KR102175898B1 - 전원공급 및 다중접속이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법 - Google Patents

Abstract

직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법에 관한 것으로, 마스터 장치와 다수의 슬레이브 장치를 2선식 무극성으로 연결하여 직류 전원과 디지털 데이터 통신을 가능하게 한 통신방법에 있어서; 마스터 장치는 선로의 전압변동을 데이터 발생 신호로 사용하고, 슬레이브 장치는 마스터 장치로부터 공급받은 전류의 소비량을 증감하여 데이터 발생 신호로 사용하여 통신하는 것을 특징으로 하는 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법을 제공한다. 실시예에 따른 직류 전원공급이 가능하고 다중접속으로 연결되는 통신 시스템에 있어서 마스터의 전송은 공급전압을 변동(예 12v -> 9v)하여 전송하고, 디코딩 방식은 Pulse Position Modulation 방식을 사용하여 전원 공급능력을 확보한다.

Description

전원공급 및 다중접속이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법 {TWO-WIRE DIGITAL DATA COMMUNICATION METHOD WITH POWER SUPPLY AND MULTIPLE CONNECTION}

전원공급 및 다중접속이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법에 관한 것으로, 구체적으로 센서 네트워크에서 하나의 마스터 장치가 단지 2개의 선로를 통하여 선로에 병렬로 연결된 다수개의 슬레이브 장치들과 디지털 데이터 통신을 수행하면서 슬레이브 장치에 전력을 공급할 수 있도록 한 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로, 통신 및 전력전달회로에 있어 서로 가까운 거리에 떨어져 있는 마스터 장치와 슬레이브 장치 사이에 2진 데이터를 송수신하는 경우, 통상 직류신호를 직접 송수신하는 방법이 많이 사용되었다. 그러나, 이는 슬레이브 장치 측 자체 내에 전원을 내장하지 않고 전원을 마스터 장치 측으로부터 공급받고자 할 때 전원선과 데이터 신호선을 병행하여 별도로 설치하여야 하였으므로 불필요한 선의 낭비와 설치상의 복잡성 등이 뒤따랐다.

최근 반도체 산업의 눈부신 기술발전에 힘입어 고집적화뿐만 아니라 소자의 소비전력을 줄이는데도 많은 성과를 거두면서 하나의 선로가 통신과 전원공급을 겸할 수 있도록 한 기술들이 개시되고 있다. 예컨대, 종래 스텝 다운(Step down) DC-DC 컨버터의 정적 소비전류 즉, 무부하 상태에서의 소비전류는 mA급으로 전원장치만으로도 수십개가 병렬로 선로에 접속되면 무시할 수 없는 부하가 되어 하나의 선로가 통신과 전원공급을 겸하는데 무리가 있었지만, 몇몇 반도체 회사에서 정적소비전류가 수 uA 급의 스텝 다운(Step Down) DC-DC 컨버터를 출시하였으며, 또한 가장 많은 전력을 소모하는 MCU(Micro Control Unit) 역시 저전압 저 소비전력화가 진행되어 150uA/Mhz 클럭의 소비전력을 갖는 등의 제품들이 잇달아 발표되고 있다.

예를 들어, 산업용 직류전원으로 흔히 사용되는 24V 전원에서 효율 70%의 DC-DC 컨버터를 통하여 3V에서 8Mhz로 동작하는 MCU가 소비하는 전류를 살펴보면, 0.00015×8/(24×0.7/3)=214.2uA가 되며, DC-DC 컨버터의 정적인 소비전류 3uA를 더하면 약 217uA가 되어 100개의 슬레이브 장치를 하나의 선로에서 전원을 공급한다 하여도 대략 30mA를 넘기지 않고 해결하는 것이 가능하다.

또한, 슬레이브 쪽 MCU에 내장된 타이머와 절전모드를 이용하여 정상모드로 0.1초 안에 내장된 ADC로 데이터를 수집한 후 전송을 마치고 0.9초 동안 소비전류가 수 uA에 불과한 절전모드로 대기하는 방식으로 운용하면 선로의 부하를 더욱 줄일 수 있다.

한편, 기기 내부나 가정에서 운용되는 센서네트워크와는 달리 대형 건축물이나 산업현장에서 운용되는 센서 네트워크처럼 긴 전송 선로를 갖는 경우 선로가 갖는 R, L, C 성분의 증가로 고속통신이 어려워지는데 그 이유는 기존의 통신 방법이 전압의 레벨 변화를 이용하기 때문이다.

종래에는 분압저항에 의한 레벨 변화를 통신의 수단으로 하였는데, 이 경우 선로의 길이는 불과 10여 미터 내외로 한정될 수밖에 없을 것이며, 슬레이브 장치의 증가에 따라 마스터 측의 분압저항은 수정될 수밖에 없으므로 추가 가능한 슬레이브 역시 매우 제한적일 수밖에 없다.

또한, 4선식으로 운용되는 RS-485, CAN(Control Area Network) 등의 규격이 있으나 유극성 4선인 까닭에 오결선에 의한 사고의 위험을 가지고 있고, 높은 선로비용이 문제가 된다.

1. 한국 등록특허 제 10-0623045호(2006.09.05)

상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)을 내장한 마스터 장치와 역시 MCU를 내장한 슬레이브장치에 있어 마스터 장치가 슬레이브 장치에게 데이터를 보내는 방법으로 전압변동방식을 이용하고, 슬레이브 장치가 마스터 장치에 데이터를 보내는 방법으로는 마스터로부터 공급되는 전원으로부터 자신의 소비전류를 가감하는 방법을 활용하여 직류 전원공급과 디지털 데이터 통신이 가능하도록 한 2선식 디지털 데이터 통신방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

실시예에서는 마스터 장치와 다수의 슬레이브 장치를 2선식 무극성으로 연결하여 직류 전원과 디지털 데이터 통신을 가능하게 한 통신방법에 있어서; 상기 마스터 장치는 선로의 전압변동을 데이터 발생 신호로 사용하고, 상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치로부터 공급받은 전류의 소비량을 증감하여 데이터 발생 신호로 사용하여 통신하는 것을 특징으로 하는 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법을 제공한다.

이때, 상기 마스터 장치는 마스터 MCU에 내장된 두 개의 콤퍼레이터가 소비전류에 의해 발생된 펄스를 상승엣지에서 인터럽트시키고, 내장된 타이머를 동작시켜 일정 폭의 통신용 펄스를 얻은 다음 내장된 통신장치의 수신부에 입력하여 데이터를 획득하며; 상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치로부터 수신된 전압변동 신호가 서로반대 동작하도록 배선된 슬레이브 MCU에 내장된 두 개의 콤퍼레이터에 의해 상승 엣지에서 인터럽트를 발생시키고, MCU가 콤퍼레이터의 인터럽트에 의해 타이머를 작동시켜 일정한 폭의 통신용 펄스를 얻고 이를 내장된 통신 장치의 수신부에 입력하여 데이터를 획득하는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 마스터 장치에서는 트랜스포머의 상승 엣지와 역기전력을 검출하여 방형파의 시작과 끝을 생성하는 신호로 통신에 사용하고; 상기 슬레이브 장치에서는 선로의 전압이 변동된 시점들을 방형파의 시작과 끝을 생성하는 신호로 사용하는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 마스터 장치에서 트랜스포머의 위치에 콘덴서와 저항으로 구성되는 미분회로 혹은 미분기를 두어 방형파의 상승과 하강을 검출하고, 이를 방형파 생성의 신호로 사용하는 것에도 그 특징이 있다.

실시예에서는 2선 무극성을 이용하여 마스터에서 슬레이브로 데이터 전송 시 선로의 전압을 변동시킴으로써 빠른 데이터 통신이 가능하고, 타이머의 출력을 데이터로 활용함으로써 통신오류를 줄여 신뢰성을 높이며, 통신과 전원 공급을 2선 무극성을 이용하여 해결하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전형적인 센서 네트워크를 보인 구성도
도 2는 본 발명에 따른 데이터 통신방법을 설명하기 위한 마스터 장치의 회로 구성을 보인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 데이터 통신방법을 설명하기 위한 슬레이브 장치의 회로 구성을 보인 구성도
도 4는 연속신호를 PAM, PDM, PPM, PCM의 펄스 변조 방식을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 데이터 송신 과정을 나타낸 도면

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

실시예에 따른 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법은 단지 2선을 이용하여 전력을 공급하면서 디지털 데이터통신이 가능하도록 구현된다. 즉, MCU를 내장한 마스터 장치와 역시 MCU를 내장한 슬레이브장치에 있어, 마스터 장치가 슬레이브 장치에게 데이터를 보낼 때는 선로의 전압변동을 이용하고, 슬레이브 장치가 마스터 장치로 데이터를 보낼 때에는 마스터로부터 공급되는 전원으로부터 자신의 소비전류를 가감하는 방법을 이용함으로써 직류 전원공급과 디지털 데이터 통신을 모두 구현할 수 있다.

이때, 마스터 장치에서 슬레이브 장치로 데이터 전송 시 두개의 전원을 스위칭 하여 빠르게 전압레벨을 변경 시킨다.

또한, 선로의 전압변동을 신호로 타이머를 작동시키고 타이머의 출력을 데이터로 이용하는데 그 까닭은 비 동기 통신에서 데이터의 신뢰성은 장치 내부 클럭의 정밀성과 선로가 특정 상태를 유지하는 시간의 정밀성에 의해 결정되기 때문이다. 다시 말해, 데이터는 전압변동 자체가 아니라 변동된 전압 상태를 유지하는 시간인 것이다. 그러나, 선로가 길어지면 여러가지 원인으로 선로의 상태 유지시간은 달라질 수 있으며 이는 통신 오류로 직결된다.

따라서, 본 발명에서는 전압변동 신호로 작동하는 타이머를 이용해 데이터를 발생하는 것인데, 타이머의 출력이 데이터로 작용하며 전압변동의 신호는 데이터로 작용하는 것이 아니라 타이머가 데이터를 발생시키는 근거로 작용하는 것이다.

한편, 슬레이브 장치에서 마스터 장치로 데이터 전송 시에는 슬레이브 장치에 설치된 신호용 저항을 통하여 정적 소비전류의 수배 이상의 의 전류를 소모하고 이를 마스터 장치의 라인드라이버 전단의 전원에 설치된 전류센서(트랜스포머)를 이용하여 스위칭 순간을 펄스의 형태로 획득하고 역시 타이머를 통하여 데이터를 발생하는 방식으로 통신을 구현하므로 마스터 장치에서 슬레이브로 장치로 다소 느리나 기존의 RS-485 등의 규격과는 동등 혹은 그 이상의 통신속도를 기대 할 수 있으며 무엇보다 큰 장점은 통신과 전원공급을 단지 2선 무극성으로 해결한다는 것이다.

예컨대, 도 1에 도시된 예는 다중화 된 마스터 장치(200)의 상위 통신수단으로 이더넷을 두어 PC와 연결되는 전형적인 센서 네트워크이다. 이때, 2선에 의해 상기 마스터 장치(200)와 연결되는 슬레이브 장치(100)는 자동화재탐지설비와 같이 전형적으로 저 소비전력 형식의 센서모듈이 될 수 있고, 혹은 산업현장에서 온도, 압력, 유속, 유량 등을 측정하는 센서 모듈이 될 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 개념인 무극성 2선식 쌍방향 통신이라는 장점을 활용하여 DC 전력선과 함께 통신전용 수단으로 사용하면서 다양한 종류의 제어수단과 함께 사용할 수 있을 것이므로 그 응용분야가 광범위해 질 것으로 기대된다. 보다 구체적으로, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 슬레이브 장치(100)의 구현 예를 살펴보면 다음과 같다. 예컨대, 상기 슬레이브 장치(100)에 적용하는 예로, MCU(100)의 전송단 Tx는 슬레이브 장치(100)의 MCU(110)에 내장된 통신장치(USART: Universal Serial Asynchronous Receiver Transmitter)에서 발생된 마스터 장치(200)로 전송하는 디지털 데이터 신호이다.

이는 트랜지스터 Q9 과 저항 R40, 44, 45 에 의하여 마스터 장치(100)에서 선로로 공급되는 전류를 소비하여 마스터 장치(100)에 데이터를 보낸다.

한편, 마스터 장치(100)에서의 전압변동 신호는 C11과 R51 필터를 통해 주파수 성분만 추출하여 U3A 앰프를 통해 방형파 산호로 변경한다.

이 경우, 전류를 소비하는 부분은 CRD(Current Regulating Diode)가 사용됨이 바람직한데, 이는 인가하는 전압이 변동하여도 일정한 전류를 공급하는 안정화 소자인 정전류 다이오드로서, 라인길이가 변경되어 선간 전압이 변동되거나, 어떤 원인으로 슬레이브 장치(100)의 회로가 단락 되었을 때 전류를 제한하여 시스템의 정지를 막게 된다.

그리고, 도 2 에서와 같이, 마스터 장치(200)에서는 트랜스포머에서 검출된 슬레이브 장치(100)측 저항 R40, R44, R45 의 소비전류에 의해 발생된 펄스가 MCU(210)에 내장된 OP-Amp 에 의하여 상승 엣지에서 인터럽트를 발생시키고, 이는 역시 내장된 타이머를 작동하여 통신속도에 맞추어 사전 결정된 폭을 갖는 펄스를 타이머 T1을 통해 수신단 Rx에 전달하여 데이터를 획득하게 된다.

통신은 마스터 장치가 호출하고 슬레이브 장치가 응답하는 순서로 진행되며 호출과 응답 사이에는 일정 시간의 딜레이를 주어 통신의 패킷 전송이 종료되었음을 표시한다. 또한 슬레이브의 응답 데이타는 마스터만 수신이 가능하므로 슬레이브간의 테이타 전달은 슬레이브 장치의 데이타를 수신한 마스터 장치가 슬레이브 장치의 데이타를 다시 재전송하여 슬레이브 장치간의 데이타를 공유 할수 있도록 한다.

도 4는 연속신호를 PAM, PDM, PPM, PCM의 펄스 변조 방식을 나타낸 도면이다.

PAM(pulse amplitude modulation)은 복수의 출력 펄스 중 개개의 펄스폭을 변화 시키는 것에 의하여, 신호파와 동일의 성분을 출력하는 변조방식이다. 예를 들면, 신호파를 정현파, 반송파를 삼각파로 할 경우, 신호파가 반송파보다 큰 경우에는 펄스를 출력하고, 신호파가 반송파보다 작은 경우에는 펄스를 출력하지 않는다. PDM(Pulse width modulation)은 신호의 증폭 정보를 단일한 비트 펄스의 폭에 수록해서 디지털로 표현하는 변조방법이다. PPM(Pulse Position Modulation)은, 일정한 진폭의 짧은 펄스를 이용해서 그 반복 주파수를 보내야 할 통신 내용에 포함되어 있는 가장 높은 주파수의 적어도 몇 배를 택하여 신호 진폭의 변화에 따라서 펄스 발생 위치를 바꾸어 변조하는 방식이다. PCM(Pulse code Modulation) 은 송신측에서 아날로그 파형을 일단 디지털화하여 전송하고 수신측에서 그것을 다시 아날로그화 함으로써 아날로그 정보를 전송하는 방식이다.

실시예에 따른 직류 전원공급이 가능하고 다중접속으로 연결되는 통신 시스템에 있어서 마스터의 전송은 공급전압을 변동(예 12v -> 9v)하여 전송하고, 디코딩 방식은 Pulse Position Modulation 방식을 사용하여 전원 공급능력을 확보한다. 이때, 슬레이브의 데이터는 정전압 회로와 고정저항으로 구성된 정전류 회로를 사용하여 전류의 변화량으로 전송하는 통신 시스템을 제공하며 디코딩 방식은 펄스폭 변조(Pulse Position Modulation) 방식을 사용한다. 또한, 슬레이브간의 데이터 전송을 위해 마스터 기기는 수신된 데이터를 다시 슬레이브에 재전송한다.

도 5는 실시예에 따른 데이터 송신 과정을 나타낸 도면이다.

S10 단계에서 슬레이브 호출은 라운드로빈 방식으로 시분할 되면, S20 단계에서 슬레이브는 자기 호출에만 응답하게 된다. S30 단계에서 마스터는 슬레이브 응답신호 수신 후 다른 슬레이브에 재전송한다. 이때, 슬레이브 기기의 송신은 정전압 회로의 고정저항으로 구성된 정전류 회로를 사용한다.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.

100: 슬레이브 장치, 110, 210: MCU
200: 마스터 장치 220: 인버터
230, 240: 라인드라이버

Claims (7)

1. 마스터 장치와 다수의 슬레이브 장치를 2선식 무극성으로 연결하여 직류 전원과 디지털 데이터 통신을 가능하게 한 통신방법에 있어서;
   상기 마스터 장치는 선로의 전압변동을 데이터 발생 신호로 사용하고, 상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치로부터 공급받은 전류의 소비량을 증감하여 데이터 발생 신호로 사용하여 통신하고
   상기 마스터 장치는 마스터 MCU에 내장된 두 개의 콤퍼레이터가 소비전류에 의해 발생된 펄스를 상승엣지에서 인터럽트시키고, 내장된 타이머를 동작시켜 일정 폭의 통신용 펄스를 얻은 다음 내장된 통신장치의 수신부에 입력하여 데이터를 획득하며;
   상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치로부터 수신된 전압변동 신호가 서로 반대 동작하도록 배선된 슬레이브 MCU에 내장된 두 개의 콤퍼레이터에 의해 상승 엣지에서 인터럽트를 발생시키고, MCU가 콤퍼레이터의 인터럽트에 의해 타이머를 작동시켜 일정한 폭의 통신용 펄스를 얻고 이를 내장된 통신장치의 수신부에 입력하여 데이터를 획득하고
   상기 마스터 장치에서는
   트랜스포머의 상승 엣지를 검출하여 방형파의 시작과 끝을 생성하는 신호로 통신에 사용하고;
   상기 슬레이브 장치에서는 방형파의 시작과 끝을 생성하는 신호로 사용하고
   상기 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법은 전압변동을 위해 두 가지 다른 전압원을 사용하고
   상기 마스터 장치의 송신은 전압변동을 위해 두 가지 다른 전압원을 사용하고 전압변동을 사용하고, 슬레이브 장치의 송신은 전류 변동을 사용하여 마스터 장치에 수신된 데이터를 슬레이브에 재전송하고
   상기 마스터 장치가 슬레이브 장치에게 데이터를 보낼 때는 선로의 전압변동을 이용하고, 상기 슬레이브 장치가 마스터 장치로 데이터를 보낼 때에는 마스터로부터 공급되는 전원으로부터 자신의 소비전류를 가감하여 직류 전원공급과 디지털 데이터 통신을 모두 구현하도록 하고,
   상기 마스터 장치에서 슬레이브 장치로 데이터 전송 시 두 개의 전원을 스위칭 하여 전압레벨을 변경시키고, 선로의 전압변동을 신호로 타이머를 작동시키고 타이머의 출력을 데이터로 이용하고,
   상기 마스터 장치와 슬레이브 장치의 호출과 응답 사이에는 일정 시간의 딜레이를 주어 통신의 패킷 전송이 종료되었음을 표시하고, 슬레이브 장치의 응답 데이터는 마스터만 수신이 가능하므로 슬레이브 장치간의 데이터 전달은 슬레이브 장치의 데이터를 수신한 마스터 장치가 슬레이브 장치의 데이터를 재전송하여 슬레이브 장치간의 데이터를 공유하고,
   슬레이브 호출은 라운드로빈 방식으로 시분할 되고, 마스터가 슬레이브 응답신호 수신 후 다른 슬레이브에 재전송할 때, 슬레이브 정전압 회로의 고정저항으로 구성된 정전류 회로를 사용하는 것을 특징으로 하는 직류 전원공급이 가능한 2선식 디지털 데이터 통신방법.
   
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