KR102423479B1 - 의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 온도 판독장치 및 그 방법 - Google Patents

의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 온도 판독장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 판독장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 주파수를 스윕하며 변조한 후 SAW 온도센서로 송신하고, 반사신호를 수신하여 수신된 반사신호가 변조된 의사랜덤신호에 대응하여 SAW 온도센서로부터 생성된 신호인지를 의사랜덤데이터와 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계를 분석하여 검증함으로써, SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있는 온도 판독장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

의사랜덤데이터를 이용한 고정확도의 온도 판독장치 및 그 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR READING TEMPERATURE WITH HIGH ACCURACY USING PSEUDO-RANDOM DATA}
온도에 따라 변화하는 공진주파수를 갖는 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 온도를 판독하는 온도 판독장치 및 그 방법에 관한 것이다.
배전반(또는 수변전반), 변압 설비, 송전 설비, 전동기 제어반, 분전반 등의 전력 설비 및 산업 설비는 온도 환경이 매우 중요하다. 이러한 전력 설비나 산업 설비는 전력이 공급되는 선로의 활선부에서 접속점의 열화, 부식 등에 의해 과도하게 과열되기 쉬우며, 이로 인해 전력 설비의 파손이 발생하거나 정전, 화재, 전력 손실로 이어지게 된다. 이에 따라, 전력 설비의 온도를 지속적으로 감시함으로써 전력 설비의 손상 또는 징후를 감지하기 위한 다양한 온도 감지 장치가 이용되고 있다.
종래에는 주로 아크 검출, 열화상 카메라, 적외선 센서, 광케이블 무선 온도 센서 등을 이용하고 있다. 아크 검출이나 열화 검출 방식은 고가의 장비를 사용함에도 불구하고 간접적인 온도 검출밖에 할 수 없으며, 무선 온도 센서의 경우에도 전원으로 건전지를 이용하기 때문에 주기적으로 건전지를 교체하여야 하므로 유지/보수의 면에서 많은 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 비접촉 방식으로 온도를 측정할 수 있는 표면 탄성파(surface acoustic wave, SAW) 센서를 이용한 온도 감지 방식이 개발되었다. SAW 센서는 파동을 이용한 센서로서, 구조가 간단하고 움직이는 부분이 없으므로 외부의 진동이나 충격에 대하여 잘 견디며, 동작은 RF(Radio Frequency) 안테나에 의해 가능하므로 별도의 전원공급이 없이도 작동이 가능하고, 대량생산이 용이하며 가격이 싸다는 장점이 있다.
종래의 SAW 센서를 이용한 온도 판독 장치의 예로서 대한민국 등록특허 제10-1202878호 “표면 탄성파 기반 마이크로 센서를 이용한 무선측정자치 및 그 방법”가 있다. 제10-1202878호에는 환경 요소의 변화를 측정하기 위한 펄스 신호를 발생하여 무선으로 SAW 온도센서로 송신하고, 송신된 펄스 신호가 SAW 온도센서에서 반사되어 수신되는 복수의 펄스 신호들간의 간격이, 설정된 환경 요소의 펄스 신호들간의 간격에 해당될 때마다 펄스 신호를 발생해서 무선으로 SAW 온도센서로 송신하고 일정 시간 동안 펄스 신호의 발생횟수를 카운트하여, 환경 요소의 변화를 측정하는 온도 판독 장치를 개시하고 있다.
그러나, 이러한 종래 기술에 의하면 SAW 온도센서로 신호를 송신하고, SAW 온도센서로부터 신호를 수신하는 송수신 장치의 신호에 비해 SAW 온도센서로부터의 반사 신호의 세기가 미약한 특성으로 인해 주변 환경에 따라 노이즈 발생 또는 신호의 일부 누락 등의 문제가 쉽게 발생하게 되고, 이는 반사신호의 계측을 어렵게 하며 결과적으로 이러한 문제들은 온도 측정 결과의 신뢰도를 하락시킨다.
높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤수열의 데이터를 변조하여 생성된 신호를 이용하여 SAW 온도센서를 구동시킴으로써 SAW 온도센서와 온도 판독장치와의 거리, 주변의 노이즈 등 주변환경의 영향을 받지 않으면서 SAW 온도센서로부터 반사신호를 정확하게 계측하여 온도를 측정할 수 있는 온도 판독장치 및 그 방법을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 온도 판독장치는 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 의사랜덤데이터 생성부; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 의사랜덤신호를 생성하고, 상기 생성된 의사랜덤신호를 상기 SAW 온도센서로 송신하는 의사랜덤신호 송신부; 상기 의사랜덤신호의 송신 후에 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 반사신호 수신부; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 상기 반사신호 수신부에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 상관관계 분석부; 및 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 반사신호로부터 상기 SAW 온도센서에 의해 감지된 온도를 판독하는 온도 판독부로 구성된다.
상기 반사신호 수신부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정하는 데이터 처리부를 더 포함하고, 상기 데이터 처리부는 상기 의사랜덤신호 송신부의 상기 의사랜덤신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 반사신호 수신부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 수신되지 않으면 상기 반송파의 주파수를 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 의사랜덤신호 송신부를 제어할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산에 의해 생성되는 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열 또는 상기 반사데이터의 이진수열을 로테이트하며 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산을 수행함으로써 상기 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고, 상기 각 결과 데이터 세트는 상기 각 로테이트에 대응하여 수행된 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타낼 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 ‘0’을 ‘-1’로 치환하고, 상기 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1 및 1의 값을 모두 합산하여 복수 개의 상관관계 값을 산출함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다.
상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하면 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호를 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호로 결정할 수 있다.
상기 의사랜덤데이터의 변조 및 상기 반사신호의 복조는 PSK(phase shift keying) 방식에 의해 수행될 수 있다.
상기 SAW 온도센서의 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되는 데이터 저장부를 더 포함하고, 상기 온도 판독부는 상기 데이터 처리부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 상기 의사랜덤신호 송신부가 송신한 의사랜덤신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 상기 SAW 온도센서의 공진주파수로 결정하고, 상기 결정된 SAW 온도센서의 공진주파수에 대응하는 온도 값을 상기 데이터 저장부에 저장된 메핑테이블로부터 판독함으로써 상기 SAW 온도센서가 감지한 온도를 결정할 수 있다.
상기 데이터 저장부에는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터가 미리 생성되어 저장되고, 상기 의사랜덤데이터 생성부는 상기 데이터 저장부로부터 미리 생성되어 저장된 상기 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 상기 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 온도 판독방법은 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 의사랜덤신호를 생성하고, 상기 생성된 의사랜덤신호를 상기 SAW 온도센서로 송신하는 단계; 상기 의사랜덤신호의 송신 후에 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 상기 반사신호 수신부에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 단계; 및 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 반사신호로부터 상기 SAW 온도센서에 의해 감지된 온도를 판독하는 단계에 의해 수행된다.
높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 주파수를 스윕하며 변조한 후 SAW 온도센서로 송신하고, 반사신호를 수신하여 수신된 반사신호가 변조된 의사랜덤신호에 대응하여 SAW 온도센서로부터 생성된 신호인지를 의사랜덤데이터와 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계를 분석하여 검증함으로써, SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 온도 판독장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 온도 판독장치의 의사랜덤데이터 생성부의 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 의사랜덤데이터 생성부의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터 및 송신을 위해 변조된 의사랜덤신호를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 온도 판독장치의 상관관계 분석부의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상관관계 분석부에 의해 반사신호를 검증한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 온도에 따른 공진주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 온도 판독방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 SAW 온도센서로 신호를 송신하고, 반사신호를 수신하여 온도를 판독하는 고정확도의 온도 판독장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 각각 간략하게 ‘온도 판독장치’ 및 ‘온도 판독방법’으로 호칭될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 판독장치 및 온도 판독방법은 온도 측정 대상에 근접하여 설치된 SAW 온도센서로 의사랜덤신호를 송신하고, 송신된 의사랜덤신호에 대한 반사신호를 SAW 온도센서로부터 수신하여, 수신된 반사신호가 온도 판독장치로부터 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호가 맞는지를 검증한 후 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호로부터 온도를 판독함으로써 온도 측정 대상의 온도를 보다 정확하게 측정한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 온도 판독장치(100)의 구성도이다. 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 온도 판독장치(100)는 의사랜덤데이터 생성부(110), 의사랜덤신호 송신부(120), 반사신호 수신부(130), 데이터 처리부(140), 상관관계 분석부(150), 온도 판독부(160) 및 데이터 저장부(170)로 구성된다.
본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 구성 요소들은 특정 기능을 제공하는 하드웨어로 구현될 수도 있고, 특정 기능을 제공하는 소프트웨어가 기록된 메모리, 프로세서, 버스 등의 조합으로 구현될 수도 있음을 이해할 수 있다. 상기된 각 구성 요소는 반드시 별개의 하드웨어로 구현되는 것은 아니며, 여러 개의 구성 요소가 공통 하드웨어, 예를 들어 프로세서, 메모리, 버스 등의 조합에 의해 구현될 수도 있다.
의사랜덤데이터 생성부(110)는 SAW 온도센서(180)로 송신되기 위한 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성한다. 본 발명의 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의한 의사랜덤데이터 생성은 미리 생성되어 데이터 저장부(170)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 쉬프트 레지스터(shift register)를 응용한 난수발생기(pseudo random number generator)로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(110)의 회로를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(110)는 n개의 플립플롭(flip-flop)(210), XOR 게이트(220), 클럭(미도시)로 구성된다. n개의 플립플롭(210)으로 구성된 쉬프트 레지스터에 XOR 게이트(220)를 연결하여 구성됨으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 이때, 쉬프트 레지스터를 구성하는 플립플롭(210)의 개수는 필요에 따라 설정될 수 있다. n개의 플립플롭(210)으로 구성된 의사랜덤데이터 생성부(110)는 최대 2n-1 비트의 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 13개의 플립플롭(210)으로 구성되어 2047 비트의 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 그러나 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자라면 의사랜덤데이터 생성부(110)를 구성하는 플립플롭(210)의 수 및 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성되는 의사랜덤데이터의 비트 수를 사용환경 및 조건에 맞도록 적절하게 설정할 수 있음이 자명하다.
한편, 의사랜덤데이터의 비트가 길어질수록 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 신호가 노이즈에 강하여 반사신호의 검증이 유리한 장점이 있으나, 신호의 전송시간이 오래 걸려 신속한 온도 측정이 저해되고, 의사랜덤데이터의 비트가 짧아질수록 신속한 온도 측정이 가능해지나 적은 노이즈에도 반사신호의 검증이 어려울 수 있으므로 의사랜덤데이터 생성부(110)는 신호전송 환경에 따라 의사랜덤데이터 생성에 이용되는 플립플롭(210)의 수를 조절하여 생성되는 의사랜덤데이터의 비트 수를 조절하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 의사랜덤데이터 생성부(110)의 동작을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 3은 13개의 플립플롭(210)을 이용하여 2047 비트의 의사랜덤데이터를 생성하도록 구현된 의사랜덤데이터 생성부(110)의 동작을 예시로서 도시한다. 도 3에서 각 사각형은 의사랜덤데이터 생성부(110)를 구성하는 각 플립플롭(210)을 나타내며, 각 사각형 안에 기재된 숫자(0 또는 1)는 각 플립플롭(210)에 저장되어 있는 데이터를 나타낸다. 각 플립플롭(210)에 의사랜덤데이터 생성을 위한 클럭 펄스가 인가되면 각 플립플롭(210)에 저장된 데이터는 좌측방향의 다음 플립플롭(210)으로 쉬프트된다. 이때, 12번 플립플롭(210a) 및 13번 플립플롭(210b)에 저장되어 있던 데이터가 XOR 게이트에 입력되어 XOR 연산이 수행되어 XOR 연산 결과 값이 새롭게 1번 플립플롭(210c)에 저장되고, 3번 플립플롭(210d)에 저장되는 데이터는 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장된다.
도 3a는 의사랜덤데이터 생성부(110)의 일 시점의 데이터 저장 상태를 도시한 도면이다. 맨 우측의 1번 플립플롭(210c)에는 1이 데이터로 저장되어 있고, 이후 2번부터 13번까지의 플립플롭에는 0이 데이터로 저장되어 있다. 또한, 3번 플립플롭(210d)에 저장된 데이터 0이 의사랜덤데이터의 비트값으로 저장되었다. 도 3a의 시점에서 한 번의 클럭 펄스가 인가된 후의 상태를 도시한 도 3b를 참조하면, 클럭 펄스 인가 직전의 1번 플립플롭(210c) 내지 12번 플립플롭(210a)에 저장된 데이터들이 좌측으로 쉬프트되어 2번 플립플롭 내지 13번 플립플롭(210b)에 저장된 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 3a에서 13번 플립플롭(210b)에 저장되어 있던 데이터 값 ‘0’은 제거되었으며, 도 3a에서 12번 플립플롭(210a) 및 13번 플립플롭(210b)에 저장되어 있던 데이터 값의 XOR 연산의 결과값인 ‘0’이 1번 플립플롭에 저장되었다. 또한, 3번 플립플롭(210d)에 저장된 데이터 0이 클럭 펄스 인가 직전에 비트 값이 저장된 의사랜덤데이터의 비트의 다음 비트에 저장되었다. 이렇게 데이터가 쉬프트되며 XOR 연산을 수행하면서 의사랜덤데이터의 길이는 길어지게 된다.
이렇게 데이터 쉬프트를 반복하면서 XOR 연산을 수행하고, 3번 플립플롭(210d)에 저장된 값을 의사랜덤데이터의 비트값으로 저장하는 과정을 반복하다보면 생성된 의사랜덤데이터가 주기성을 갖게 되는데, 이때 의사랜덤데이터의 주기가 2047비트이고, 따라서 의사랜덤데이터 생성부(110)는 2047 비트의 주기를 갖는 의사랜덤데이터를 생성하게 된다.
본 예시에서는 12번 플립플롭(210a) 13번 플립플롭(210b)에 저장된 데이터가 XOR 연산되고, 3번 플립플롭(210d)에 저장된 데이터가 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장되는 구성을 개시하고 있으나, 통상에 기술자에게 있어서 XOR 연산이 수행되는 데이터가 저장되는 플립플롭 및 의사랜덤데이터의 비트 값으로 저장되는 데이터가 저장되는 플립플롭은 임의로 선정될 수 있음이 자명할 것이다.
위와 같은 방식으로 의사랜덤데이터 생성부(110)는 m 비트의 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 의사랜덤데이터는 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 가지고 있어 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(130)에 의해 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계를 분석하기에 매우 유리하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 미리 생성되어 데이터 저장부(170)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 데이터 저장부(170)에는 하나 이상의 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터가 저장될 수 있으며, 각 의사랜덤데이터의 비트 수는 상이할 수 있다. 의사랜덤데이터 생성부(110)는 온도 판독이 요청되면 데이터 저장부(170)에 저장된 하나 이상의 의사랜덤데이터 중 신호송수신 환경에 따라 적절한 비트 수를 갖는 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 일반적인 경우 쉬프트 레지스터를 이용한 난수발생기를 이용하여 의사랜덤데이터를 생성하고, 신호송수신환경에 변화가 생기거나, 높은 온도판독 정밀도가 요구되는 등 예외적인 상황에서는 미리 생성되어 데이터 저장부(170)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성하는 것도 가능하다.
의사랜덤신호 송신부(120)는 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 아날로그 형식의 의사랜덤신호를 생성하고, 생성된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 전송한다.
본 발명의 실시예에서 의사랜덤신호 송신부(120)는 PSK(phase shift keying) 방식을 이용하여 의사랜덤데이터를 변조할 수 있다. 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 도시하는 도 4a 및 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 의사랜덤데이터가 변조되어 생성된 의사랜덤신호를 도시하는 도 4b를 참조하여 살펴보면, 의사랜덤데이터는 0 또는 1의 값을 가지는 디지털 데이터이고, 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 의사랜덤데이터가 변조되어 생성된 의사랜덤신호는 아날로그 파형 신호임을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 의사랜덤신호 송신부(120)는 반송파의 주파수를 스윕(sweep)하여 의사랜덤데이터를 변조하여 의사랜덤신호를 생성하고 SAW 온도센서(180)로 송신한다. 이때 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 범위는 의사랜덤신호를 수신하는 SAW 온도센서(180)가 측정할 수 있는 온도범위에 대응하는 주파수 범위와 동일하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤신호 송신부(120)는 420 MHz 내지 450 MHz의 범위 내에서 반송파의 주파수를 스윕하며 의사랜덤데이터를 변조한 후 SAW 온도센서(180)로 송신할 수 있다.
한편, 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격은 본 발명의 실시예에 따른 온도 판독장치(100)에 요구되는 온도 측정 정밀도에 따라 설정될 수 있다. 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 작으면 신호 송수신 및 신호 처리에 많은 시간이 소요되지만 보다 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 반면, 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 크면 신호 송수신 및 신호 처리의 횟수가 줄어들어 빠르게 온도를 측정할 수 있으나, 온도 측정 결과값의 신뢰도는 낮아진다. 따라서, 온도 측정 목적이나 측정 환경 등을 고려하여 주파수 스윕 간격을 설정해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤신호 송신부(120)는 1kHz 간격으로 반송파의 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조함으로써 의사랜덤신호를 생성하고, 생성된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신할 수 있다. 예컨대, 반송파의 주파수 스윕 간격이 1kHz인 경우, 의사랜덤신호 송신부(120)는 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 m 비트의 의사랜덤데이터를 430MHz의 반송파로 변조하여 SAW 온도센서(180)로 송신한 이후 다시 m 비트의 의사랜덤데이터를 430.001MHz의 반송파로 변조하여 SAW 온도센서(180)로 송신할 수 있다.
반사신호 수신부(130)는 의사랜덤신호 송신부(120)의 의사랜덤신호 송신 후에 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성한다.
SAW 온도센서(180)는 안테나를 통해 수신된 의사랜덤신호에 의해 표면탄성파를 발생시키는 IDT(inter digital transducer) 및 IDT에서 발생된 표면탄성파를 반사시켜 반사파 생성하여 안테나로 방출하는 반사판으로 구성된다. SAW 온도센서(180)의 IDT에 의사랜덤신호가 수신되면, 의사랜덤신호에 의해 표면탄성파가 발생되어 반사판으로 전파된다. 전파된 표면탄성파는 반사판에서 반사되어 SAW 온도센서(180)의 안테나를 통해 다시 송신되며 이러한 표면탄성파의 반사파는 SAW 온도센서(180)로부터의 반사신호로서 반사신호 수신부(130)에서 수신된다.
이때, SAW 온도센서(180)는 주변 온도에 따라 센서의 물성이 변화하여 표면탄성파의 공진주파수가 변한다. 의사랜덤신호 송신부(120)에서 송신된 의사랜덤신호의 주파수가 IDT에 의해 발생된 표면탄성파의 공진주파수와 동일한 경우 신호가 증폭되어 반사파가 생성되고, 이렇게 생성된 반사파는 반사신호로서 SAW 온도센서(180)의 안테나를 통해 송신된다. 따라서, 의사랜덤신호 송신부(120)가 반송파의 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 의사랜덤신호를 주파수에 따라 순차적으로 SAW 온도센서(180)로 송신하면, SAW 온도센서(180)의 표면탄성파의 공진주파수와 의사랜덤신호의 주파수가 동일한 때에 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 발생되고, 반사신호 수신부(130)는 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신한다.
SAW 온도센서(180)로부터 반사신호를 수신한 반사신호 수신부(130)는 아날로그 형태의 반사신호를 디지털 형식의 데이터로 복조하여 반사데이터를 생성한다. 본 발명의 실시예에서 반사신호 수신부(130)는 PSK 방식을 이용하여 반사신호를 복조할 수 있다.
데이터 처리부(140)는 반사신호 수신부(130)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정한다. 데이터 처리부(140)는 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 의사랜덤신호가 송신된 후 미리 설정된 시간 기간 동안 반사신호 수신부(130)에 의해 반사신호가 수신되는지 확인한다.
한편, 데이터 처리부(140)는 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 의사랜덤신호가 송신된 후 미리 설정된 시간 기간 동안 반사신호 수신부(130)에 의해 반사신호가 수신되지 않으면, 반송파의 주파수를 변경(스윕)하여 의사랜덤데이터를 변조한 후 SAW 온도센서로(180)로 재송신하도록 의사랜덤신호 송신부(120)를 제어한다. 이렇게 반송파의 주파수를 스윕하여 의사랜덤데이터를 변조한 후 SAW 온도센서(180)로 재송신하는 과정은 데이터 처리부(140)가 반사신호 수신부(130)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었음을 결정할 때까지 반복된다.
데이터 처리부(140)가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 의사랜덤신호가 송신된 후 미리 설정된 시간 기간 동안 반사신호 수신부(130)에 의해 반사신호가 수신되었음을 결정하면, 상관관계 분석부(150)는 반사신호 수신부(130)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다.
보다 구체적으로, 상관관계 분석부(150)는 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(130)에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상관관계 분석 결과에 따라 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다.
상관관계 분석부(150)는 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터의 이진수열과 반사신호 수신부(130)에 의해 복조된 반사데이터의 이진수열을 비트별로 XNOR 연산하여 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고, 생성된 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 분석한다.
이때, 상관관계 분석부(150)는 반사데이터의 이진수열 또는 의사랜덤데이터의 이진수열 중 하나를 로테이트(rotate) 하며 XNOR 연산을 수행함으로써 복수 개의 결과 데이터 세트를 형성한다. 각 결과 데이터 세트는 각 로테이트에 대응하여 수행된 의사랜덤데이터의 이진수열과 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상관관계 분석부(150)의 결과 데이터 세트 생성을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 5는 m비트의 반사데이터가 로테이트 되며 m비트의 의사랜덤데이터와 XNOR 연산이 수행되는 모습을 도시한다. 도 5를 참조하여 살펴보면, 의사랜덤데이터의 비트 각각의 데이터는 반사데이터의 대응하는 비트 각각의 데이터와 XNOR 연산된다(도 5a). 이러한 한 번의 XNOR 연산에 의해 m 비트의 0 또는 1로 구성된 결과 데이터 세트가 하나 생성된다.
이후, 상관관계 분석부(150)에 클럭 펄스가 인가되면 반사데이터의 비트 값은 1비트씩 로테이트되어 클럭 펄스 인가 전 첫 번째 비트 값인 1이 두 번째 비트값이 되고, m번째 비트 값인 0이 첫 번째 비트값이 된다(도 5b). 이렇게 반사데이터의 비트값이 1비트씩 로테이트 되면, 또 다시 m비트의 의사랜덤데이터의 비트 각각의 데이터와 반사데이터의 대응하는 비트 각각의 데이터의 XNOR 연산이 수행된다.
이러한 반사데이터와 의사랜덤데이터의 XNOR 연산은 반사데이터가 로테이트에 의해 최초의 데이터로 돌아올 때까지 계속되고, 따라서, 최초 XNOR 연산 이후 m-1번의 로테이트에 의해 m 비트의 이진수열로 구성된 결과 데이터 세트가 m개 생성된다.
이후, 상관관계 분석부(150)는 각 결과 데이터세트의 이진수열을 구성하는 값 들의 합에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다.
보다 구체적으로, 상관관계 분석부(150)는 생성된 m개의 결과 데이터 세트 각각의 상관관계 값을 산출함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다. 본 발명이 실시예에 따른 상관관계 분석부(150)는 각 결과 데이터 세트를 구성하는 m 비트의 이진수열을 구성하는 0의 값을 -1로 치환하고, 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1과 1의 값을 모두 합산함으로써 각 결과 데이터 세트의 상관관계 값을 산출할 수 있다.
예컨대, m 비트의 0과 1로 구성된 어느 하나의 결과 데이터 세트에서 k개의 비트의 값이 0이고, m-k개의 비트의 값이 1인 경우, 이 결과 데이터 세트의 상관관계 값은 -k+(m-k)가 된다. 이렇게 m개의 결과 데이터 세트 각각에 대해 상관관계 값을 산출하면, 총 m개의 상관관계 값이 산출된다.
상관관계 분석부(150)에 의한 상관관계 값 산출 과정의 이해를 돕기 위해, 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 1011100의 7비트 의사랜덤데이터가 생성되고, 반사신호 수신부(130)에 의해 복조된 반사데이터가 1011100의 7비트 데이터라고 가정한다.
첫 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1011100)에 의해 1111111의 결과 데이터 세트가 생성되고, 생성된 결과 데이트 세트의 상관관계 값은 7(1+1+1+1+1+1+1)가 된다. 상관관계 분석부(150)에 클럭펄스가 인가되면 반사데이터가 로테이트되어 0111001이 되고, 두 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0111001)에 의해 0011010의 결과 데이터 세트가 생성되며, 상관관계 값은 -1(-1-1+1+1-1+1-1)이 된다. 이와 같은 방식으로, 연산을 수행하면 세 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1110010)의 상관관계 값은 -1, 네 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1100101)의 상관관계 값은 -1, 다섯 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 1001011)의 상관관계 값은 -1, 여섯 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0010111)의 상관관계 값은 -1, 그리고 마지막 일곱 번째 XNOR 연산(1011100 XNOR 0101110)의 상관관계 값은 -1이 된다.
이로 부터, 송신된 의사랜덤신호와 반사되어 수신된 반사신호가 동일한 경우(즉, 의사랜덤데이터와 반사데이터가 동일한 경우)에는 의사랜덤데이터 및 반사데이터의 비트 수와 동일한 값이 상관관계 값 중 가장 큰 최대값으로 산출되고, 최대값을 제외한 나머지는 -1 또는 1의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 상관관계 분석부(150)는 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 반사신호 수신부(130)에 의해 수신된 반사신호가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다.
한편, SAW 온도센서(180)로부터의 반사신호가 반사신호 수신부(130)로 수신되는 과정에서 노이즈 등으로 인해 제대로 취득이 되지 않는 경우, 의사랜덤신호에 대응하여 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 생성된 경우에도 반사신호 수신부(130)에 의해 복조된 반사데이터가 의사랜덤데이터와 상이한 이진수열로 구성된 데이터를 가질 수 있다.
예컨대, 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 1011100의 7비트 의사랜덤데이터가 변조되어 SAW 온도센서(180)로 송신되고, 이에 대응하여 생성된 SAW 온도센서(180)로부터의 반사신호가 반사신호 수신부(130)로 수신되고 복조되는 과정에서 노이즈에 의해 두 번째 및 일곱 번째 비트 값이 변경된 1111101의 7비트 데이터로 취득될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도 상관관계 분석부(150)에 의해 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계 값을 산출해보면, 3, -1, -1, -1, -1, -1, 3의 상관관계 값이 산출된다.
이와 같이, 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터는 PRBS 데이터의 높은 자기상관특성 및 낮은 상호상관특성으로 인해 의사랜덤데이터에 대응하여 동일한 데이터값을 갖는 반사데이터와의 XNOR 연산뿐 아니라, 의사랜덤데이터에 대응하여 생성되었지만 일부 변경된 반사데이터와의 XNOR 연산에서 또한 다른 값들과 비교하여 값이 큰 하나 이상의 상관관계 값들을 획득할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상관관계 분석부(150)는 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계 값들 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하는 경우에는 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 것으로 결정하고, 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계 값들 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나도 존재하지 않는 경우에는 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
도 6은 다양한 실시예에서의 상관관계 분석부(150)의 상관관계 값들을 나타내는 도면이다. 도 6은 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 반사신호 수신부(130)에 의해 수신된 2047 비트의 반사데이터의 상관관계 값들을 산출하여 나타낸다. 도 6a는 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 수신된 2047 비트의 반사데이터의 비트의 값이 모두 동일한, 즉 어떠한 데이터의 손실 없이 반사 신호가 수신된 경우, 도 6b는 2047 비트 중 1362비트의 데이터가 동일한 경우, 도 6c는 2047 비트 중 336개의 데이터가 동일한 경우, 그리고 도 6d는 2047 비트 중 0개의 데이터가 동일할 경우의 복수 개의 상관관계 값을 도시한다.
도 6a를 참조하면, 2047 비트의 의사랜덤데이터와, 수신된 2047 비트의 반사데이터의 비트 값이 모두 동일한 경우에는 상관관계 값 중 최대 값이 의사랜덤데이터 및 반사데이터의 비트의 수와 같은 2047을 나타내는 것을 알 수 있다. 이 경우 상관관계 분석부(150)는 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 2047 비트 중 1362비트의 비트값이 동일한 경우에도 값이 500이 넘는 최대값이 복수 개의 상관관계 값들 중에서 네 번 검출됨을 알 수 있다. 이 경우 미리 설정된 임계값이 500인 경우 상관관계 분석부(150)는 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임을 결정할 수 있다. 그러나, 보다 정밀한 온도 측정을 위해 미리 설정된 임계값이 1000인 경우, 상관관계 분석부(150)는 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
도 6c 및 도 6d는 상관관계 값 세트에서 양의 최대값을 갖지 않으므로, 상관관계 분석부(150)는 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호가 아니라고 결정할 수 있다.
이와 같이, 상관관계 분석부(150)가 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 반사신호 수신부(130)에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계 값을 XNOR 연산을 통해 산출하고, 산출된 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 하나 이상의 상관관계 값을 갖는지를 확인하는 것을 통해 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임을 검증함에 따라 노이즈 등의 환경의 장애에 의해 신호의 수신이 양호하지 않는 상황에서도 수신된 반사신호가 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 것임을 보다 정확하게 판단할 수 있고, 이는 온도 측정 결과값의 신뢰도를 상승시킨다.
온도 판독부(160)는 상관관계 분석부(150)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 것임이 결정되면, 반사신호로부터 SAW 온도센서(180)에 의해 감지된 온도를 판독한다.
데이터 저장부(170)는 SAW 온도센서(180)의 온도에 따라 달라지는 물리적 특성 변화에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되어 있다. 도 7은 SAW 온도센서(180)의 온도에 따른 공진주파수 값을 나타내는 그래프이다. SAW 온도센서(180)에 의해 측정된 측정대상의 온도가 높을수록 SAW 온도센서(180)의 공진주파수는 작아진다.
온도 판독부(160)는 상관관계 분석부(150)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 것임이 검증되면, 수신된 반사신호에 대응하는 송신된 의사랜덤신호의 주파수를 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정할 수 있다. 다시 말해, 온도 판독부(160)는 데이터 처리부(140)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 의사랜덤신호 송신부(120)가 송신한 의사랜덤신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정할 수 있다.
예컨대, 온도 판독부(160)는 의사랜덤신호 송신부(120)가 의사랜덤데이터 생성부(110)에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파의 주파수를 스윕하며 변조하여 SAW 온도센서(180)로 송신하는 과정에서, 의사랜덤신호 송신부(120)가 A Hz로 주파수가 변조된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되지 않았고, 이후 미리 결정된 주파수 간격으로 주파수를 스윕하여 B Hz로 주파수가 변조된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었다면, 반사신호가 수신되기 직전에 송신된 의사랜덤신호의 주파수인 B Hz를 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정할 수 있다.
온도 판독부(160)는 SAW 온도센서(180)의 공진주파수가 결정되면, SAW 온도센서(180)의 공진주파수에 대응되는 온도 값을 데이터 저장부(170)에 저장된 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블로부터 판독함으로써 SAW 온도센서(180)가 감지한 온도로 결정할 수 있다. 예컨대, SAW 온도센서(180)의 공진주파수 430MHz에 대응하는 온도 값이 40℃이고 공진주파수 430.1MHz에 대응하는 온도가 30℃임이 데이터 저장부(170)에 저장되어 있고, 430.1MHz로 주파수가 변조된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었다면 온도 판독부(160)는 SAW 온도센서(180)에 의해 감지된 온도가 30℃라고 결정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따르는 온도 판독방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
810 단계에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 SAW 온도센서(180)로 송신되기 위한 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성한다. 본 발명의 실시예에서, 본 단계의 의사랜덤데이터 생성은 미리 생성되어 데이터 저장부(170)에 저장된 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 의사랜덤데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
본 단계에서 생성되는 의사랜덤데이터는 의사랜덤데이터의 비트가 길어질수록 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된 의사랜덤신호가 노이즈에 강하여 반사신호의 검증이 유리한 장점이 있으나, 신호의 전송시간이 오래 걸려 신속한 온도 측정이 저해되고, 의사랜덤데이터의 비트가 짧아질수록 신속한 온도 측정이 가능해지나 적은 노이즈에도 반사신호의 검증이 어려울 수 있으므로 신호전송 환경에 따라 의사랜덤데이터 생성에 이용되는 플립플롭(210)의 수를 조절하여 생성되는 의사랜덤데이터의 비트 수를 조절하거나, 데이터 저장부(170)에 저장된 하나 이상의 의사랜덤데이터 중 적절한 비트 수를 가지는 의사랜덤데이터를 불러올 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤데이터 생성부(110)는 2047 비트의 의사랜덤데이터를 생성할 수 있다. 쉬프트 레지스터를 응용한 난수발생기를 이용하여 의사랜덤이진수열을 생성하는 것은 통상의 기술자에게 널리 알려진 기술이므로 설명이 장황해지는 것을 방지하기 위해 쉬프트 레지스터를 응용한 난수발생기에 의한 의사랜덤이진수열 생성과 관련한 자세한 설명은 생략한다.
820 단계에서, 의사랜덤신호 송신부(120)는 810 단계에서 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 아날로그 의사랜덤신호를 생성하고, 생성된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신한다. 본 단계에서의 데이터의 변조는 PSK(phase shift keying) 방식이 이용될 수 있다.
SAW 온도센서(180)로 송신되는 의사랜덤신호는 반송파의 주파수를 스윕(sweep)하여 의사랜덤데이터를 변조하여 생성된다. 이때 스윕되는 반송파의 주파수의 범위는 의사랜덤신호를 수신하는 SAW 온도센서(180)가 측정할 수 있는 온도범위에 대응하는 주파수 범위와 동일하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤데이터는 420MHz 내지 450MHz의 범위 내에서 반송파의 주파수가 스윕되어 변조된 후 SAW 온도센서(180)로 송신될 수 있다.
의사랜덤데이터의 변조에서 주파수 스윕 간격은 본 발명의 실시예에 따른 온도 판독방법에 요구되는 온도 측정 정밀도에 따라 설정될 수 있다. 의사랜덤신호의 변조 시 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 작으면 신호 송수신 및 신호 처리에 많은 시간이 소요되지만 보다 정확하게 온도를 측정할 수 있다. 반면, 의사랜덤신호의 변조 시 스윕되는 반송파의 주파수의 간격이 크면 신호 송수신 및 신호 처리의 횟수가 줄어들어 빠르게 온도를 측정할 수 있으나, 온도 측정 결과값의 신뢰도는 낮아진다. 따라서, 온도 측정 목적이나 측정 환경 등을 고려하여 주파수 스윕 간격을 설정해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 의사랜덤데이터를 1kHz 간격으로 반송파의 주파수를 스윕하여 변조한 후 SAW 온도센서(180)로 송신할 수 있다. 예컨대, 810 단계에서 생성된 m 비트의 의사랜덤데이터를 430MHz의 반송파로 변조하여 SAW 온도센서(180)로 송신한 이후 다시 m 비트의 의사랜덤데이터를 430.001MHz의 반송파로 변조하여 SAW 온도센서(180)로 송신할 수 있다.
830 단계에서, 반사신호 수신부(130)는 820 단계에서 의사랜덤신호가 송신된 후에 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성한다. 이때 반사신호의 복조에는 PSK 방식이 이용될 수 있다.
840 단계에서, 상관관계 분석부(150)는 830 단계에서 반사신호 수신부(130)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 820 단계에서 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다. 보다 구체적으로, 830 단계에서 생성된 반사데이터의 비트 값과 810 단계에서 생성된 의사랜덤데이터의 비트 값의 상관관계를 분석하고, 상관관계 분석 결과에 따라 830 단계에서 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 820 단계에서 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상관관계 분석부(150)는 810 단계에서 생성된 의사랜덤데이터의 이진수열과 830 단계에서 복조된 반사데이터의 이진수열을 비트별로 XNOR 연산하여 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고, 생성된 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 분석한다.
이때, 상관관계 분석부(150)는 반사데이터의 이진수열 또는 의사랜덤데이터의 이진수열 중 하나를 로테이트(rotate) 하며 XNOR 연산을 수행함으로써 복수 개의 결과 데이터 세트를 형성한다. 각 결과 데이터 세트는 각 로테이트에 대응하여 수행된 의사랜덤데이터의 이진수열과 반사데이터의 이진수열의 비트면 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타낸다.
본 실시예에 따라 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 분석하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 810 단계에서 생성된 m비트 의사랜덤데이터의 각 비트의 값과 830 단계에서 생성된 m비트 반사데이터의 대응하는 각 비트의 값이 XNOR 연산된다. 이러한 한번의 XNOR 연산에 의해 m비트의 0 또는 1로 구성된 결과 데이터 세트가 하나 생성된다.
이후, 상관관계 분석부(150)에 클럭 펄스가 인가되면 반사데이터의 비트 값은 1비트씩 로테이트되어 클럭 펄스 인가 전 첫 번째 비트 값인 1이 두 번째 비트값이 되고, m번째 비트 값인 0이 첫 번째 비트값이 된다. 이렇게 반사데이터의 비트값이 1비트씩 로테이트 되면, 또 다시 m비트의 의사랜덤데이터의 비트 각각의 데이터와 반사데이터의 대응하는 비트 각각의 데이터의 XNOR 연산이 수행된다. 이러한 반사데이터와 의사랜덤데이터의 XNOR 연산은 반사데이터가 로테이트에 의해 최초의 데이터로 돌아올 때까지 계속되고, 따라서, 최초 XNOR 연산 이후 m-1번의 로테이트에 의해 m 비트의 이진수열로 구성된 결과 데이터 세트가 m개 생성된다.
m 개의 결과 데이터 세트가 생성되면, 상관관계 분석부(150)는 각 결과 데이터세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다.
상관관계 분석부(150)는 생성된 m개의 결과 데이터 세트 각각의 상관관계 값을 산출함으로써 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정한다. 본 발명이 실시예에 따른 상관관계 분석부(150)는 각 결과 데이터 세트를 구성하는 m 비트의 이진수열을 구성하는 0의 값을 -1로 치환하고, 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1과 1의 값을 모두 합산함으로써 각 결과 데이터 세트의 상관관계 값을 산출할 수 있다.
예컨대, m 비트의 0과 1로 구성된 어느 하나의 결과 데이터 세트에서 k개의 비트의 값이 0이고, m-k개의 비트의 값이 1인 경우, 이 결과 데이터 세트의 상관관계 값은 -k+(m-k)가 된다. 이렇게 m개의 결과 데이터 세트 각각에 대해 상관관계 값을 산출하면, 총 m개의 상관관계 값이 산출된다.
m 개의 상관관계 값이 산출되면, 상관관계 분석부(150)는 복수 개의 상관관계값의 크기에 기초하여 의사랜덤데이터와 반사데이터의 상관관계를 결정할 수 있다,
본 발명의 일 실시예에서, 상관관계 분석부(150)는 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하면 830 단계에서 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 820 단계에서 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호라고 판단할 수 있다.
850 단계에서, 온도 판독부(160)는 840 단계에서 830 단계에서 SAW 온도센서(180)로부터 수신된 반사신호가 820 단계에서 의사랜덤신호 송신부(120)에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 것임이 검증되면, 수신된 반사신호로부터 SAW 온도센서(180)에 의해 감지된 온도를 판독한다.
본 단계에서, 830 단계에서 수신된 반사신호에 대응하는 의사랜덤신호의 주파수가 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정될 수 있다. 다시 말해, 830 단계에서 반사신호 수신부(130)에 의해 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되기 직전에 820 단계에서 의사랜덤신호 송신부(120)가 송신한 의사랜덤신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수가 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정될 수 있다.
예컨대, 820 단계의 의사랜덤신호 송신 과정에서, A Hz로 주파수가 변조된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되지 않았고, 이후 미리 결정된 주파수 간격으로 주파수를 스윕하여 B Hz로 주파수가 변조한 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었다면, 반사신호가 수신되기 직전에 송신된 의사랜덤신호의 주파수인 B Hz가 SAW 온도센서(180)의 공진주파수로 결정될 수 있다.
SAW 온도센서(180)의 공진주파수가 결정되면, SAW 온도센서(180)의 공진주파수에 대응되는 온도 값을 SAW 온도센서(180)의 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장된 데이터 저장부(170)의 매핑테이블로부터 판독함으로써 SAW 온도센서(180)가 감지한 온도가 결정될 수 있다. 예컨대, SAW 온도센서(180)의 공진주파수 430MHz에 대응하는 온도 값이 40℃이고 공진주파수 430.1MHz에 대응하는 온도가 30℃임이 데이터 저장부(170)에 저장되어 있고, 430.1MHz로 주파수가 변조된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서(180)로 송신했을 때 SAW 온도센서(180)로부터 반사신호가 수신되었다면 SAW 온도센서(180)에 의해 감지된 온도가 30℃라고 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 판독장치 및 온도 판독방법에 따르면 높은 자기상관 특성 및 낮은 상호상관 특성을 갖는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터를 주파수를 스윕하며 변조한 후 SAW 온도센서로 송신하고, 반사신호를 수신하여 수신된 반사신호가 변조된 의사랜덤신호에 대응하여 SAW 온도센서로부터 생성된 신호인지를 의사랜덤데이터와 반사신호가 복조되어 생성된 반사데이터의 상관관계를 분석하여 검증함으로써, SAW 온도센서로부터의 반사신호가 송수신 과정에서 손상되더라도 수신된 반사신호가 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지를 검증할 수 있고, 이에 따라 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로해석되어야 할 것이다.
100: 온도 판독장치
110: 의사랜덤데이터 생성부
120: 의사랜덤신호 송신부
130: 반사신호 수신부
140: 데이터 처리부
150: 상관관계 분석부
160: 온도 판독부
170: 데이터 저장부
180: SAW 온도센서

Claims (12)

  1. 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 의사랜덤데이터 생성부;
    상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 의사랜덤신호를 생성하고, 상기 생성된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서로 송신하는 의사랜덤신호 송신부;
    상기 의사랜덤신호의 송신 후에 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 반사신호 수신부;
    상기 의사랜덤데이터 생성부에 의해 생성된 의사랜덤데이터와 상기 반사신호 수신부에 의해 복조된 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 상관관계 분석부; 및
    상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 반사신호로부터 상기 SAW 온도센서에 의해 감지된 온도를 판독하는 온도 판독부를 포함하고,
    상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산에 의해 생성되는 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사신호 수신부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 수신되었는지 여부를 결정하는 데이터 처리부를 더 포함하고,
    상기 데이터 처리부는 상기 의사랜덤신호 송신부의 상기 의사랜덤신호의 송신 후 미리 설정된 시간 기간 동안 상기 반사신호 수신부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터의 반사신호가 수신되지 않으면 상기 반송파의 주파수를 변경하여 상기 의사랜덤데이터를 변조한 후 상기 SAW 온도센서로 재송신하도록 상기 의사랜덤신호 송신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 의사랜덤데이터의 이진수열 또는 상기 반사데이터의 이진수열을 로테이트하며 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산을 수행함으로써 상기 복수 개의 결과 데이터 세트를 생성하고,
    상기 각 결과 데이터 세트는 상기 각 로테이트에 대응하여 수행된 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산의 결과값을 나타내는 이진수열을 나타내는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 값들의 합에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 각 결과 데이터 세트의 이진수열을 구성하는 ‘0’을 ‘-1’로 치환하고, 상기 각 결과 데이터 세트를 구성하는 -1 및 1의 값을 모두 합산하여 복수 개의 상관관계 값을 산출함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값의 크기에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상관관계 분석부는 상기 복수 개의 상관관계 값 중 미리 설정된 임계값을 초과하는 상관관계 값이 하나 이상 존재하면 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호를 상기 의사랜덤신호 송신부에 의해 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호로 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 의사랜덤데이터의 변조 및 상기 반사신호의 복조는 PSK(phase shift keying) 방식에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 SAW 온도센서의 온도에 따라 달라지는 공진주파수 값과 각 공진주파수에 대응되는 온도 값이 매핑된 매핑테이블이 저장되는 데이터 저장부를 더 포함하고,
    상기 온도 판독부는
    상기 데이터 처리부에 의해 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호가 수신되었음이 결정되기 직전에 상기 의사랜덤신호 송신부가 송신한 의사랜덤신호의 변조시 이용된 반송파의 주파수를 상기 SAW 온도센서의 공진주파수로 결정하고,
    상기 결정된 SAW 온도센서의 공진주파수에 대응하는 온도 값을 상기 데이터 저장부에 저장된 매핑테이블로부터 판독함으로써 상기 SAW 온도센서가 감지한 온도를 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 데이터 저장부에는 의사랜덤이진수열을 나타내는 의사랜덤데이터가 미리 생성되어 저장되고,
    상기 의사랜덤데이터 생성부는 상기 데이터 저장부로부터 미리 생성되어 저장된 상기 의사랜덤데이터를 불러옴으로써 상기 의사랜덤데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 온도 판독장치.
  12. 의사랜덤이진수열(pseudo random binary sequence, PRBS)을 나타내는 의사랜덤데이터를 생성하는 단계;
    상기 생성된 의사랜덤데이터를 반송파로 변조하여 의사랜덤신호를 생성하고, 상기 생성된 의사랜덤신호를 SAW 온도센서로 송신하는 단계;
    상기 의사랜덤신호의 송신 후에 상기 SAW 온도센서로부터 반사신호를 수신하여 복조함으로써 이진수열을 나타내는 반사데이터를 생성하는 단계;
    상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석하고, 상기 상관관계 분석 결과에 따라 상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호인지 여부를 검증하는 단계; 및
    상기 SAW 온도센서로부터 수신된 반사신호가 상기 송신된 의사랜덤신호에 대응하여 반사된 신호임이 검증되면, 상기 반사신호로부터 상기 SAW 온도센서에 의해 감지된 온도를 판독하는 단계를 포함하고,
    상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석하는 것은 상기 의사랜덤데이터의 이진수열과 상기 반사데이터의 이진수열의 비트별 XNOR 연산에 의해 생성되는 복수 개의 결과 데이터 세트에 기초하여 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 결정함으로써 상기 의사랜덤데이터와 상기 반사데이터의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 온도 판독방법.
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