있다.
스타 토폴로지는 중앙에 배치된 마스터(110)에 복수의 슬레이브(120)들이 개별적으로 원거리에 설치되어 연결되는 통신망 디자인 형태를 의미한다.
네트워크 기반 제어 시스템을 스타 토폴로지 형태로 구현하기 위한 방법이 도 2a와 도 2b에 각각 도시되어 있다.
도 2a를 참조하면, 마스터(110)를 기준으로 후단에 복수 슬레이브(120)들이 순차적으로 연결되고, 데이터 전송 경로상 최종 위치에 배치된 슬레이브(120d)가 다시 마스터(110)와 연결되는 구조로 형성된다.
즉, 도 2a에 도시된 스타 토폴로지 구조는 기존의 방식에 비해 약 2배의 케이블을 사용하여 마스터(110)와 슬레이브(120)들을 연결하는 방법으로서, 마스터(110)와 슬레이브(120)들 간을 연결하는 케이블은 최종 위치에 배치된 하나의 슬레이브(120d)를 제외하고는 2배의 케이블 개수가 요구된다(점선 타원 내에 도시된 실선 및 점선의 개수 참조).
이러한 케이블의 증가는 케이블 비용 상승, 케이블 증가에 따른 신뢰도 감소를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
스타 토폴로지 형태의 네트워크 기반 제어 시스템을 구현하는 다른 방식이 도시된 도 2b를 참조하면, 별도의 스위치 처리 하드웨어(210)가 이용되고 있다.
즉, 스위치 처리 하드웨어(210)와 마스터(110) 및 복수의 슬레이브(120)들을 각각 연결함으로써 사용되는 케이블의 양이 절감되는 효과가 기대될 수 있다.
그러나, 스위치 처리 하드웨어(210)를 이용하는 방법은 물리적 계층(Physical Layer) 및 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에 대한 처리를 수행하기 위한 별도의 하드웨어 비용이 추가되어야 하며, 시스템의 복잡도가 상승함에 따라 신뢰성 저하가 우려되는 문제점도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파 지연 값(Tdiff) 산출 개념을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템은 하나 이상의 마스터(110), 복수의 슬레이브(120), 마스터(110)와 각각의 슬레이브(120)가 스타 토폴로지 형태의 데이터 전송 경로를 형성하도록 하기 위해 케이블을 통해 상호 연결되도록 하는 리피터(repeater)(310)를 포함한다.
마스터(110)는 시간 동기화부(320)를 포함하며, 시간 동기화부(320)는 마스터(110)와 복수의 슬레이브(120)들 간의 시간 동기화를 위해 타임 오프셋 값 및 전파 지연 값을 산출한다. 시간 동기화부(320)에 의한 타임 오프셋 값 및 전파 지연 값의 산출 방법에 대해서는 이후 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
리피터(310)는 물리적 계층(Physical Layer)에서 마스터(110)와 슬레이브 #1(120a) 사이에, 슬레이브 #1(120a)와 슬레이브 #2(120b) 사이에, 최종 슬레이브인 슬레이브 #4(120d)와 마스터(110)간에 데이터를 송수신하도록 기능하는 장치로서, 예를 들어 L(Layer)1 멀티포트(multi port) 리피터일 수 있다. 리피터(310)의 데이터 송수신을 위한 중계 기능에 의해 마스터(110)에서 전송된 데이터가 모든 슬레이브(120)에 순차적으로 제공될 수 있으며, 슬레이브(120)는 데이터에서 처리하도록 지정된 동작을 수행할 수 있다.
리피터(310)는 마스터(110)로부터 전송된 데이터를 수신하여 제1 선입선출기(FIFO)에 임시 저장한 후 슬레이브 #1(120a)로 전송하는 제1 물리적 계층 처리기(PHY, 물리적 계층 송수신부), 슬레이브 #1(120a)로부터 전송된 데이터를 수신하여 제2 선입선출기에 임시 저장한 후 슬레이브 #2(120b)로 전송하는 제2 물리적 계층 처리기, 슬레이브 #2(120b)로부터 전송된 데이터를 수신하여 제3 선입선출기에 임시 저장한 후 슬레이브 #3(120c)으로 전송하는 제3 물리적 계층 처리기, 슬레이브 #3(120c)로부터 전송된 데이터를 수신하여 제4 선입선출기에 임시 저장한 후 슬레이브 #4(120d)로 전송하는 제4 물리적 계층 처리기, 슬레이브 #4(120d)로부터 전송된 데이터를 수신하여 제5 선입선출기에 임시 저장한 후 마스터(110)로 전송하는 제5 물리적 계층 처리기를 포함한다.
도 3에는 4개의 슬레이브(120)가 구비된 경우가 예시되어 있어 5개의 선입선출기와 5개의 물리적 계층 처리기가 포함된 리피터(310)가 예시되었으나, 슬레이브(120)의 수량이 n(임의의 자연수)개인 경우 n+1개의 선입선출기와 물리적 계층 처리기를 가지는 리피터(310)가 이용될 수 있음은 당연하다.
리피터(310)의 물리적 계층 처리기(PHY)는 이더넷(Ethernet) 구조에서 노드 상호 연결성을 확인하기 위해(즉, 전이중(Full Duplex) 통신을 위해) 항상 쌍(pair)로 동작하기 때문에, 송신부와 수신부로 각각 분리하여 고려될 필요는 없다. 다만, 이더넷 구조가 아닌 물리 계층을 사용하는 경우로서 이들이 항상 쌍으로 동작될 필요가 없다면 물리적 계층 처리기는 생략될 수도 있다.
리피터(310)의 선입선출기(FIFO)는 각 물리적 계층 처리기에서 데이터 전송단(예를 들어, 마스터(110))와 데이터 수신단(예를 들어, 슬레이브 #1(120a))간의 동작 클럭이 다르기 때문에 이들간의 연결을 위해 구비된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 스타 토폴로지 네트워크 기반 제어 시스템은 물리적 계층 처리기 및 선입선출기로 구성된 리피터를 이용함으로써 마스터(110)에서 전송한 데이터를 모든 슬레이브(120)에서 처리할 수 있도록 함에 있어 케이블의 개수나 양을 증가시키지 않고 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어를 수행할 수 있다.
또한 제시된 리피터는 앞서 설명한 스위치 처리 하드웨어(210)에 비해 물리적 계층(Physical Layer)의 처리만이 요구되므로 가격이 저렴하며, 간소한 시스템 구성을 가지므로 오류 가능성이 적어 신뢰성이 증대될 수 있다.
도 3에 본 발명의 일 실시예로 제시된 스타 토폴로지 형태의 네트워크 기반 제어 시스템이 정상적으로 운영되기 위해서는 종래의 시간 동기화 방법과는 상이한 방법의 적용이 요구된다.
일반적으로 마스터(110)와 슬레이브(120)간의 시간 동기화를 위해서는 타임 오프셋 값과 전파 지연 값을 산출하여 보상하여야 한다.
여기서, 타임 오프셋 값은 마스터(110)가 데이터를 전송할 때의 마스터(110)의 내부 시계 값과 슬레이브(120)가 데이터를 수신했을 때의 슬레이브(120)의 내부 시계 값의 차이로서, 타임 오프셋 값의 보상은 마스터(110)와 슬레이브(120)의 시간 차이를 보상하기 위한 것이다.
그리고 전파 지연 값은 마스터(110)가 데이터를 전송하여 슬레이브(120)가 그 데이터를 수신할 때까지 걸리는 지연 시간 또는 m(임의의 자연수)번째 슬레이브(120)가 데이터를 전송하여 m+1번째 슬레이브(120)가 데이터를 수신할 때까지 걸리는 지연 시간이다.
도 3의 스타 토폴로지 형태의 네트워크 기반 제어 시스템에서도 시간 동기화를 위해 타임 오프셋 값 및 전파 지연 값에 대한 보상이 요구된다. 그러나, 타임 오프셋 값의 산출 방법은 종래의 오프셋 값 산출 방법과 동일하지만, 전파 지연 값의 산출 방법은 종래의 전파 지연 값의 산출 방법과 상이하다.
종래의 오프셋 값 산출 방법 및 종래의 전파 지연 값 산출 방법은 이더캣(EtherCAT) 관련 표준문서 ET1100 EtherCAT Slave Controller의 Section I Technology 파트에 상세히 설명되어 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이하, 본 실시예에 따른 전파 지연값의 산출 방법에 대해 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 전파 지연 값(Tdiff)는 마스터(110)에서 데이터를 리피터(310)로 전송하고, 전송된 데이터가 복수의 슬레이브(120)들에 순차적으로 전달된 후 다시 리피터(310)를 통해 마스터(110)로 수신되는데 걸린 시간으로 시간 동기화부(320)에 의해 산출될 수 있다.
전파 지연 값(Tdiff)이 산출되기 위한 개별 단계에서의 개별 지연 값을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 마스터(110)에서 데이터를 전송한 후 슬레이브 #1(120a)에서 수신할 때까지 소요되는 시간은 Tt + Tr + Tw로 산출될 수 있다. 여기서, Tt는 마스터(110)나 슬레이브(120)의 물리적 계층 전송부에 의한 전송 지연 시간을 의미하고, Tr은 마스터(110)나 슬레이브(120)의 물리적 계층 수신부에 의한 수신 지연 시간을 의미하며, Tw는 마스터(110)와 리피터(310), 슬레이브(120)와 리피터(310)를 연결하는 케이블에서의 지연시간 및 리피터(310)에서의 지연 시간을 의미한다.
또한, 슬레이브 #1(120a)에서 데이터를 전송하여 슬레이브 #2(120b)에서 해당 데이터를 수신할 때까지의 시간은 Tt + Tr + Tp + 2Tw로 산출될 수 있다. 여기서, Tp는 해당 데이터가 슬레이브 #1(120a)에서 처리되어야 하는 경우 처리부에 의한 처리 시간(processing time)을 의미하고, 슬레이브 #1(120a)에서 리피터(310)로 데이터를 전송한 후 리피터(310)가 슬레이브 #2(120b)로 데이터를 전송함에 있어 독립된 2개의 케이블이 이용되므로 케이블 및 리피터(310)에 의한 시간 지연은 2배(2Tw)로 적용할 수 있다. 이는 슬레이브 #2(120b)에서 슬레이브 #3(120c)로 데이터를 전송하는 경우에도 마찬가지의 시간 지연이 예상될 수 있다.
마지막으로, 데이터 전송 경로상 마지막에 배치된 최종 슬레이브 #4(120d)에서 데이터를 전송하여 마스터(110)에서 해당 데이터를 수신할 때까지의 시간은 Tt + Tr + Tw로 산출될 수 있다.
따라서, 전술한 개별 지연 값들의 합인 전파 지연 값(Tdiff)를 산출하면 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112012056052690-pat00001
여기서, n은 슬레이브(120)들의 개수를 의미한다.
따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 슬레이브(120)가 4개인 경우라면 n이 4이므로, 수학식 1에 따를 때 Tdiff = 5(Tt+Tr)+Tp+8Tw로 산출된다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 슬레이브(120)가 하나인 경우라면 n이 1이므로, 수학식 1에 따를 때 Tdiff = 2(Tt+Tr)+Tp+2Tw로 산출된다.
도 4a에 도시된 슬레이브(120)의 4개가 구비된 시스템 구성은 방정식 해결을 위해 예시된 것으로서, 2개 이상의 슬레이브(120)가 포함된 시스템 구성이라면 제한없이 이용될 수 있다.
즉, 위에 제시된 방정식은 슬레이브(120)가 하나인 경우와 네 개인 경우의 2개이며, 미지수 (Tt+Tr)과 Tw 역시 2개이므로 해당 방정식들을 이용하여 미지수 값을 계산할 수 있다. 아울러, 반복적인 계측 및 계산을 통해 미지수 값들의 정밀도를 보다 향상시킬 수도 있다.
전술한 수학식 1을 이용하여 전파 지연 값을 산출하면, 슬레이브(120)와 마스터(110) 사이의 거리가 일정할 경우 가장 정확한 전파 지연 값을 산출할 수 있을 것이나, 마스터(110)와 슬레이브(120) 사이의 거리가 일정하지 않은 경우에도 논문 On the Accuracy of the Distributed Clock Mechanism in EtherCAT(Gianluca Cena, Senior Member, Ivan Cibrario Bertolotti, Member, IEEE, Stefano Scanzio, Adriano Valenzano, Senior Member, IEEE, and Claudio Zunino)에 제시된 바와 같이 케이블에 의해 유도되는 지연은 매우 작고 실질적으로 동일한 것으로 알려져 있다. 또한, 리피터(310)에 구비된 물리적 계층 처리기(PHY) 역시 같은 회로로 구성되어 있어, 가변될 수 있는 요인은 선입선출기의 지연만이 유일하다.
그러나, 선입선출기의 지연이 100Mbps 이더넷 통신일 경우 40nsec 이하의 오류만 가지고 있으므로, 본 실시예에서 제안하는 전파 지연 값 산출 방법이 매우 정밀한 전파 지연 값을 산출할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 스타 토폴로지 형태의 네트워크 기반 제어 시스템에서의 시간 동기화 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 마스터 120 : 슬레이브
310 : 리피터 320 : 시간 동기화부

Claims (10)

  1. 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에 있어서,
    마스터;
    하나 이상의 슬레이브; 및
    상기 마스터 및 상기 슬레이브에 케이블을 통해 각각 연결되어 데이터 전송 경로를 형성하고, 형성된 데이터 전송 경로에 배치된 순서대로 상기 마스터로부터 전송된 데이터가 각각의 슬레이브를 경유한 후 상기 마스터로 전송되도록 하기 위한 데이터 중계 기능을 수행하는 리피터를 포함하되,
    슬레이브는 상기 리피터로부터 수신된 데이터에 임의의 처리를 지시하는 내용이 포함된 경우, 상응하는 처리를 수행하고, 그 결과를 기재한 데이터를 상기 리피터로 전송하는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리피터는 L(Layer)1 멀티포트(multi port) 리피터인 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리피터는,
    상기 데이터 통신 경로상 직전단에 배치된 마스터 또는 슬레이브인 송신부로부터 데이터를 수신하여 상기 데이터 통신 경로상 직후단에 배치된 마스터 또는 슬레이브인 수신부로 상기 데이터를 전송하는 물리적 계층 처리기; 및
    상기 수신부로 전송될 데이터가 상기 송신부에서 수신된 후 임시로 저장되는 선입선출기를 더 포함하는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 물리적 계층 처리기와 상기 선입선출기는 상기 데이터 전송 경로를 형성하기 위해 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 각각 하나씩 배치되는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스터는, 데이터 전송 시각과 상기 전송한 데이터가 상기 데이터 전송 경로에 배치된 최종 슬레이브를 경유한 후 상기 리피터를 통해 상기 마스터로 수신된 데이터 수신 시각의 차이인 전파 지연값(Tdiff)를 산출하는 시간 동기화부를 포함하는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전파 지연값은 하기 수학식에 의해 산출되는 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템.
    Tdiff = (n + 1) x (Tt + Tr) + n x Tp + 2 x n x Tw
    여기서, n은 슬레이브의 개수이고, Tt는 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 전송부에 의한 전송 지연 시간이며, Tr은 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 수신부에 의한 수신 지연 시간이고, Tp는 슬레이브가 상기 데이터에 의해 지시된 처리를 수행하는 시간(processing time)이며, Tw는 상기 마스터 및 상기 슬레이브와 상기 리피터를 연결하는 케이블에 의한 지연시간 및 상기 리피터 자체에서의 지연 시간임.
  7. 삭제
  8. 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에 구비된 마스터에서 수행되는 시간 동기화 방법에 있어서,
    데이터 전송 경로상에서 직후단에 배치된 슬레이브로 데이터를 전송하고, 상기 데이터가 전송된 데이터 전송 시각을 기록하는 단계;
    데이터 전송 경로상에서 최종단에 배치된 슬레이브로 전송된 데이터를 리피터를 통해 수신하고, 상기 데이터가 수신된 데이터 수신 시각을 기록하는 단계; 및
    상기 데이터 전송 시각과 상기 데이터 수신 시각의 차이를 전파 지연 값(Tdiff)으로 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 전파 지연값은 수학식 Tdiff = (n + 1) x (Tt + Tr) + n x Tp + 2 x n x Tw에 의해 산출되고,
    상기 n은 슬레이브의 개수이고, 상기 Tt는 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 전송부에 의한 전송 지연 시간이며, 상기 Tr은 마스터 또는 슬레이브의 물리적 계층 수신부에 의한 수신 지연 시간이고, 상기 Tp는 슬레이브가 상기 데이터에 의해 지시된 처리를 수행하는 시간(processing time)이며, 상기 Tw는 상기 마스터 및 상기 슬레이브와 상기 리피터를 연결하는 케이블에 의한 지연시간 및 상기 리피터 자체에서의 지연 시간인, 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에서의 시간 동기화 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리피터는 L(Layer)1 멀티포트(multi port) 리피터인 스타 토폴로지 형태의 네트워크 제어 시스템에서의 시간 동기화 방법.
  10. 삭제
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