KR20230014419A - 하드웨어 및 소프트웨어 모듈을 개발 및 시험하기 위한 hils시험 장치를 구현하는 fpga 및 로직 구성 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 입출력을 갖는 시험하드웨어 및 시험소프트웨어 모듈의 실시간 시험을 위한 HILS 시험장치에 대한 것으로, 기존 HILS 시험장치들은 디지털센서나 디지털입력장치를 시뮬레이션 하고자 시험하드웨어와 시뮬레이터 간에 별도의 통신 포트나 아날로그 입출력을 이용하여 시간오차나 아날로그 잡음을 수반하게 된다. 본 발명은 이러한 오차에 의한 시험 정밀도 저하의 문제점을 해결하기 위해, 필드프로그램로직칩에 디지털센서 데이터저장기능과 디지털통신 프로토콜 기능을 로직으로 구현하고 디지털입력을 시뮬레이터에 전송하는 프로토콜변환기로직과 통신모듈을 로직으로 구현하는 것을 특징으로 한다.본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 시험하드웨어와 시험소프트웨어에 실제 시스템 내에서 구동되는 것과 동일한 환경을 제공하여 HILS 시험장치에 높은 수준의 정밀도와 모사성능의 구현을 가능하게 한다.

Description

하드웨어 및 소프트웨어 모듈을 개발 및 시험하기 위한 HILS시험 장치를 구현하는 FPGA 및 로직 구성{FPGA and logic configuration to implement HILS testing devices for developing and testing hardware and software modules}

본 발명은 다수의 디지털 입출력을 갖는 하드웨어 및 소프트웨어 모듈과 물리시스템(Physical System) 그리고 기타 주변하드웨어로 구성되는 시스템에서 쉽게 시험하기 힘든 물리시스템의 실시간 시뮬레이션을 통해 하드웨어 및 소프트웨어 모듈을 개발 및 시험하기 위한 HILS(Hardware-In-The-Loop Simulation) 시험 장치를 구현하 는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 로직 구성에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 물리시스템 시뮬레이 터의 출력 값들을 실제 시스템 센서 소자가 출력하는 것과 동일한 효과를 낼 수 있는 FPGA 내부 로직과, 물리시 스템에 가해지는 입력을 디지털로 입력 받아 실제 물리적 입력을 생성하는 소자 또는 모듈을 대신해서 시뮬레이 터에 전달할 수 있도록 하는 FPGA 내부 로직들의 구성을 포함하는 HILS 시험장치에 대한 것이다

종래의 HILS 시험장치는 물리적인 시스템의 시험에 많은 비용이 필요하거나 전체 시스템의 구동에 위험성이 있 는 경우에 부분적인 물리시스템을 실시간 시뮬레이션을 통해 대체하여 나머지 시스템의 개발 및 시험을 용이하 게 하는 목적으로 사용되었다. 예를 들어 무인항공기 시스템의 경우 비행동체, FCC(Flight Control Computer), 그리고 로터와 날개 등의 물리적 입력을 가하는 액츄에이터 등으로 구성되는데, 실제 비행동체를 공중에 비행시 키면서 FCC 를 개발하는 것은 매우 위험하고 많은 비용을 발생시킨다. 이러한 경우에 비행동체의 공역학을 실시 간 시뮬레이터로 구현하고 액츄에이터들은 지상에 구현하면 안전하게 실험실에서 FCC의 하드웨어와 소프트웨어 를 시험 개발하는 HILS를 구현할 수 있다. 그런데 FCC의 경우에는 GPS, 관성항법장치, 압력센서, 풍속센서, 레 이저거리측정기, 온도센서 등 여러 종류의 센서입력을 받게 되는데 각 센서들의 고정밀화와 그에 따른 디지털화 에 의해 FCC에는 디지털 센서 입력 회로와 해당 회로와 입출력하는 디바이스드라이버 등의 소프트웨어 모듈을 장착하게 된다. 이 경우에 FCC 소프트웨어와 하드웨어 자체의 온전한 성능을 시험하려면 이러한 디지털 입력부 분과 구동 소프트웨어를 그대로 사용하는 시험을 통해 가능한데 지상에서의 시뮬레이션 환경에서 FCC 외부의 센 서들의 출력을 실제 공중의 특정 좌표와 환경과 같이 출력하게 하는 것은 불가능하다. 지금까지의 HILS 시험 장 치는 이러한 경우 실제 센서 입력 회로와 디바이스드라이버를 사용하지 않고 별도의 통신 포트나 아날로그 포트 를 통해 시뮬레이터에서 생성한 센서 출력 값들을 입력받는 우회적인 방법을 사용해 왔는데, 원래의 전체 시스 템이 갖는 센서 입출력 환경을 사용하지 않게 되므로 센서 입출력 회로와 소프트웨어를 같이 검증하지 못하는 문제점을 갖게 된다. 또한, 별도의 통신포트나 아날로그 포트를 통해 센서 입력을 전달하는 경우에는 신호 전달 시간차와 아날로그 잡음이 같이 전달될 수 있어 시뮬레이션의 정확도가 저하되는 문제점도 갖게 된다.

본 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로,

시뮬레이션의 대상이 되는 물리시스템, 디지털센서, 디지털입력장치를 시뮬레이터로 구현하고 나머지 시험하드 웨어와 주변하드웨어를 실제 하드웨어로 구현하되 디지털센서출력과 디지털입력을 원래 시스템과 동일하게 구현 하여 종래의 HILS 시험장치가 가졌던 입출력 신호 오차를 최소화하여 시험의 정밀도를 높이는데 그 목적이 있다.

전체 HILS 시험 장치를 통해 개발 및 시험하려고 하는 시험하드웨어 및 시험소프트웨어는 여러 종류의 디지털 센서로부터 물리시스템의 상태를 입력받고, 입력받은 물리시스템의 상태값으로부터 시험장치출력을 생성한다. 생성된 출력은 주변하드웨어로 입력되어 물리시스템에 입력되는 디지털입력을 생성하게 한다. 이러한 시스템 구 성에서 실제 디지털센서와 디지털입력기를 사용하지 않고 해당 기능을 그대로 시뮬레이션하면서 동시에 입출력 특성을 그대로 구현하려면 디지털센서와 디지털입력기의 입출력 기능을 그대로 구현해야만 한다. 디지털센서 출 력은 I2C, SPI, UART, PWM 과 같은 형태를 갖는데 각 센서마다 FPGA 내부에 해당 통신 기능과 각 센서가 출력하 는 신호 규격에 맞게 데이터를 가공하는 기능을 Verilog 또는 VHDL 과 같은 로직언어로 센서출력모사로직을 구 현하여 디지털센서의 대체시험이 가능하다. 또한, 디지털입력기 부분도 기존의 물리시스템이 입력받는 물리적 입력값을 시뮬레이터가 입력받을 수 있도록 프로토콜 변환하는 로직을 구현하여 동일한 기능으로 대체시험이 가 능하다.

본 발명으로 제안되는 전체 HILS 시험장치는 시험의 주된 대상인 시험하드웨어와 시험소프트웨어에게 실제 시스 템 내에서 구동되는 것과 완벽히 동일한 조건을 제공하여 HILS 시험에 높은 수준의 정밀도와 모사성능을 제공하게 한다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 더욱 상세히 설명한다. 도 2는 HILS 시험장치를 적용하려고 하는 대상 시스템의 구성으로 물리시스템(201), 디지털센서(204), 시험소프

트웨어(109)를 내장한 시험하드웨어(108), 주변하드웨어(110), 디지털입력기(205)를 포함한다.

실제 대상이 되는 시스템의 예를 들면 무인항공기 제어시스템, 수중추진체제어시스템, 자동차 자율주행시스템들 을 들 수 있다. 무인항공기 제어시스템의 경우 항공기동체가 물리시스템(201), 항공기동체의 동역학상태변수가 물리시스템출력(202), GPS/관성항법장치/고도센서/풍속센서/지자기센서/지면거리센서들이 디지털센서(204), 각 센서 출력신호들이 디지털센서출력(106), 무인항법컴퓨터가 시험하드웨어(108), 무인항법소프트웨어가 시험소프 트웨어(109), 액츄에이터 명령값이 시험장치출력(107), 로터/날개각도제어기가 주변하드웨어(110), 로터속도/날 개각도들의 디지털값이 디지털입력(111), 로터속도/날개각도들의 디지털인값을 실시간 물리값으로 변환하는 디 지털입력기(205), 로터속도/날개각도들의 실제 물리시스템 입력이 물리시스템입력(203)에 해당한다.

상기 시스템의 구성요소 중 물리시스템(201)은 크기가 크거나 실험실 내에서 운전이 힘들거나 불가능한 경우가 많은데 무인항공기 제어시스템의 경우 항공기동체가 이에 해당하여 실험실 내에서 공중에 비행하는 상태를 재현 하는 것은 불가능 함은 당연하다. 이러한 물리시스템(201)은 주요한 시뮬레이션의 대상이 되는데, 시뮬레이터 (101)가 물리시스템(201)의 실시간 시뮬레이션이 가능하면 나머지 시스템과 같이 전체 시스템의 HILS 시험장치 구현이 가능하여 실험실 내에서도 시험하드웨어(108)와 시험소프트웨어(109)의 개발 및 시험이 가능하다.

이러한 HILS 시험장치의 구현에 있어 시뮬레이션 되는 부분과 실제 시스템 모듈이 공존하게 되고 이 두 가지 부 분의 연결을 어떻게 하는지가 시험의 정확도에 큰 영향을 갖는다.

도 1은 본 발명이 대상으로 하는 바람직한 실시예로 시뮬레이터(101), 필드프로그램로직칩(102)과 그 내부에 로 직으로 구현되는 통신모듈(103), 센서출력모사로직(104), 프로토콜변환기로직(105)을 구성해서 나머지 실제 시 험대상 시험하드웨어, 시험소프트웨어, 주변하드웨어와 연결된다.

시뮬레이터(101)는 통상 물리시스템(201)의 실시간 동역학 연산이 가능한 컴퓨터와 동역학 연산용 소프트웨어로 구현되며, 실시간 연산을 위해 다수의 컴퓨터와 네트워크 통신망으로 구현되기도 한다. 무인항공기 제어시스템 의 경우 항공기동역학 시뮬레이터와 3차원 표시기가 이에 해당하며 이더넷 등의 통신망을 통해 필드프로그램로 직칩으로 항공기동체의 위치,속도,각도,각속도,주변풍향,주변풍속 등의 물리값을 전달하고, 역시 통신망을 통해 필드프로그램로직칩으로부터 제어기의 출력에 의해 결정되는 로터속도,날개각도 등의 물리적 값을 입력받는 역 할을 한다.

통신모듈(103)은 시뮬레이터(101)와 이더넷 등의 네트워크 연결을 통해 입력받은 물리시스템출력값들을 수신하 고 해석하여 각 물리값을 측정하는 디지털센서(204)의 기능을 모사할 센서출력모사로직(104)로 전송한다. 또한, 통신모듈(103)은 프로토콜변환기로직(105)으로부터 전달받은 디지털입력(111)들을 패킷화하여 시뮬레이터(101) 로 전송한다. 무인항공기 제어시스템의 경우 디지털센서(204)들은 GPS수신기, 관성항법장치, 차분압력센서 (Pitot), 고도계, 지상거리측정센서 등이 있는데 각 센서들은 여러 기능의 디지털 레지스터들과 정밀한 디지털 출력을 갖는다. 디지털 출력은 I2C, SPI, UART, PWM 등의 디지털 프로토콜로 출력되는데 통신모듈(103) 로직은 각 센서별로 입력된 물리값을 분류하여 센서출력모사로직(104)에 전송하고 센서출력모사로직(104)은 실제 센서 와 동일한 내부 레지스터 값을 연산하여 저장하고 I2C, SPI, UART, PWM 등의 해당 디지털 출력 로직을 구현하여 실제 센서와 같은 신호규격으로 디지털센서출력(106)을 시험하드웨어(108)로 전송한다.

상기 센서출력모사로직(104)의 필드프로그램로직칩(102) 내부의 구현으로 시험하드웨어(108)과 그 내부에 동작 하는 시험소프트웨어(109)는 실제 디지털센서(204)에서 입력을 받는 것과 동일한 상태에서 구동되게 된다. 즉, 시험소프트웨어 측면에서도 디바이스드라이버로부터 응용소프트웨어 레벨까지 실제 시스템 구동시와 동일한 상 태에서 시험하는 효과를 갖는다.

센서출력모사로직(104)는 각 센서들의 물리입력값을 수신하고 내부 기능 레지스터들값들의 연산 및 저장 그리고 디지털 출력 프로토콜 역할을 구현한다. 예를 들어 고도계의 경우 무인항공기 제어시스템에서 압력을 통해 고도 를 측정하는 센서로 사용되는데, 시뮬레이터(101)의 출력 중 주변온도값과 고도값을 수신하여 압력값으로 변환 하고, 내부레지스터에 저장하고, 온도보상을 위한 내부 레지스터를 별도 계산하여 저장한다. 그리고, 시험하드 웨어가 I2C버스를 통해 각 레지스터를 읽어갈 수 있도록 슬레이브 I2C 버스 프로토콜 로직에 각 레지스터를 연 결한다. 실제 시스템에서 압력을 측정하는 디지털센서(204)는 압력값과 보상용 온도값을 레지스터에 저장하고 시험소프트웨어가 I2C 버스를 통해 두 가지 값을 읽은 후에 연산을 통한 고도값의 추정과정을 거치게 되는데, 상기 센서출력모사로직에 의해 이러한 과정을 실제 시스템과 동일한 상태에서 개발,시험,검증할 수 있게 된다. 시험소프트웨어(109)의 구동을 통해 시험하드웨어(108)에서 출력되는 시험장치출력(107)은 실제 시스템에서와 같이 주변하드웨어(110)으로 전달되는데, 주변하드웨어(110)는 물리시스템(201)과 달리 실험실에서 실제 구동이 가능한 부분으로 구성한다. 무인항공기 제어시스템의 경우 꼬리날개 각도 제어부, 엘리베이터 날개 각도 제어부 등이 이에 해당하며 기계적인 부분까지 실험실 내에서 구현 및 시험이 가능하다. 꼬리날개 각도와 엘리베이터 날개 각도의 경우 해당 각도의 값이 항공기동체역학에 대한 입력값이 되는데, 실제로는 물리적인 값이 직접 물 리시스템에 입력으로 영향을 주지만 이상적인 실측치는 알 수 없기 때문에 내부센서로 측정해 디지털변환된 디 지털입력(111) 값을 사용한다. 디지털입력기(205)는 변환오차를 포함해서 측정된 항공기동체역학에 대한 입력값 을 물리적인 값으로 변환하는 가상의 구성요소이다. 이러한 해석적 구성을 통해 시뮬레이터(101)로 입력되는 물 리시스템입력(203)을 디지털로 측정된 디지털입력(111)으로 대체할 수 있게 되고, 이러한 역할을 프로토콜변환 기로직(105)이 담당한다.

프로토콜변환기로직(105)은 주변하드웨어(110)가 생성하는 물리적인 값들을 디지털화한 디지털입력(111)으로 입 력받아서 시뮬레이터(101)로 전달하기 위한 데이터변환과 패킷화를 수행한다. 무인항공기 제어시스템의 경우 꼬 리날개 각도 값에 해당하는 센서 신호를 디지털변환하여 주기적으로 입력 받고 입력받은 여러 물리적 입력값들 을 모아 통신패킷을 구성하여 통신모듈(103)으로 전달한다. 이를 입력받은 시뮬레이터(101)는 항공기동역학 시 뮬레이션을 수행하게 되고 위치,속도,각도,각속도,주변풍향,주변풍속 등의 물리시스템출력값들을 연산하여 출력 하고 전체 제어 시스템 궤환(Feedback)이 완성된다.

상기와 같이 본 발명에서는 무인항공기 제어시스템, 수중추진체제어시스템, 자동차 자율주행시스템들과 같이 실 험실에서 실제 시험이 불가능하거나 힘든 시스템의 개발을 위해 적용되는 HILS 시험장치의 구성에 있어 시뮬레 이터(101)와 시험하드웨어(108)의 연결을 필드프로그램로직칩과 그 내부의 센서출력모사로직, 프로토콜변환기로 직, 통신모듈로 구현하여 실제 시스템 구동과 동일한 조건에서 시험하드웨어와 시험소프트웨어를 개발,시험,검 증할 수 있는 방법을 제시하였다

Claims (4)

1. 디지털 입출력을 갖는 하드웨어 및 소프트웨어 모듈의 실시간 HILS 시험 장치에 있어서,
   시뮬레이터(101)에서 생성한 물리시스템출력을 측정하는 디지털센서의 기능을 모사하는 센서출력모사로직(104) 과;
   시뮬레이터에 입력되는 물리시스템 입력을 생성하는 디지털입력기의 기능을 모사하는 프로토콜변환기로직(105) 과;
   센서출력모사로직(104) 및 프로토콜변환기로직(105)과 시뮬레이터(101) 간의 송수신 기능을 담당하는 통신모듈 (103)과;
   상기 센서출력모사로직(104), 프로토콜변환기로직(105), 통신모듈(103)을 구동하는 필드프로그램로직칩(102)을 포함하는 것을 특징으로 하는
   HILS 시험 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 센서출력모사로직(104)은,
   디지털센서(204)가 입력받는 물리적 값을 시뮬레이터(101)로부터 통신모듈(103)을 통해 입력받고, 디지털센서(204)가 내부적으로 구현하는 디지털 레지스터 값을 계산하여 저장하며,
   I2C, SPI, UART, PWM 과 같은 디지털센서(204)의 출력과 동일한 형태의 디지털 출력 방식을 로직으로 구현하는 것을 특징으로 하는 HILS 시험 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 프로토콜변환기로직(105)은,
   물리시스템(201)의 입력인 물리시스템입력(203)을 디지털입력(111)으로부터 생성하는 디지털입력기(205)의 기능 을 로직으로 구현하되,
   I2C, SPI, UART, PWM 과 같은 주변하드웨어(110)의 디지털 출력을 입력받을 수 있는 로직을 포함하는 것을 특징 으로 하는 HILS 시험 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 통신모듈(103)은,
   시뮬레이터(101)가 입출력할 수 있는 Ethernet, UART 와 같은 통신 포트를 구현하고,
   시뮬레이터(201)로부터 주기적으로 수신한 물리시스템출력(202) 데이터를 해석하여 센서출력모사로직(104)에 전 달하고,
   프로토콜변환로직(105)의 출력을 패킷화 하여 시뮬레이터(101)로 전송하는 것을 특징으로 하는 HILS 시험 장치.