KR102069470B1 - 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치 - Google Patents

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KR102069470B1
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임상길
홍성문
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주식회사 지엔이피에스
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Abstract

본 발명은 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 송수신 신호를 중첩하여 3 레벨 전압으로 형성하여 동시에 양방향 통신을 하는 통신 장치에 있어서, 상기 통신 장치는 송수신을 하는 모듈로 구성되되, 상기 모듈은 송신전압원, 상기 송신전압원의 +전극과 연결되는 어퍼스위치, 상기 어퍼스위치와 송신전압원의 -전극 사이에 연결되는 다운스위치, 상기 어퍼스위치와 다운스위치 접점에 연결되는 레벨 보정 저항, 상기 어퍼스위치와 송신전압원 + 전극 노드와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 어퍼 논리 회로, 상기 다운스위치와 송신전압원 - 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 다운 논리 회로로 구성되며, 상기 어퍼스위치와 다운 스위치는 인터록 관계로 스위칭 되어 도통되며, 상기 모듈은 복수로 대칭 배선 연결되며, 송수신 신호를 중첩하여 얻은 3 레벨 전압신호가 상기 어퍼 논리 회로와 다운 논리 회로에서 각각의 어퍼 추출 신호와 다운 추출 신호로 변환하여 얻은 다음 상기 신호를 배타적 논리합으로 얻은 배타 논리 신호와 송신 신호를 재차 배타적 논리합으로 전개하여 수신신호를 검출하도록 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치에 관한 것이다.

Description

3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치{Full-duplex Type Communication device By 3-Level Communication}
본 발명은 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 송수신 신호를 중첩하여 3 레벨 전압으로 형성하여 동시에 양방향 통신을 하는 통신 장치에 있어서, 상기 통신 장치는 송수신을 하는 모듈로 구성되되, 상기 모듈은 송신전압원, 상기 송신전압원의 +전극과 연결되는 어퍼스위치, 상기 어퍼스위치와 송신전압원의 -전극 사이에 연결되는 다운스위치, 상기 어퍼스위치와 다운스위치 접점에 연결되는 레벨 보정 저항, 상기 어퍼스위치와 송신전압원 + 전극 노드와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 어퍼 논리 회로, 상기 다운스위치와 송신전압원 -전극 사이와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 다운 논리 회로로 구성되며, 상기 어퍼스위치와 다운 스위치는 인터록 관계로 스위칭 되어 도통되며, 상기 모듈은 복수로 대칭 배선 연결되며, 송수신 신호를 중첩하여 얻은 3 레벨 전압신호가 상기 어퍼 논리 회로와 다운 논리 회로에서 각각의 어퍼 추출 신호와 다운 추출 신호로 변환하여 얻은 다음 상기 신호를 배타적 논리합으로 얻은 배타 논리 신호와 송신 신호를 재차 배타적 논리합으로 전개하여 수신신호를 검출하도록 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치에 관한 것이다.
최근 산업사회의 질적 향상을 위한 에너지 기반 디지털화가 진행됨에 따라 전기에 대한 의존도와 수요가 급속하게 증가하고 있다.
하지만 화석 에너지 고갈문제, 환경문제 등으로 인해 대형 발전소의 확충이 어려운 실정이다.
따라서 신재생 에너지원을 포함하는 새로운 전력망의 구축이 요구되고 있으며 이에 대한 대안으로 직류 마이크로그리드가 제시되었다.
이러한 마이크로그리드 시스템을 운용하기 위해서는 전력변환기의 대용량화가 필수적이나 단일 전력변환 스택으로는 한계가 있는 바 이러한 대용량화를 위해서는 다수의 전력변환기에 의한 병렬운전이 필수적이다.
이러한 전력변환기의 병렬운전은 통신에 의해서 이루어지며, 그 성능은 통신 속도에 의해 크게 결정되는데, 그 중 가장 일반적인 통신 방식은 RS485를 이용한 MODBUS 통신을 사용하고 있으나, 이 방식은 송수신 거리는 다소 좋으나, 송신과 수신을 동시에 할 수 없는 반이중(Half-duplex) 통신 방식이라는 단점이 있다.
이러한 반이중 통신 방식의 경우 통신 대상이 증가함에 따라 통신 주기가 증가하여 제어속도가 저하되는 한계가 존재하며 또한 사고 발생 시 신속한 보호협조가 이루어져야 하는 마이크로그리드와 같은 시스템에서는 큰 사고를 유발할 수 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 방식이 연구되고 있으며 그 대표적인 방식은 4선 통신 방식이 있으나 이는 통신선로가 긴 시스템을 구성할 때 경제적 부담감을 준다.
도 1은 기존 비동기 통신 방식의 개략적인 특성을 나타낸 것인데, 산업현장에서 장비간 정보공유를 위해 1:1로 연결하여 통신을 할 경우 3선 방식통신에서 송신과 수신을 동시에 할 수 있는 완전한 전이중 방식인 도 1 (A)와 같이 RS232C 통신방식을 채용한다.
그러나 여러 장치를 함께 연결하는 경우 RS232C 통신방식은 멀티 통신포트가 필요함에 따라 비용이 증가하는 단점으로 인하여 하나의 통신 선로에 여러 대 접속이 가능한 RS485(도 1 (B))/422 통신을 많이 채용하게 된다.
Specfication RS232C RS485
동작모드 Single-Ended Differential
최대 드라이버 수 1Driver 32Drivers
1Receiver 32Receivers
최대 도달거리 약 15m 약 1.2km
최고 통신속도 20kb/s 10Mb/s
지원 전송방식 Full Duplex Half Duplex
최대 출력전압 ±25V -7V to +12V
최대 입력전압 ±15V -7V to +12V
상기 표 1은 대표적인 비동기 통신 방식인 RS232 통식과 RS485 통신의 특성을 비교한 것이다.
RS485 방식은 최대 출력전압은 RS232 보다 낮지만 차동입력으로 인하여 최대도달거리 및 최고 통신속도가 우수 하나 반이중 통신방식으로 동시에 송수신을 할 수 없는 단점이 있다.
이와 달리 RS232 방식은 전이중 방식으로 동시간에 송신과 수신을 할 수 있는 장점이 있으나, 송신용 선과 수신용 선이 따로 존재하는 3선 방식이라는 단점이 있다.
따라서 2선 방식통신에서 송신과 수신을 동시에 할 수 있는 완전한 전이중(Full-duplex)통신 방식에 대한 연구가 절실히 필요하다.
더 나아가 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식을 사용할 경우 통신속도에 대한 단점을 극복하기 위해 통신신호 레벨에 의한 완전한 전이중 통신방식 구현이 가능한 새로운 통신용하드웨어 장치에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
또한 RS232 통식과 RS485 통신 방식에서는 통신선로에 통신 데이터 분석기 장착으로 통신프로토콜 유출이 쉬워 통신보안에 매우 취약한 단점이 있다.
결국 2선 방식 통신 방식에서 완전한 전이중 통신 방식을 구현하고자 하는 산업계의 요구에 대해 현재 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정과 문제점을 고려하여 창작된 것으로서, 다음과 같은 목적을 가진다.
(1) 본 발명의 목적은 2선 방식 통신으로 통신하는 두 장비에서 동일 통신선에 발신신호를 인가함과 동시에 수신 신호를 검출할 수 있는 방식으로 동 시간에 발신과 수신이 가능한 구조를 가진 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치를 제공함을 목적으로 한다.
(2) 본 발명의 또다른 목적은 통신하는 두 기기에서만 그 신호를 분석할 수 있는 토폴로지를 개발하여 매우 우수한 통신 보안성을 제공함에 있다.
(3) 본 발명의 또다른 목적은 기존의 디지털 신호에서의 2-레벨 신호 방식에서 벗어나 3-레벨의 전기적신호가 발생하여 동시간 완전한 전이중 통신방식을 구현할 수 있는 통신장치를 제공함을 목적으로 한다.
(4) 본 발명의 또다른 목적은 완전한 전이중 방식임에도 장거리 통신이 가능한 통신장치를 제공함을 목적으로 한다.
(5) 본 발명의 또다른 목적은 본 토포로지에 의한 동시간 완전한 전이중 통신방식 구현으로 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식보다 통신데이터 수수알고리즘이 간략화 될 수 있고, 반이중 통신 대비 2배 이상의 속도를 가져 다수의 전력변환기를 비롯한 디바이스들을 신속하게 제어할 수 있도록 함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 송수신 신호를 중첩하여 3 레벨 전압으로 형성하여 동시에 양방향 통신을 하는 통신 장치를 제공함을 특징으로 한다.
상기 통신 장치는 송수신을 하는 모듈로 구성된다.
상기 모듈은 송신전압원(100), 상기 송신전압원(100)의 + 전극과 연결되는 어퍼스위치(110), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 - 전극 사이에 연결되는 다운스위치(120), 상기 어퍼스위치(110)와 다운스위치(120) 접점에 연결되는 레벨 보정 저항(130), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 + 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항(130) 사이에 연결되는 어퍼 논리 회로(UL), 상기 다운스위치(120)와 송신전압원(100)의 - 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항(130) 사이에 연결되는 다운 논리 회로(DL)로 구성된다.
상기 어퍼스위치(110)와 다운 스위치(120)는 인터록 관계로 스위칭 되어 도통되어야 한다.
상기 모듈은 복수로 대칭 배선 연결될 수 있음을 특징으로 한다.
상기 어퍼 논리 회로(UL)는 어퍼 포토커플러(180), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 + 전극 사이의 접점과 상기 어퍼 포토커플러를 구성하는 발광소자인 다이오드의 양극단자와 연결되는 어퍼 저항(140), 상기 어퍼 포토커플러(180)를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원(Vcc), 상기 전압원(Vcc)과 상기 어퍼 포토 커플러(180)를 구성하는 수광소자 사이에 연결되는 어퍼 추출 저항(160)으로 구성된다.
상기 다운 논리 회로(DL)는 상기 레벨 보정 저항(130)과 상기 어퍼 포토커플러(180)를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극 단자 사이에 연결되는 다운 포토커플러(190), 상기 다운 포토커플러(190)를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극단자와 상기 송신전압원의 - 전극과 상기 다운스위치(120) 사이에 연결되는 다운 저항(150), 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원(Vcc), 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자와 그라운드 사이에 연결되는 다운 추출 저항(170)으로 구성된다.
상기 모듈간에 대칭으로 연결되어 각각의 모듈이 송신신호(Tx)와 수신신호(Rx)가 동시에 인가되는 경우 각각의 모듈이 수신 신호(Rx)를 추출하는 방식은 다음과 같다.
각각의 모듈마다 수신신호(Rx)는 상기 어퍼 포토 커플러(180)를 구성하는 수광소자와 상기 어퍼 추출 저항(160) 접점에서 검출되는 어퍼 추출 신호(P1)와 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자와 다운 추출 저항(170) 접점에서 검출되는 다운 추출 신호(P2)를 배타적 논리합으로 연산하여 얻은 배타 논리 신호(VHL)와 상기 어퍼스위치(110)와 상기 다운스위치(120) 접점에서 검출되는 송신 신호(Tx)를 검출한후, 상기 배타 논리 신호(VHL)와 상기 송신 신호(Tx)를 다시 배타적 논리합으로 연산하여 얻는다.
상기 어퍼스위치(110)와 다운스위치(120)는 역방향으로 도통되는 다이오드를 포함함을 특징으로 한다.
상기 모듈은 1 대 1 혹은 1 대 다수 혹은 다수 대 다수 방식으로 연결될 수 있음을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
(1) 본 발명은 2선 방식 통신으로 통신하는 두 장비에서 동일 통신선에 발신신호를 인가함과 동시에 수신 신호를 검출할 수 있는 방식으로 동 시간에 발신과 수신이 가능한 구조를 가져 3 레벨 통신방식으로 완전한 전이중방식 통신을 구현할 수 있다.
(2) 본 발명은 송신부에서는 데이터 전송용 2 레벨의 신호가 발생하나 수신부에서는 수신부에서 발생하는 송신데이터의 상태에 따라 3-레벨의 전기적신호가 발생하게 되며 이 신호에는 발신부의 데이터 전송신호와 수신부의 데이터 전송신호 정보가 동시에 존재하게 됨에 따라 수신측은 현재의 송신 신호에 대한 정보에 의해 수신신호를 분석할 수 있게 되며, 이는 통신하는 두 기기에서만 그 신호를 분석할 수 있으므로 통신의 보안성 면에서 매우 우수하다.
(3) 본 발명은 기존의 디지털 신호에서의 2 레벨 신호 체계에서 벗어나 3-레벨의 전기적신호가 발생하여 동시간 완전한 전이중 통신방식을 구현할 수 있되, 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식보다 통신데이터 수수알고리즘이 간략화 된다.
(4) 본 발명은 동시간 완전한 전이중 통신방식 구현으로 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식보다 통신데이터 수수알고리즘이 간략화 될 수 있고, 반이중 통신 대비 2배 이상의 속도를 가져 다수의 전력변환기를 비롯한 디바이스들을 신속하게 제어할 수 있게 됨에 따라 사고에 신속한 대응이 이뤄질 수 있다.
(5) 본 발명은 하프 브릿지 구조에 의한 송신회로를 구축할 수 있으므로 송신선의 전압을 높여 완전한 전이중 방식임에도 장거리 통신이 가능하다.
(6) 본 발명은 통신보안이 요구되는 선로 및 장거리화가 요구되는 선로에서 활용이 기대된다.
(7) 본 발명은 병렬운전이 필요한 시스템에서 발생할 수 있는 부하 분담 불균형과 순환전류에 대한 문제점을 개선한다.
도 1은 기존의 전이중 통신 방식과 반이중 통신 방식에 의한 통신방식을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 개략적인 스키메틱을 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치를 이루는 하나의 모듈의 스키메틱을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 송수신측의 전반적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 어느 하나의 모듈에서 수신신호를 검출하는 논리식을 나타낸 논리회로도이다.
도 6은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 각 노드에서검출되는 신호를 동일한 시간대를 X축으로 하여 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치를 시뮬레이션으로 구현하여 나타낸 스키메틱과 시뮬레이션 검출 신호를 동시에 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치가 적용된 시뮬레이션 회로도이다.
도 9는 상기 도 8의 시뮬레이션 회로도에 의한 시뮬레이션 결과파형을 나타내되, 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치가 적용되지 않은 기존의 통신방식에 의한 결과파형과 본 발명이 적용된 결과파형을 비교한 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 기존의 전이중 통신 방식과 반이중 통신 방식에 의한 통신방식을 개념적으로 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 개략적인 스키메틱을 나타낸 회로도이고, 도 3은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치를 이루는 하나의 모듈의 스키메틱을 나타낸 회로도이며, 도 4는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 송수신측의 전반적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 어느 하나의 모듈에서 수신신호를 검출하는 논리식을 나타낸 논리회로도이며, 도 6은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치의 각 노드에서검출되는 신호를 동일한 시간대를 X축으로 하여 비교하여 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치를 시뮬레이션으로 구현하여 나타낸 스키메틱과 시뮬레이션 검출 신호를 동시에 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치가 적용된 시뮬레이션 회로도이고, 도 9는 상기 도 8의 시뮬레이션 회로도에 의한 시뮬레이션 결과파형을 나타내되, 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치가 적용되지 않은 기존의 통신방식에 의한 결과파형과 본 발명이 적용된 결과파형을 비교한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명은 송수신 신호를 중첩하여 3 레벨 전압으로 형성하여 동시에 양방향 통신을 하는 통신 장치를 제공함을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면 상기 통신 장치는 송수신을 하는 모듈로 구성된다.
도 3 및 4를 참조하면 상기 모듈은 송신전압원(100), 상기 송신전압원(100)의 + 전극과 연결되는 어퍼스위치(110), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 - 전극 사이에 연결되는 다운스위치(120), 상기 어퍼스위치(110)와 다운스위치(120) 접점에 연결되는 레벨 보정 저항(130), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 + 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항(130) 사이에 연결되는 어퍼 논리 회로(UL), 상기 다운스위치(120)와 송신전압원(100)의 - 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항(130) 사이에 연결되는 다운 논리 회로(DL)로 구성된다.
도 2 내지 4를 참조하면 상기 어퍼스위치(110)와 다운 스위치(120)는 인터록 관계로 스위칭 되어 도통되어야 한다.
만약 상기 어퍼스위치(110)와 다운스위치(120)이 모두 오프되는 경우 출력은 하이 임피던스 상태로서 전송 불가상태가 된다.
상기 어퍼스위치가 온되고 다운스위치가 오프 되면 직렬통신 2진 값 '1'을 전송하게 되어 Vs(Vs1..n)값은 송신전압원과 같게 되고, 반대로 상기 어퍼스위치가 오프되고 다운스위치가 온 되면 직렬통신 2진 값 '0'을 전송하게 되어 Vs(Vs1..n)값은 0이 된다.
이때 VL(VL1....n)값은 출력 임피던스 저항(레벨 보정 저항을 일반 회로에서 지칭하는 용어)으로 인해 상대방 출력레벨에 의해 3-레벨로 나타나게 된다.
선로 임피던스(배선 저항(RL))은 출력 임피던스 저항(레벨 보정 저항)에 비하면 매우 작으므로 본 발명의 통신장치 사이의 통신거리(배선거리)가 비현실적으로 매우 길지 않는 이상 본 발명의 효과에는 영향을 미치지 않는다고 가정해야 한다.
즉 배선 저항(RL)은 실제 배선에 미미하게 나마 존재하기 때문에 당연히 본 발명의 회로에 표기된 것(표기되지 않더라도 당연히 있는 성분이므로 존재한다고 봐야 한다)으로서, 본 발명의 구성에 있어서 본 발명의 특유한 효과를 담보하거나, 효과에 영향을 미치는 구성은 아님에 주의해야 한다.
도 2 내지 4를 참조하면 상기 모듈은 복수로 대칭 배선 연결될 수 있음을 특징으로 한다.
도 3 및 4를 참조하면 상기 어퍼 논리 회로(UL)는 어퍼 포토커플러(180), 상기 어퍼스위치(110)와 송신전압원(100)의 + 전극 사이의 접점과 상기 어퍼 포토커플러를 구성하는 발광소자인 다이오드의 양극 단자와 연결되는 어퍼 저항(140), 상기 어퍼 포토커플러(180)를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원(Vcc), 상기 전압원(Vcc)과 상기 어퍼 포토 커플러(180)를 구성하는 수광소자 사이에 연결되는 어퍼 추출 저항(160)으로 구성된다.
도 3 및 4를 참조하면 상기 다운 논리 회로(DL)는 상기 레벨 보정 저항(130)과 상기 어퍼 포토커플러(180)를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극 단자 사이에 연결되는 다운 포토커플러(190), 상기 다운 포토커플러(190)를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극 단자와 상기 송신전압원의 - 전극과 상기 다운스위치 사이에 연결되는 다운 저항 다운 저항(150), 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원(Vcc), 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자와 그라운드 사이에 연결되는 다운 추출 저항(170)으로 구성된다.
본 발명은 2선 방식 통신으로 통신하는 두 장비에 있어서 동일 통신선에 송신신호를 인가함과 동시에 수신 신호를 검출할 수 있는 방식으로 동 시간에 발신과 수신이 가능한바, 송신부에서는 데이터 전송용 2 레벨의 신호가 발생하나 수신부에서는 발생하는 송신신호에 따라 3-레벨의 전기적 신호가 발생하게 되며, 이 신호에는 송신부의 데이터 전송 신호와 수신부의 데이터 전송신호 정보가 동시에 존재하게 되는 것이 특징이다.
구체적으로 설명하면, 본 발명의 구성에 따른 모듈1과 2 사이에 통신이 이뤄지게 되는 경우, 모듈 1과 2의 수신전압 VL1과 VL2는 송신측 전압 또는 수신측 전압에 의해 결정되는바 두 송신 측 전압이 동일한 경우에는 송신전압이 검출되고 상이한 경우에는 송신전압의 절반에 해당하는 전압이 검출된다.
이러한 논리 구조에 의해 수신단의 출력전압은 송신측과 수신측의 송신정보에 따라 3-레벨이 된다.
따라서 송신측과 수신측의 송신상태에 따라 3-레벨 전압이 형성된 수신정보와 송신정보를 조합하면 수신정보를 얻을 수 있게 되는 것이다.
더불어 수신측은 현재의 송신 신호에 대한 정보에 의해 수신신호를 분석할 수 있게 되고, 이는 통신하는 두 기기에서만 그 신호를 분석할 수 있으므로 통신 보안성 측면에 있어서도 매우 우수한 것이다.
상세히 설명하면 통신라인에서 발생하는 3-레벨 신호로부터 한 모듈의 송신 데이터의 정보 부재시 상대방 송신신호를 분리하는 것이 불가능하며, 특히 같은 아스키 문자를 송신하더라도 비동기 통신이기 때문에 통신선에 나타나는 3-레벨신호는 상이한 형태로 나타나게 되며(도 7 참조) 따라서 중요 신호 수신 시 수신부에서는 보안신호로 송신기를 동작하면 통신라인 중간에서 타 기기가 정확한 송신 데이터를 취득하는 것은 불가능하게 되는바 이는 통신 보안성 측면면에서 매우 우수할 것으로 예상한다.
도 5를 참조하면 상기 모듈간에 대칭으로 연결되어 각각의 모듈이 송신신호(Tx)와 수신신호(Rx)가 동시에 인가되는 경우 각각의 모듈이 수신 신호(Rx)를 추출하는 방식은 다음과 같다.
도 5 및 6을 참조하면 각각의 모듈마다 수신신호(Rx)(즉 상대 통신 모듈의 송신신호)는 상기 어퍼 포토 커플러(180)를 구성하는 수광소자와 상기 어퍼 추출 저항(160) 접점에서 검출되는 어퍼 추출 신호(P1)와 상기 다운 포토 커플러(190)를 구성하는 수광소자와 다운 추출 저항(170) 접점에서 검출되는 다운 추출 신호(P2)를 배타적 논리합으로 연산하여 얻은 배타 논리 신호(VHL)와 상기 어퍼스위치(110)와 상기 다운스위치(120) 접점에서 검출되는 송신 신호(Tx) 검출한후, 상기 배타 논리 신호(VHL)와 상기 송신 신호(Tx)를 다시 배타적 논리합으로 연산하여 얻는다.
도 2 내지 4를 참조하면 상기 어퍼스위치(110)와 다운스위치(120)는 역방향으로 도통되는 다이오드를 포함함을 특징으로 한다.
상기 모듈은 1 대 1 혹은 1 대 다수 혹은 다수 대 다수 방식으로 연결될 수 있음을 특징으로 한다.
도 7은 다시 말하면 본 발명의 통신방식의 타당성을 검증하기 위한 시뮬레이션 회로도인데, 시뮬레이션 회로는 크게 통신신호 발생용 하프브릿지(Half-bridge) 인버터와 3-레벨을 검출하기 위한 포토커플러를 전압센서와 비교기로 모델링하여 구성하였고, 또한 수신신호를 검출할 수 있는 배타적 논리합회로로 구성하였으며, 직렬 송신신호는 DLL에서 비쥬얼 C를 이용하여 발생시킬 수 있도록 하였다.
도 7 좌측은 비동기 직렬통신을 확인하기 통신조건 즉, 9600bps, 8-bit 데이터, 1개의 스톱비트, 노-페리티로 설정하여 진행된 시뮬레이션 결과인바, 모듈1의 송신신호인 VS1은 16진수 0X55인 아스키코드 문자 ‘U'가 발생하고 있으며, 모듈2의 송신신호인 VS2는 16진수 0X4E인 아스키코드 문자 ‘N'이 발생하고 있다.
두 모듈의 실시간 전이중 송신신호인 ‘U'와 ‘N'의 송신 데이터에 의해 통신라인에는 VL1과 같은 3-레벨 수신신호가 발생하게 되는바, 결국 통신라인의 전압레벨은 각 모듈 VS1과 VS2 두 송신신호 의해 결정된다.
도 7을 참조하면 수신 측에서 통신라인의 3-레벨 전압을 검출하여 상대방 송신데이터를 얻기 위해서는 현재 발생하는 송신데이터와 조합에 의해 얻을 수 있게되는데, 발생된 VL1신호를 기반으로 한 포토커플러의 출력 P1, P2와 송신신호(Tx) 수신신호(Rx)를 얻을 수 있다.
컨버터 용량증대를 위한 병렬운전
본 발명의 바람직한 실시예의 하나로서, 컨버터 용량증대를 위한 병렬운전에 관한 시뮬레이션을 진행하였고, 그에 대한 컨버터 병렬운전 시뮬레이션은 도 8에 나타내었고, 그 결과는 도 9에 나타내었다.
마이크로그리드 시스템과 같이 전력변환기의 대용량이 요구되는 시스템의 경우 단일 스택으로 용량을 증대하는 것은 한계가 존재하며, 따라서 용량을 증대하기 위해 다수의 전력변환기에 의한 병렬운전 기법이 요구되는바, 이러한 병렬운전의 제어 성능은 통신 속도에 의해 크게 영향을 받는다.
도 8은 용량 증대를 위해 병렬로 구성된 컨버터(전력변환기)에 본 발명인 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치(시뮬레이션상으로는 방식으로 구현됨)를 적용하였을 때 제어 특성의 우수성을 확인하기 위한 시뮬레이션 회로도이다.
회로구성은 전압제어를 수행하는 마스터 컨버터 1개와 전류제어를 수행하는 컨버터 2개로 구성하였으며, 마스터 컨버터에서 발생시킨 전류 지령 송신신호는 슬레이브 컨버터를 제어하는 DLL에서 직접 수신하여 부하분담이 이루어질 수 있도록 하고, 병렬운전을 할 경우 통신 속도에 의한 제어의 영향을 알아보기 위해 115200bps, 2-byte의 데이터, 1byte의 CRC로 프로토콜이 구성되어 있다고 가정하고, 프로토콜에 의한 통신 주기는 DLL을 이용하여 구현하였으며, 통신 주기에 따른 전류 지령치를 슬레이브 컨버터에 지령하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도 9는 기존 통신 방식과 본 발명에 따른 통신 방식을 이용하여 부하분담을 수행한 시뮬레이션 결과 파형이다.
도 9를 참조하면 위에서부터 출력전압, 각 컨버터의 리액터전류, 통신에 의한 전류 지령치, 그리고 전류 지령치의 확대파형 순서로 나열하였고 통신 방식의 차이에 관계없이 각 컨버터의 제어기는 동일하게 설정하였으며, 약 250ms 주기로 부하를 변경하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도 9의 (a)를 참조하면 기존 직렬 통신을 이용하여 부하분담을 할 경우 부하분담은 정상적으로 수행되지만 통신 주기에 의해 컨버터의 전류 지령치가 약 1.4ms 지연되는 것을 확인하였고, 이는 전력변환기의 수가 증가함에 따라 통신에 의해 제어의 지연이 커지게 되고 이는 전류리플과 전압리플을 상승하게 만들어 전력의 품질을 저하시키는 원인이 된다.
도 9의 (b)를 참조하면 본 발명에 따른 통신장치를 적용한 통신 방식을 이용할 경우 부하분담을 기존 방식에 비해 2배 이상 빠르게 제어할 수 있고, 무엇보다도, 전력품질이 개선되는 효과가 나타나며, 이는 컨버터의 수가 증가할수록 차이가 커지게 되는 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
(1) 본 발명은 2선 방식 통신으로 통신하는 두 장비에서 동일 통신선에 발신신호를 인가함과 동시에 수신 신호를 검출할 수 있는 방식으로 동 시간에 발신과 수신이 가능한 구조를 가져 3 레벨 통신방식으로 완전한 전이중방식 통신을 구현할 수 있다.
(2) 본 발명은 송신부에서는 데이터 전송용 2 레벨의 신호가 발생하나 수신부에서는 수신부에서 발생하는 송신데이터의 상태에 따라 3-레벨의 전기적신호가 발생하게 되며 이 신호에는 발신부의 데이터 전송신호와 수신부의 데이터 전송신호 정보가 동시에 존재하게 됨에 따라 수신측은 현재의 송신 신호에 대한 정보에 의해 수신신호를 분석할 수 있게 되며, 이는 통신하는 두 기기에서만 그 신호를 분석할 수 있으므로 통신의 보안성 면에서 매우 우수하다.
(3) 본 발명은 기존의 디지털 신호에서의 2 레벨 신호 체계에서 벗어나 3-레벨의 전기적신호가 발생하여 동시간 완전한 전이중 통신방식을 구현할 수 있되, 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식보다 통신데이터 수수알고리즘이 간략화 된다.
(4) 본 발명은 동시간 완전한 전이중 통신방식 구현으로 시분할 방식에 의한 전이중 통신방식보다 통신데이터 수수알고리즘이 간략화 될 수 있고, 반이중 통신 대비 2배 이상의 속도를 가져 다수의 전력변환기를 비롯한 디바이스들을 신속하게 제어할 수 있게 됨에 따라 사고에 신속한 대응이 이뤄질 수 있다.
(5) 본 발명은 하프 브릿지 구조에 의한 송신회로를 구축할 수 있으므로 송신선의 전압을 높여 완전한 전이중 방식임에도 장거리 통신이 가능하다.
(6) 본 발명은 통신보안이 요구되는 선로 및 장거리화가 요구되는 선로에서 활용이 기대된다.
(7) 본 발명은 병렬운전이 필요한 시스템에서 발생할 수 있는 부하 분담 불균형과 순환전류에 대한 문제점을 개선한다.
100 : 송신 전압원
1001 : 모듈 1 송신 전압원 1002 : 모듈 2 송신 전압원
110 : 어퍼 스위치
1101 : 모듈 1 어퍼 스위치 1102 : 모듈 2 어퍼 스위치
120 : 다운 스위치
1201 : 모듈 1 다운 스위치 1202 : 모듈 2 다운 스위치
130 : 레벨 보정 저항
1301 : 모듈 1 레벨 보정 저항 1302 : 모듈 2 레벨 보정 저항
UL : 어퍼 논리 회로 DL : 다운 논리 회로
140 : 어퍼 저항
1401 : 모듈 1 어퍼 저항 1402 : 모듈 2 어퍼 저항
150 : 다운 저항
1501 : 모듈 1 다운 저항 1502 : 모듈 2 다운 저항
160 : 어퍼 추출 저항
1601 : 모듈 1 어퍼 추출 저항 1602 : 모듈 2 어퍼 추출 저항
170 : 다운 추출 저항
1701 : 모듈 1 다운 추출 저항 1702 : 모듈 2 다운 추출 저항
180 : 어퍼 포토커플러
1801 : 모듈 1 어퍼 포토커플러 1802 : 모듈 2 어퍼 포토커플러
190 : 다운 포토커플러
1901 : 모듈 1 다운 포토커플러 1902 : 모듈 2 다운 포토커플러
Vs1,2 : 송신 신호 VL1,2 : 송수신 중첩 신호
P1,3 : 어퍼 추출 신호 P2,4 : 다운 추출 신호
VHL : 배타 논리 신호 Rx : 수신 신호
Tx : 송신 신호 RL : 배선 저항

Claims (5)

  1. 송수신 신호를 중첩하여 3 레벨 전압으로 형성하여 동시에 양방향 통신을 하는 통신 장치에 있어서,
    상기 통신 장치는 송수신을 하는 모듈로 구성되되,
    상기 모듈은 송신전압원, 상기 송신전압원의 + 전극과 연결되는 어퍼스위치, 상기 어퍼스위치와 송신전압원의 - 전극 사이에 연결되는 다운스위치, 상기 어퍼스위치와 다운스위치 접점에 연결되는 레벨 보정 저항, 상기 어퍼스위치와 송신전압원의 + 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 어퍼 논리 회로, 상기 다운스위치와 송신전압원의 - 전극 사이와 상기 레벨 보정 저항 사이에 연결되는 다운 논리 회로로 구성되며,
    상기 어퍼스위치와 다운 스위치는 인터록 관계로 스위칭 되어 도통되며,
    상기 모듈은 복수로 대칭 배선 연결되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 어퍼 논리 회로는 어퍼 포토커플러, 상기 어퍼스위치와 송신전압원의 + 전극 사이의 접점과 상기 어퍼 포토커플러를 구성하는 발광소자인 다이오드의 양극 단자와 연결되는 어퍼 저항, 상기 어퍼 포토커플러를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원, 상기 전압원과 상기 어퍼 포토 커플러를 구성하는 수광소자 사이에 연결되는 어퍼 추출 저항으로 구성되며,
    상기 다운 논리 회로는 상기 레벨 보정 저항과 상기 어퍼 포토커플러를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극 단자 사이에 연결되는 다운 포토커플러, 상기 다운 포토커플러를 구성하는 발광소자인 다이오드의 음극 단자와 상기 송신전압원의 - 전극과 상기 다운스위치 사이에 연결되는 다운 저항, 상기 다운 포토 커플러를 구성하는 수광소자에 전원을 공급하는 별도의 전압원, 상기 다운 포토 커플러를 구성하는 수광소자와 그라운드 사이에 연결되는 다운 추출 저항으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 모듈 상호간에 대칭형태로 연결되어 각각의 모듈이 송신신호와 수신신호가 동시에 인가되는 경우 각각의 모듈이 수신 신호를 추출하는 방식은,
    상기 어퍼 포토 커플러를 구성하는 수광소자와 상기 어퍼 추출 저항 접점에서 검출되는 어퍼 추출 신호와 상기 다운 포토 커플러를 구성하는 수광소자와 다운 추출 저항 접점에서 검출되는 다운 추출 신호를 배타적 논리합으로 연산하여 얻은 배타 논리 신호와 상기 어퍼스위치와 상기 다운스위치 접점에서 검출되는 송신 신호를 검출한후, 상기 배타 논리 신호와 상기 송신 신호를 다시 배타적 논리합으로 연산하여 얻는 것을 특징으로 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 어퍼스위치와 다운스위치는 역방향으로 도통되는 다이오드를 포함함을 특징으로 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모듈은 1 대 1 혹은 1 대 다수 혹은 다수 대 다수 방식으로 연결되어 양방향 통신을 하는 것을 특징으로 하는 3 레벨 통신에 의한 전이중방식 통신 장치.
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