ADI 프로세서로 ‘전기차 경고음 시스템’ 살펴보기
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ADI 프로세서로 ‘전기차 경고음 시스템’ 살펴보기
  • 아나로그디바이스
  • 승인 2020.10.15 08:35
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EVWSS 시스템의 구조와 기능

[테크월드=선연수 기자] 

 

보행자를 위한 전기차 엔진음

전통적인 내연 기관 자동차는 저속 주행 시 엔진 소리를 낸다. 보행자와 다른 교통 이용자들은 시각이나 차량이 보이지 않을 때는 타이어 소리 등의 소음을 청각으로 인지함으로써 차량이 다가오는 경우나 출발하는 것을 인식한다.

전기차(EV)는 엔진 소리가 나지 않는다. 하이브리드 전기차(HEV)나 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)는 저속 주행 시 전통적인 내연기관(ICE)이 작동하기 전까지는 거의 소리 없이 움직인다. 차량이 30km/h 미만의 속도로 달릴 때 소리를 듣기는 어려우며, 더 높은 속도에서는 타이어 소리만 들을 수 있다.

전 세계 관련 기관들은 시각장애인을 비롯해 보행자나 자전거 이용자가 차량이 접근하는 소리를 듣고, 어느 방향에서 오는지 알도록 하기 위해 PHEV나 HEV가 전기 모드로 운행할 때 차량에서 내는 최소 수준의 소음을 정하는 규정을 마련하고 있다. 미국 고속도로 교통안전국(NHTSA) 웹사이트에서는 관련 규정의 예를 볼 수 있다.

전기차 경고음 시스템(EVWSS, Electric Vehicle Warning Sound System)은 보행자에게 EV, HEV, PHEV의 존재를 알릴 수 있도록 설계된 다양한 소리를 만들어낸다. 이를 통해 운전자는 자동차 경적과 유사하면서도 덜 긴급한 경고음을 발생시킬 수는 있으나, 경고음은 저속에서 자동으로 작동돼야 한다. 이런 소리는 인공음부터 엔진 소음, 자갈 위를 달리는 타이어를 흉내 낸 사실적인 소리까지 다양하다.

아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)는 EV를 위한 차량 내 엔진음뿐 아니라 외부 엔진음을 지원하는 첨단 애플리케이션을 위해 두 가지 솔루션을 제공한다.

ADAU1450 시그마DSP(SigmaDSP)에 기반한 솔루션은 엔트리 레벨 시스템용으로, 주행 속도에 따라 사운드를 합성하고 주파수, 사운드 볼륨, 기타 파라미터를 조정할 수 있다. 이와 함께 ADSP-BF706에 기반한 솔루션도 지원한다. 오디오 전력 증폭기에 오디오를 전송할 수 있으며, 특정 규정 요건에 따라 내연기관 엔진음이나 다른 합성음을 사용해 경고음을 시뮬레이션 할 수도 있다.

 

ADI 블랙핀 프로세서 기반 솔루션

ADSP-BF706 블랙핀(Blackfin+) 프로세서는 오디오 프로세싱, CAN(Control Area Network) 버스와의 인터페이싱을 위한 단일 칩 솔루션을 제공한다. ADSP-BF706에서 실행되는 CAN 소프트웨어 스택이나 벡터(Vector) CAN 스택을 활용해 자동차 등급 데모를 제작할 수 있다. 이와 함께 하드웨어·소프트웨어 레퍼런스 디자인, 파라미터의 실시간 튜닝을 위한 시그마스튜디오(SigmaStudio)와의 호환성을 지원한다.

 

[그림 1] 블랙핀 프로세서의 프로세싱 블록

[그림 1]은 ADSP-BF706 내부의 다양한 프로세싱 블록이다. 외부의 파형 오디오 파일(WAV)이 시그니처 엔진음이나 오디오 톤을 저장하며, 외부 SPI 인터페이스를 통해 최대 25개의 WAV 파일에 동시 접속할 수 있다. 파일은 동적 볼륨 컨트롤을 추가하기 전에 디지털 신호 프로세서(DSP)에서 내부적으로 주파수 이동·믹싱이 이뤄진다.

ADSP-BF706은 외부 메모리에 더 빠르게 간편히 접속할 수 있게 메모리 매핑된 SPI 인터페이스를 사용한다. 이를 통해 해당 애플리케이션용으로 외부 DDR(Double Data Rate) 메모리를 사용하지 않아도 된다. SPI 플래시 메모리로부터 최대 25개의 WAV 파일에 동시에 접속할 수 있고, 접속 가능한 WAV 파일이 많을수록 더 사실적인 엔진음을 생성할 수 있다.

ADSP-BF706은 미국 NHTSA의 권고사항인 최대 16배 피치 시프팅을 구현해 차량 속도가 빨라질수록 출력 사운드 주파수를 높여준다. CAN 버스로부터 차량 속도가 빨라짐에 따라 볼륨을 동적으로 제어할 수 있다.

 

[그림 2] 완전한 기능 보드에 블랙핀 프로세서가 탑재된 시스템의 상세 블록 다이어그램

[그림 2]는 시스템 블록 다이어그램의 세부 내용을 나타낸 것이다. Power by Linear LT8602 쿼드 모노리식 동기식, 스텝다운 레귤레이터는 시스템에 필요한 모든 전압 레일을 제공하며, 이는 모두 12V 자동차 배터리 전원에서 가져오는 것이다.

레귤레이터는 2MHz 스위칭 주파수를 사용해, 사용자는 AM 대역과 같이 중요하면서도 잡음에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있다. LT8602는 입력 전압 범위가 3~42V이기 때문에, 최소 입력 전압이 3V 정도로 낮은 콜드 크랭크와 스타트-스톱 시나리오와 40V 이상의 로드 덤프 과도상태에서, 전원을 공급해야 하는 자동차 애플리케이션에 적합하다.

 

[그림 3] 부품이 간소화된 보드에 블랙핀 프로세서가 탑재된 시스템의 상세 블록 다이어그램

[그림 3]은 커넥터, 간소화된 주변장치 세트, 모든 관련 신호를 전달하는 자동차 등급 커넥터 1개로 구성된 대체 시스템 블록 다이어그램이다. 이 시스템 솔루션은 ADSP-BF706이 마이크로컨트롤러와 오디오 프로세서 역할을 해 시스템 BOM 비용이 절감되며, 이를 통해 더 작은 폼팩터 보드를 설계할 수 있다.

 

EVWSS 소프트웨어

관련 EVWSS 소프트웨어 아키텍처는 ADSP-BF706 하드웨어 아키텍처에 기반한다. 이 프로세서가 해당 하드웨어 아키텍처에 의존하는 이유는 메모리 매핑된 SPI 때문이다. CAN 인터페이스는 메모리 매핑된 SPI를 사용해 플래시 메모리에서 직접 읽어낸다. 이 기능은 EVWSS 라이브러리의 복잡성을 줄여주고, 경고음 생성을 위한 메모리 접속 효율을 높여준다.

 

[그림 4] EVWSS 소프트웨어 아키텍처 블록 다이어그램

소프트웨어 구성 요소를 좀 더 자세히 살펴보자. EVWSS 소프트웨어 아키텍처의 구성 요소는 [그림 4]와 같다. SPORT 콜백 기능은 오디오 데이터 샘플 속도에 매핑되고, SPORT 트랜시버 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 컨텍스트에서 실행된다. 이는 플래시 파일(매핑된 SPI 메모리)을 읽고 EVWSS 라이브러리를 사용해 오디오를 조작하고, 수정한 오디오를 SPORT 트랜시버 인터페이스를 통해 내보낸다.

EVWSS 라이브러리는 경고음을 합성하는 다양한 기능을 가진다. CAN 스택(또는 디버깅을 위한 UART 인터페이스)으로부터 차량의 속도 입력을 수신하고, TDA7803 드라이버는 외부 전력 증폭기를 제어해 경고음을 일으킨다. EVWSS 애플리케이션 프레임워크는 시스템 주변장치, CAN 스택, TDA7803 드라이버를 구성한다.

 

시그마DSP 기반 솔루션

엔트리 레벨 애플리케이션은 ADSP-BF706 프로세서에 대한 대안으로 ADAU1450 시그마DSP 프로세서를 사용할 수 있다. 평가를 위해 EVAL-ADAU1452 평가 보드를 사용할 수 있다.

 

[그림 5] 시그마DSP 프로세서의 프로세싱 블록

[그림 5]는 시그마DSP 프로세서 내부의 다양한 프로세싱 블록을 나타낸다. ADAU1450에서는 시그마스튜디오 프로그래밍 환경을 통해 다음과 같은 소프트웨어 요건들이 지원된다.

- 다중 톤 생성
- 최대 64 범위의 동적 볼륨 제어
- 사운드 믹싱
- 리미터(Limiter)
- 속도 증가와 함께 오디오 피치를 높이는 피치 시프팅(Pitch shifting)
- SPI 플래시 메모리로부터 최대 5개 WAV 파일을 동시에 재생

ADI는 시그마스튜디오(SigmaStudio)에 엔진음 시뮬레이터 모듈을 제공해 엔진 사운드 튜닝을 간소화하고, 필요한 외부의 동시 WAV 파일의 수를 줄여준다. 엔진음 시뮬레이터는 내부적으로 최대 32개 고조파를 발생시킬 수 있고, 고조파의 차수와 진폭은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphical User Interface)를 통해 프로그래밍할 수 있다.

고조파 발생 장치 모듈은 ESS 툴박스의 일부로 사용할 수도 있다. 시그마스튜디오는 CAN 소프트웨어 스택을 지원할 수 없기에 외부 마이크로프로세서가 필요하다는 것을 염두에 둬야 한다.

시그마스튜디오는 시그마DSP 프로세서 포트폴리오를 위해 설계된 그래픽 프로그래밍 환경으로, 자동차 애플리케이션을 위해 개발된 알고리즘 라이브러리를 내장하고 있다. GUI는 튜닝 프로세스를 간소화하고 코드를 작성할 필요 없이 즉시 변경할 수 있는 조절·필터 계수를 제공한다.

 

 

그 외 EVWSS 관련 성능

피치 제어

피치 시프팅은 제어 입력을 기초로 오디오 신호의 스펙트럼을 이동하는 개념이다. EVWSS 애플리케이션에서 WAV 파일의 베이스 피치는 차량의 속도 입력에 따라 이동된다.

 

주파수와 진폭 변조

엔진음은 흡기, 압축, 동력(팽창), 배기를 포함하는 엔진 스트로크에 의해 결정된다. 스트로크는 순수 톤 대신 주파수 변조된 톤을 생성한다. 샘플에서 피치 시프트 파라미터를 변화시켜 주파수 변조(FM, Frequency Modulation)를 수행한다.

애플리케이션에는 톱니파와 삼각파 2종류의 변조가 포함된다. 톱니파 변조에서 주파수는 최저에서 최고로 상승한 후, 다시 최저로 급속히 하강한다. 삼각파 변조에서 주파수는 최저에서 최고로 상승한 다음 다시 최저로 떨어진다.

 

오디오 믹싱

오디오 믹싱을 위해 차량 속도와 관련한 다양한 이점을 구현한다.

 

WAV 파일 재생

필요한 WAV 파일은 플래시에 있으나, 사용자는 동적 조건에 따라 일부 WAV 파일을 재생하거나 중지할 수 있다.

 

글: 안드레아스 펠코퍼(Andreas Pellkofer) 애플리케이션 엔지니어, 자간나스 로티(Jagannath Rotti) 소프트웨어 리드, 고덕화(Danny Ko) 애플리케이션 엔지니어
자료제공: 아나로그디바이스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 10월 호에 게재된 기사입니다.


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