KR20110117550A - 다중접속이 가능한 ＣＡＮｏｐｅｎ 기반 ＩＥＥＥ 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법에 관한 것으로, 트랜스듀서와의 인터페이스, 신호변환 그리고 신호처리 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 슬레이브 역할을 하는 여러 개의 TIM 모듈; 상기 TIM 모듈에게 지령을 전달하는 역할과 상기 TIM 모듈에서 받은 데이터를 연산 처리한 후 상위의 네트워크를 통하여 디지털의 형태로 전송하는 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 마스터의 역할을 하는 1개의 NCAP 모듈; 및 상기 NCAP 모듈과 상기 TIM 모듈의 인터페이스를 위한 CANopen을 이용한 TII; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 물리계층으로 CANopen 프로토콜을 사용하고 있어 하나의 NCAP에 최대 127개의 TIM을 다중 접속 할 수 있으며, node guarding protocol을 이용한 plug-and-play 기능을 구현함으로서 스마트 센서에서 TIM 모듈의 결함이 발생하였을 경우 네트워크 프로그램의 재설계나 교체없이 TIM 모듈만을 교체하여 사용함으로써, 자동화 시스템의 지능화를 향상시킬 수 있다.

Description

다중접속이 가능한 ＣＡＮｏｐｅｎ 기반 ＩＥＥＥ 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법{CANopen-based IEEE 1451 Smart Sensor System with Multiple Connectivity and the Operation Method}
본 발명은 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동화 시스템의 지능화를 향상시키기 위해 필수적인 산업용 필드장치의 배선 및 유지보수의 편리성 향상을 위해 하나의 NCAP을 이용하여 다수의 트랜스듀서 모듈을 사용하기 위한 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법에 관한 것이다.
최근의 생산시스템은 인간에 의해 수행되던 반복된 작업들을 24시간 가동할 수 있는 컨베이어 벨트(conveyor belt)와 같은 자동화 장비나 AGV(Automatic Guided Vehicle), OHT(Overhead Hoist Transfer)와 같은 무인화 장비로 대체되는 추세에 있다. 이러한 자동화 무인화 장비들은 다수의 센서와 제어기 같은 필드장치(Field device)를 사용하여 스스로 상황을 판단하고 동작을 결정할 수 있도록 미리 프로그램 되어 있으며, 시스템의 성능이 필드장치의 성능과 사용량에 의해 상당부분 좌우되고 있다. 더욱이 생산량을 증가시키기 위해 더욱 높은 수준의 지능화가 자동화 시스템에 요구되면서, 필드장치의 성능향상과 함께 사용되는 필드장치의 수도 급속히 증가되어 가고 있다.
그러나, 필드장치의 수가 증가 될수록, 필드장치를 일대일로 연결하는 전통적인 점대점(Point-to-Point)방식은 시스템의 성능 향상이나, 유지 보수 등에서 한계를 가지게 되었다. 이러한 점대점 방식의 문제점을 해결하기 위하여, 공유된 전송 매체를 사용하여 필드장치의 정보를 공유하기 위한 산업용 네트워크인 필드버스가 개발되었으며, 1999년 말 Profibus, Fieldbus Foundation, WorldFIP 등과 같은 6개의 프로토콜을 포함하는 IEC61158 필드버스가 국제 표준으로 제정되었다.
필드버스는 점대점 연결 방식에 비하여 배선의 감소나 유지보수의 용이성, 시스템의 확장성의 증대 등과 같은 장점을 가지고 있기 때문에, 전통적인 공정 제어 분야뿐만 아니라, 조립 생산 시스템이나 물류 자동화 시스템 등과 같은 다양한 분야로 확산되어 가고 있다. 이러한 필드버스의 적용확대로 인해 자동화 장비에 사용되고 있는 수많은 센서도 필드버스에 연결하여 정보를 수집할 수 있는 네트워크 센서로 발전되고 있다.
그러나, 위에서 언급한 것과 같이 수많은 필드버스 프로토콜이 산업전반에 걸쳐 확대되고 있기 때문에, 센서 제조사는 모든 종류의 필드버스를 지원하는 네트워크 센서를 개발해야 하는 문제점에 봉착하게 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1993년 NIST와 IEEE에서 스마트 센서 기술에 대한 표준화를 추진하게 되었으며, 그 결과 1997년 스마트 센서 국제표준안으로 IEEE 1451을 발표하였다.
도 1은 IEEE 1451에서 규정하고 있는 하위표준의 구성도를 나타낸 것이다. 도 1에서 보는 것과 같이 IEEE 1451.1 표준은 NCAP(Network Capable Application Processor)의 소프트웨어 모델을 정의하고 있다. IEEE 1451.2 표준은 트랜스듀서(센서와 액추에이터를 통칭) 및 NCAP간의 하드웨어 통신 채널에 대해 최초로 정의하였으며, 하나의 NCAP과 하나의 STIM(Smart Transducer Interface Module)이 연결되는 구조를 정의하였다. IEEE 1451.3 표준은 하나의 NCAP에 여러 개의 TBIM(Transducer Bus Interface Module)이 연결되는 버스 구조의 하드웨어 인터페이스에 대해 표준으로 정의하여 제정되었다. IEEE 1451.4 표준은 아날로그 및 디지털 신호가 동일한 하드웨어 라인을 공유하는 MMI(Mixed Mode Interface)를 정의하였으며, IEEE 1451.5 표준은 트랜스듀서와 NCAP사이의 무선 인터페이스 연결의 표준에 대한 정의를 담고 있다.
하지만, 현재까지 표준화된 IEEE 1451 스마트 센서 인터페이스 표준은 대부분 하나의 NCAP과 하나의 TBIM간의 점대점 인터페이스에 대해서만 규정하고 있다. 비록 IEEE 1451.3 표준이 하나의 NCAP에 다수의 TBIM을 연결할 수 있는 버스 구조의 하드웨어 인터페이스에 대해 정의하고 있지만, 물리계층에 HomePNA 프로토콜을 적용하고 있어 산업용에 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 물리계층에 CANopen 프로토콜을 적용한 스마트 센서 인터페이스 표준인 IEEE 1451.6 표준의 제정이 추진되었으나, 표준 제정에 필요한 기간 및 비용의 부족 등의 이유로 취소되었다.
상술한 바와 같이, IEEE 1451 표준에서는 네트워크 모듈과 트랜스듀서 모듈의 점대점 인터페이스에 대해서만 정의하고 있어, 복수의 트랜스듀서를 네트워크에 연결하기 위해 상대적으로 가격이 높은 네트워크 모듈도 복수로 구성해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자동화 시스템의 지능화를 향상시키기 위해 필수적인 산업용 필드장치의 배선 및 유지보수의 편리성 향상을 위해 하나의 NCAP을 이용하여 다수의 트랜스듀서 모듈을 사용하기 위한 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템은, 트랜스듀서와의 인터페이스, 신호변환 그리고 신호처리 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 슬레이브 역할을 하는 여러 개의 TIM 모듈; 상기 TIM 모듈에게 지령을 전달하는 역할과 상기 TIM 모듈에서 받은 데이터를 연산 처리한 후 상위의 네트워크를 통하여 디지털의 형태로 전송하는 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 마스터의 역할을 하는 1개의 NCAP 모듈; 및 상기 NCAP 모듈과 상기 TIM 모듈의 인터페이스를 위한 CANopen을 이용한 TII; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 NCAP 모듈은, OD에 의거하여 데이터를 PDO 와 SDO로 패킹하고, CAN 트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당하는 IEEE 1451.0 통신계층; 상위 계층에서 전달받은 메시지와 네트워크를 통해 수신된 메시지를 IEEE 1451.0 표준에서 규정하고 있는 지령 메시지의 구조와 공통 지령의 내용으로 변환하는 IEEE 1451.0 서비스계층; 및 CiA DA 301에서 규정하고 있는 CANopen 통신 프로파일과 사용자가 스마트 센서의 정보를 수집하기 위해 설계한 응용 프로그램이 동작하는 응용계층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 TIM 모듈은, OD에 의거하여 데이터를 PDO 와 SDO로 패킹하고, CAN 트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당하는 IEEE 1451.0 통신계층; 센서의 물리적인 입ㆍ출력 전압범위와 수집주기, 보정데이터와 같은 센서 고유의 특성에 대한 정보를 포함하는 TEDS; 메시지를 표준에서 정의한 지령 메시지의 구조와 공통지령으로 변환하는 기능 및 센서의 정보를 전자적으로 정의한 상기 TEDS의 관리를 담당하는 IEEE 1451.0 서비스계층; 및 CANopen 통신 프로파일과 센서를 계측하고 전자적인 신호로 변환하는 신호처리와 관련된 응용프로그램이 동작하는 응용계층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템의 동작방법은, NCAP 모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 주변장치를 초기화하고, CANopen의 프로파일에 IEEE 1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행하는 단계; NCAP 모듈은 공유매체에 연결되어 있는지를 스스로 체크하고, 연결이 되어 있다면 동작이 가능한 “OPERATION 모드”로 세팅하는 단계; 네트워크에 신규로 추가된 TIM 모듈과 삭제된 TIM 모듈을 확인하기 위한 노드 감시 절차를 수행하는 단계; 노드 감시 절차에서 미리 규정되어 있는 일정한 주기로 TIM 모듈을 체크하여 신규로 추가된 TIM 모듈의 상태를 “OPERATION 모드” 로 변경시키는 단계; 만약 TIM 모듈이 네트워크에 최초로 연결되었다면 트랜스듀서의 정보를 수집하기 위해 TIM의 TEDS정보를 읽고, 주기적으로 센서의 정보를 수집하기 위해 타이머를 가동하는 단계; 및 주기적으로 센서의 정보를 읽기 위한 지령을 송신하고, 수신된 센서 데이터를 처리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, TIM 모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 ADC, I/O와 같은 주변장치를 초기화하고, “PRE-OPERATION 모드”로 세팅하는 단계; CANopen의 프로파일에 IEEE 1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행하고, NCAP 모듈로부터 “OPERATION 모드 변경” 지령을 수신하여 자신의 상태를 “OPERATION 모드” 로 변경하는 단계; 및 NCAP 모듈의 지령에 따라 TEDS를 NCAP 모듈로 전송하거나, 센서를 트리거하여 센서를 수집한 후 NCAP 모듈로 전송하는 역할을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템 및 그 동작방법에 의하면, 물리계층으로 CANopen 프로토콜을 사용하고 있어 하나의 NCAP에 최대 127개의 TIM을 다중 접속 할 수 있으며, node guarding protocol을 이용한 plug-and-play 기능을 구현함으로서 스마트 센서에서 TIM 모듈의 결함이 발생하였을 경우 네트워크 프로그램의 재설계나 교체없이 TIM 모듈만을 교체하여 사용할 수 있다.
도 1은 IEEE 1451 표준군을 나타내는 블록도이다.
도 2는 CANopen 디바이스의 일반적인 구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 노드 감시 프로토콜의 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다중접속이 가능한 CANopen기반 스마트 센서의 시스템 구조도이다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 NCAP 모듈의 동작 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 5(b)는 본 발명에 따른 TIM 모듈의 동작 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예로서 테스트베드의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예로서 도 6의 테스트베드를 이용하여 시스템의 트래픽에 따른 전송지연을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8(a)(b)(c)는 본 발명의 일실시예로서 TIM 모듈에서 NCAP 모듈로 트랜스듀서의 정보인 TEDS를 전송하였을 경우의 최소,평균,최대 전송지연을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9(a)는 압력 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 9(b)는 plug-and-play 측정시간을 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 CANopen 디바이스의 일반적인 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, CANopen 디바이스(10)는 통신 인터페이스(11), 객체의 명세(12), 용용계층(13)의 세 부분으로 구성된다. CANopen 프로토콜의 핵심 요소는 OD(Object Dictionary), SDO(Service Data Object) 및 PDO(Process Data Object)를 통한 디바이스 기능성의 서술로서, object dictionary는 객체의 정보를 포함하고 있다.
우선 통신 인터페이스(11)는 CAN버스와 물리계층을 구성하기 위한 파라미터, 디바이스 ID, 제조업체 등과 같은 일반적인 정보와 함께, PDO와 SDO에 대해 정의하고 있다. 일반적으로 PDO는 CAN에서 사용할 수 있는 데이터의 최대 크기인 8byte 데이터의 실시간 교환에 사용되며, SDO는 데이터 전송 이외의 별도의 서비스를 제공하기 위한 8byte이상의 대용량 데이터 교환에 사용된다. 다음으로 객체의 명세(12)부분에서는 데이터 타입과 CAL(CAN Application Layer)에서 동작하는 모든 하드웨어 장치를 지원하기 위한 프로파일링(Profiling)개념에 대해 정의하고 있다. 마지막으로 응용계층(13)은 앞에서 기술한 디바이스 프로파일을 이용하여 사용자가 응용프로그램을 작성하기 위해 사용하는 I/O와 API에 대해 정의하고 있다.
도 3은 노드 감시 프로토콜의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, CANopen 프로토콜의 또 하나의 특징적인 기능은 네트워크에 연결되어 있는 슬레이브 노드들의 에러를 감지하기 위한 노드 감시 프로토콜(Node guarding protocol)의 사용이다.
NMT master(20)는 CANopen 네트워크에서 마스터의 역할을 하는 노드를 의미하며, NMT slave(21)는 네트워크에 연결되어 있는 슬레이브 노드를 의미한다. 노드 감시 프로토콜은 일정한 주기로 미리 규정되어 있는 노드 감시 시간(node guard time)마다 request primitive를 발생하여, 슬레이브 노드의 상태 정보를 수집한다.
슬레이브 노드는 상태에 변경이 생겼을 경우에 t(toggle bit)비트를 세팅하고 상태정보를 s(state of the NMT slave)필드에 기록하여 마스터 노드로 전송한다. 이러한 절차를 통해서 노드 감시 프로토콜은 슬레이브 노드에서 발생한 에러의 감시 기능 외에도 네트워크에 연결된 신규 노드의 정보수집과 연결 해제된 노드의 정보를 갱신하는 네트워크 유지보수의 기능에도 사용된다.
도 4는 본 발명에 따른 다중접속이 가능한 CANopen기반 스마트 센서의 시스템 구조도이다.
도 4를 참조하면, CANopen 네트워크에서 마스터의 역할을 하는 NCAP모듈(100) 1개와 슬레이브 역할을 하는 TIM모듈(200) 여러 개로 구성되며, 센서 인터페이스인 TII(300)의 물리계층으로 CAN을 사용하고 있다. 본 발명에서는 스마트 센서에서 요구되는 기능들이 모듈별로 독립적으로 동작하고, 각 TIM모듈(200)들은 네트워크를 통하여 전송되는 NCAP모듈(100)에서 송신되는 지령정보를 이용하여 해당 기능을 동작시키게 된다.
TIM모듈(200)의 정보를 수집하고 네트워크를 관리하는 NCAP모듈(100)은 3개의 계층으로 구성된다. IEEE 1451.0 통신계층(110)에서는 OD에 의거하여 데이터를 PDO와 SDO로 패킹하고, CAN트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당한다. IEEE 1451.0 서비스계층(120)에서는 상위계층에서 전달받은 메시지와 네트워크를 통해 수신된 메시지를 IEEE 1451.0 표준에서 규정하고 있는 지령 메시지의 구조와 공통 지령의 내용으로 변환하는 역할을 한다. 마지막으로 응용계층(130)에서는 CiA DS 301에서 규정하고 있는 CANopen 통신 프로파일과 사용자가 스마트 센서의 정보를 수집하기 위해 설계한 응용 프로그램이 동작한다.
NCAP모듈(100)로부터 지령을 전달받아 세서의 정보를 수집하거나 전송하는 TIM모듈(200)도 NCAP모듈(100)과 같이 3부분으로 구성된다.
IEEE 1451.0 통신계층(210)은 위에서 기술한 것과 같이 데이터를 OD에 의거하여 PDO와 SDO로 패킹하고, CAN 트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당한다. IEEE 1451.0 서비스계층(220)에서는 메시지를 표준에서 정의한 지령 메시지의 구조와 공통지령으로 변환하는 역할과 함께, 센서의 정보를 전자적으로 정의한 TEDS(240)의 관리를 담당한다. TEDS(240)에는 센서의 물리적인 입ㆍ출력 전압범위와 수집주기, 보정데이터와 같은 센서 고유의 특성에 대한 정보를 포함하고 있다. 마지막으로 응용계층(230)에서는 CANopen 통신 프로파일과 센서를 계측하고 전자적인 신호로 변환하는 신호처리와 관련된 응용프로그램이 동작한다.
도 5(a)는 본 발명에 따른 NCAP 모듈의 동작 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 5(a)를 참조하면, NCAP모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 주변장치를 초기화하고, CANopen의 프로파일에 IEEE1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행한다. NCAP 모듈은 CANopen 네트워크를 관리하는 마스터의 역할을 수행하기 때문에 공유매체에 연결되어 있는지를 스스로 체크하고, 연결이 되어 있다면 동작이 가능한 “OPERATION 모드”로 세팅한다.
이후 네트워크에 신규로 추가된 TIM모듈과 삭제된 TIM모듈을 확인하기 위한 노드 감시 절차를 수행한다. 노드 감시 절차에서는 미리 규정되어 있는 일정한 주기(Node guarding time)로 TIM모듈을 체크하여 신규로 추가된 TIM모듈의 상태를 “OPERATION 모드”로 변경시킨다.
만약 TIM모듈이 네트워크에 최초로 연결되었다면 트랜스듀서의 정보를 수집하기 위해 TIM의 TEDS정보를 읽고, 주기적으로 센서의 정보를 수집하기 위해 타이머를 가동한다. 이후 주기적으로 센서의 정보를 읽기 위한 지령을 송신하고, 수신된 센서 데이터를 처리하는 과정을 반복한다.
도 5(b)는 본 발명에 따른 TIM 모듈의 동작 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 5(b)를 참조하면, TIM모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 ADC, I/O와 같은 주변장치를 초기화하고, “PRE-OPERATION 모드”로 세팅한다.
이 과정이 완료되면, NCAP모듈과 마찬가지로 CANopen의 프로파일에 IEEE 1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행하고, NCAP모듈로부터 “OPERATION 모드 변경” 지령을 수신하여 자신의 상태를 “OPERATION 모드”로 변경한다.
이후 TIM모듈은 NCAP모듈의 지령에 따라 TEDS를 NCAP모듈로 전송하거나, 센서를 트리거하여 센서를 수집한 후 NCAP모듈로 전송하는 역할을 반복적으로 수행하게 된다.
표 1은 CANopen 프로파일에 매핑된 IEEE 1451.0의 공통지령을 요약하여 표로 나타낸 것이다.
표 1에서 사용하고 있는 모든 메시지는 NCAP 모듈과 TIM모듈의 OD에 등록하였으며, 전송되는 데이터의 크기와 주기를 고려하여 PDO, SDO 그리고 NMT로 구분하였다.
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먼저 인덱스 0x100B는 “ChannelNumber”로 변환되어 TIM모듈의 주소를 획득하기 위한 명세로 사용되었다.
그리고 0x100C와 0x100D는 TIM모듈의 plug-and-play 기능을 구현하기 위해 요구되는 “Read status-event value”와 “Read status-condition value”로 변환되어 TIM모듈의 상태변화를 감시하는 용도로 사용되었다.
다음으로 0x1200 인덱스는 TIM모듈에 저장되어 있는 센서의 정보인 TEDS를 읽어오기 위해 대용량의 데이터 송수신에 적합한 SDO로 사용하였으며, 서브인텍스는 TEDS의 종류에 따라 분류하였다.
이와 함께 0x1280 인덱스는 NCAP모듈에서 수신된 0x1200 인덱스의 지령에 따른 TIM모듈의 응답으로 정의하였다.
또한, 데이터의 실시간성이 요구되는 센서의 데이터를 수집하기 위한 인덱스는 0x1400의 PDO로 정의하였고, 0x1401과 0x1402는 TIM모듈에서 발생하는 인터럽트를 처리하기 위한 인덱스로 정의하였다.
마지막으로 TIM모듈은 “PRE-OPERATON 모드”에서 동작 가능한 “OPERATION 모드”로 변경하기 위한 지령은 CANopen 프로토콜의 NMT로 데이터를 송수신 할 수 있도록 설계하였다.
도 6은 본 발명의 일실시예로서 테스트베드의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 제안한 CANopen 프로토콜을 이용한 다중 접속이 가능한 IEEE 1451 스마트 센서 시스템의 성능을 평가하기 위하여 테스트 베드를 구성하였다. 시스템의 성능평가를 위한 테스트베드는 마스터 역할을 하는 하나의 NCAP모듈과 0∼100kPa 범위의 압력을 측정할 수 있는 ㈜오토닉스사의 디지털 압력센서가 연결되어 있는 6개의 TIM모듈로 구성하였다.
또한, CAN 버스에서의 데이터 상태를 관찰하기 위하여 네트워크 모니터링 툴인 CANoE를 연결하였다. 마지막으로 CANopen 네트워크의 전송 속도는 125kbps로 설정하였다.
CANopen을 이용한 IEEE 1451 스마트 센서이 TIM모듈은 ATMEL사의 8bit 마이크로 컨트롤러인 AT90CAN128을 사용하였다. AT90CAN128은 CAN, ADC, SPI 포트 등을 지원하고 플래시 메모리 타입의 프로그램 메모리를 가지고 있으며, 내부에 4K바이트의 EEPROM을 가지고 있다.
또한, 센서의 입력을 위해서 A/D 포트를 사용하였고, TEDS는 읽기 쓰기가 가능한 EEPROM을 이용하여 설계하였다. NCAP 모듈은 TIM모듈과 마찬가지로 AT90CAN128 마이크로 컨트롤러를 사용하였으며, 센서의 데이터를 수집하기 위한 응용프로그램을 설계하였다. NCAP모듈과 TIM모듈의 인터페이스인 TII로 사용되는 CAN통신을 위하여 CANRX, CANTX의 CAN포트가 사용되고, CAN 트랜시버로는 필립스사의 PCA82C250을 사용하였다.
마지막으로 NCAP모듈과 TIM모듈의 CANopen 프로파일을 구성하기 위해 IXXAT사의 상용 CANopen 스택 버전 4.21을 사용하여 CiA DS 301 통신프로파일을 구현하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예로서 도 6의 테스트베드를 이용하여 시스템의 트래픽에 따른 전송지연을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 전송지연을 평가하기 위하여 6개의 TIM에서 PDO를 이용한 5byte의 센서 데이터를 100msec(9.6%), 50msec(14.0%), 10msec(49.5%)의 주기로 전송하였다.
또한, 보다 명확한 실험결과의 확인을 위하여 TIM의 전송주기를 10msec로 고정한 상태에서 CANoE를 사용하여 54.0%, 68.0%, 88.0%의 트래픽을 추가적으로 발생시켜 전송지연을 측정하였다. 전송지연은 TIM모듈의 응용계층에서 센서 데이터를 전송하는 시점과 NCAP모듈의 응용계층에서 데이터를 수신한 시점에 I/O시그널을 별도의 전송지연 측정 모듈의 인터럽터에 연결하여 측정하였다. 실험결과에서 나타난 것과 같이 트래픽 발생량에 따라 최소 전송지여노가 평균 전송지연은 최대 2.0msec 이내를 유지하였으며, 최대 전송지연은 8.57msec 였다. 이는 경쟁을 기반으로 데이터를 전송하는 CSMA/NBA(Carrier Sense Multiple Access/Non destructive Bitwise Arbitration)알고리즘의 특징으로 트래픽이 증가하면서 반복된 충돌이 발생하기 때문이다.
도 8(a)(b)(c)는 본 발명의 일실시예로서 TIM 모듈에서 NCAP 모듈로 트랜스듀서의 정보인 TEDS를 전송하였을 경우의 최소,평균,최대 전송지연을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, TEDS는 센서 데이터와는 달리 데이터 교환의 주기가 일정하지 않고, 실시간성이 요구되지 않기 때문에 대용량 서비스 데이터의 전송에 적합한 SDO를 이용하여 전송하였다. IEEE 1451에서 정의하고 있는 TEDS의 크기를 고려하여 SDO 데이터의 크기는 40byte, 80byte, 120byte, 160byte로 설정하였고, 네트워크 트래픽은 25.07%, 51.37%, 82.64%로 점차 증가시켰다. 전송지연의 측정방법은 도 6에서 사용한 방법과 동일하다.
SDO 데이터는 CAN에서 수용 가능한 최대 데이터 크기인 8byte로 데이터를 분리하여 전송하고, 수신측에서 재구성하기 때문에 PDO 데이터에 비해 데이터의 크기와 트래픽에 따라 높은 전송지연을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 9(a)는 압력 측정값을 나타낸 그래프 이며, 도 9(b)는 plug-and-play 측정시간을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면 스마트 센서의 필수기능 중의 하나인 plug-and-play의 성능을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 스마트 센서의 plug-and-play 성능을 평가하기 위하여 테스트베드에 사용된 압력센서에 108.1mmH20의 상대압력을 가한 뒤 센서 데이터의 변화 추이를 수집하였으며, 실험과정에서 2번에 걸쳐 약 5초간 센서를 네트워크에서 분리하였다가 다시 연결하였다.
압력센서는 상대압력이 가한 시점부터 대기압으로 천천히 압력이 감소되었으며, 실험이 진행되고 나서 약 495초에 TIM을 네트워크에서 분리하였다. 네트워크에서 센서가 분리된 시점부터는 센서 데이터가 나타나지 않았으며, 약 5초 후 다시 TIM을 네트워크에 연결하였을 때, 일정한 plug-and-play 시간을 거치고 나서 다시 정상적으로 센서 데이터가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 9(b)는 위 실험과 함께 노드가 다시 네트워크에 연결되는 순간부터 노드가 동작하는 순간까지를 오실로스코프로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 노드에 전원이 인가되면 node guarding protocol에 따른 절차를 수행하고, 이후 NCAP의 지령에 따라 데이터를 네트워크로 전송하게 된다. 측정은 10번 반복하였으며, 실험결과 plug-and-play 시간은 평균 50.48msec로 나타났다.
본 발명에 따르면, 물리계층으로 CANopen 프로토콜을 사용하고 있어 하나의 NCAP에 최대 127개의 TIM을 다중 접속 할 수 있다. 또한, 스마트 센서는 TIM모듈에 결함이 발생하였을 경우, 네트워크 프로그램의 재설계나 교체없이 TIM모듈만을 교체하여 사용할 수 있도록 node guarding protocol을 이용하여 plug-and-play 기능을 구현할 수 있다.
본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.
10: CANopen 디바이스, 11: 통신 인터페이스
12: 객체의 명세, 13: 용용계층
20: NMT master, 21: NMT slave
100: NCAP모듈, 110: IEEE 1451.0 통신계층
120: IEEE 1451.0 서비스계층, 130, 230: 응용계층
200: TIM모듈, 210: IEEE 1451.0 통신계층
220: IEEE 1451.0 서비스계층, 240: TEDS
300: TII

Claims (5)

  1. 트랜스듀서와의 인터페이스, 신호변환 그리고 신호처리 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 슬레이브 역할을 하는 여러 개의 TIM 모듈;
    상기 TIM 모듈에게 지령을 전달하는 역할과 상기 TIM 모듈에서 받은 데이터를 연산 처리한 후 상위의 네트워크를 통하여 디지털의 형태로 전송하는 기능을 수행하며 CANopen 네트워크에서 마스터의 역할을 하는 1개의 NCAP 모듈; 및
    상기 NCAP 모듈과 상기 TIM 모듈의 인터페이스를 위한 CANopen을 이용한 TII; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 NCAP 모듈은,
    OD에 의거하여 데이터를 PDO 와 SDO로 패킹하고, CAN 트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당하는 IEEE 1451.0 통신계층;
    상위 계층에서 전달받은 메시지와 네트워크를 통해 수신된 메시지를 IEEE 1451.0 표준에서 규정하고 있는 지령 메시지의 구조와 공통 지령의 내용으로 변환하는 IEEE 1451.0 서비스계층; 및
    CiA DA 301에서 규정하고 있는 CANopen 통신 프로파일과 사용자가 스마트 센서의 정보를 수집하기 위해 설계한 응용 프로그램이 동작하는 응용계층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 TIM 모듈은,
    OD에 의거하여 데이터를 PDO 와 SDO로 패킹하고, CAN 트랜시버와 컨트롤러를 이용하여 네트워크에 송신하거나 수신하는 역할을 담당하는 IEEE 1451.0 통신계층;
    센서의 물리적인 입ㆍ출력 전압범위와 수집주기, 보정데이터와 같은 센서 고유의 특성에 대한 정보를 포함하는 TEDS;
    메시지를 표준에서 정의한 지령 메시지의 구조와 공통지령으로 변환하는 기능 및 센서의 정보를 전자적으로 정의한 상기 TEDS의 관리를 담당하는 IEEE 1451.0 서비스계층; 및
    CANopen 통신 프로파일과 센서를 계측하고 전자적인 신호로 변환하는 신호처리와 관련된 응용프로그램이 동작하는 응용계층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템.
  4. NCAP 모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 주변장치를 초기화하고, CANopen의 프로파일에 IEEE 1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행하는 단계;
    NCAP 모듈은 공유매체에 연결되어 있는지를 스스로 체크하고, 연결이 되어 있다면 동작이 가능한 “OPERATION 모드”로 세팅하는 단계;
    네트워크에 신규로 추가된 TIM 모듈과 삭제된 TIM 모듈을 확인하기 위한 노드 감시 절차를 수행하는 단계;
    노드 감시 절차에서 미리 규정되어 있는 일정한 주기로 TIM 모듈을 체크하여 신규로 추가된 TIM 모듈의 상태를 “OPERATION 모드”로 변경시키는 단계;
    만약 TIM 모듈이 네트워크에 최초로 연결되었다면 트랜스듀서의 정보를 수집하기 위해 TIM의 TEDS정보를 읽고, 주기적으로 센서의 정보를 수집하기 위해 타이머를 가동하는 단계; 및
    주기적으로 센서의 정보를 읽기 위한 지령을 송신하고, 수신된 센서 데이터를 처리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템의 동작방법.
  5. TIM 모듈은 전원이 인가되면 응용프로그램과 ADC, I/O와 같은 주변장치를 초기화하고, “PRE-OPERATION 모드”로 세팅하는 단계;
    CANopen의 프로파일에 IEEE 1451.0의 지령을 매핑하는 과정을 수행하고, NCAP 모듈로부터 “OPERATION 모드 변경” 지령을 수신하여 자신의 상태를 “OPERATION 모드” 로 변경하는 단계; 및
    NCAP 모듈의 지령에 따라 TEDS를 NCAP 모듈로 전송하거나, 센서를 트리거하여 센서를 수집한 후 NCAP 모듈로 전송하는 역할을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중접속이 가능한 CANopen 기반 IEEE 1451 스마트 센서 시스템의 동작방법.
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