[기고] 아날로그 디스커버리 프로를 통한 측정 자동화

[테크월드뉴스=이재민 기자] 오실로스코프는 측정에 관해서라면 모든 엔지니어가 선택하는 도구다. 기기가 파형 발생기로도 작동할 수 있고, 획득한 신호에 대해 몇 가지 수학적 계산을 수행할 수 있거나 자동화된 테스트가 허용되는 경우라면 금상첨화다. 엔지니어는 가끔 측정 작업 중에 획득한 데이터를 문서화하거나 신호를 추가로 처리해야 한다. 예를 들어 회로에서 특정 블록의 전력을 정량화하고 싶을 때, 절댓값뿐만 아니라 해당 계산에서 발생하는 파형에도 관심이 있는 것이다.

그러나 오실로스코프 대부분은 전압과 전류만 측정하므로 전력을 직접 측정할 수 없다. 따라서 소비 전력을 계산할 수 있도록 회로를 통과하는 전류를 획득하기 위해 션트 저항기를 사용해야 한다[그림 1].

또한 오실로스코프 채널은 거의 단일 종단이라 모든 측정은 접지를 참조해야 하는 점도 고려해야 한다. 부하에 대한 전압 강하를 직접 측정하는 것은 불가능하다. 션트 저항기에 대한 전압 강하를 측정하는 두 번째 측정이 필요하다. 이는 결국 전력을 측정하려면 일부 계산을 수행해야 한다는 것을 의미한다.

디질런트의 아날로그 디스커버리 프로(Analog Discovery Pro, 이하 ADP)는 장치에서 바로 계산할 수 있는 4채널 오실로스코프다(2채널 버전도 가능). ADP는 최대 0.5GSamples/s의 샘플링 속도로 14비트 분해능을 제공하며, 사무실이나 가정에서 전문가 수준 전자 테스트 벤치의 필요를 충족하는 진정한 혼합 신호 측정 장치다. 아날로그 입력 외에도 16개의 디지털 I/O 채널, 2개의 외부 트리거 입력 및 2채널 임의 파형 발생기를 엔지니어에게 제공한다[그림 2].

ADP는 노트북보다 작고 가벼우며, 내장된 사용자 인터페이스가 없다. 4개의 고속 USB 2.0 포트 중 하나 또는 이더넷 인터페이스를 통해 호스트 컴퓨터에 연결되며, 호스트에서 실행되는 디질런트의 무료 웨이브폼(WaveForms) 소프트웨어로 제어된다. 10년 이상의 고객 피드백을 통해 개선된 이 소프트웨어는 기존 벤치탑 애플리케이션의 외관과 느낌으로 사용자 경험을 제공하며, 맥OS, 윈도우 및 리눅스 운영 체제와 호환된다.

모든 기기를 위한 하나의 소프트웨어

웨이브폼에는 오실로스코프, 패턴 및 파형 발생기(예를 들어 전력 측정을 위한 테스트 신호를 생성할 수 있음), 제어 가능한 전원 공급 장치, I/O, 로직, 스펙트럼, 네트워크, 임피던스 및 프로토콜 분석기, 전압계 및 데이터 기록기 등의 12가지 내장 소프트웨어 기기가 포함됐다. 사용자는 혼합 신호와 혼합 도메인 신호를 캡처, 기록, 분석, 문서화 및 생성할 수 있다. 또한 웨이브폼에는 자바 스크립트로 기기를 사용자 정의 프로그래밍할 수 있는 스크립트 편집기 도구도 포함됐다.

그러나 때로는 전력 측정 예제 경우와 같이 스크립트를 생성할 필요조차 없다. 소프트웨어의 오실로스코프 기기에는 계산을 수행하고 측정값과 함께 결과를 표시하는 소위 ‘수학’ 채널이 포함돼 있기 때문이다. 따라서 회로의 총 전력을 표시하려면 대화 상자의 ‘스크립트’ 필드에 ‘(C2 – C1) * C1 / R_S’를 쓰기만 하면 된다(R_S는 션트 저항기의 값).

이 방정식은 감지 저항(채널 1)의 전압 V_S를 저항 값으로 나눠 전류를 계산한 다음, 해당 결과를 부하(채널 2)의 전압 V_G에서 전압 V_S(채널 1)를 빼서 파생된 결합된 부하(정전 용량 및 저항)의 전압과 곱한다. 같은 창에서 신호의 단위와 채널의 범위도 눈금당 단위로 설정할 수 있다. 측정 채널과 수학 채널의 이름도 변경할 수 있다[그림 3]. 저항기의 전력 소비 R_L과 같은 추가 계산과 단순히 수학 채널을 더 추가하는 작업을 수행할 수 있으며, 산술 연산 외에도 모듈이 삼각 연산 등도 지원한다.

자동화를 용이하게 하는 스크립트 모듈

웨이브폼의 각 기기는 스크립트로 실행할 수 있다. 자바 스크립트 코드를 작성하고 ‘스크립트’ 기기에서 실행하는 방식으로 엔지니어가 광범위한 API(애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)를 통해 다른 기기를 제어할 수 있다. 이런 방식으로 여러 기기를 동시에 구성하고 실행할 수 있다.

스크립트 도구는 기기를 제어하고, 데이터를 수집할 수 있다. 또한 사용자가 다양한 기기의 데이터를 통합하고, 해당 데이터를 사용자 정의가 가능한 방식으로 표시할 수 있는 플롯 창도 포함됐다. GUI 작업을 자동화할 수 있을 뿐만 아니라 맞춤형 데이터 분석 및 조작도 가능하다.

이 방식으로 엔지니어는 신호를 모니터링하고, 측정 결과를 문서화할 수 있다. 웨이브폼 SDK(소프트웨어 개발 키트)를 사용하면 파이썬(Python), C, C++, C#, 비주얼 베이직(Visual Basic) 등에서 맞춤형 애플리케이션과 스크립트를 생성할 수 있어 더 많은 사용자 정의를 할 수 있다. 랩뷰(LabVIEW)와 매트랩(MATLAB)의 경우는 타사 툴킷을 사용할 수 있다.

리눅스 모드의 완전한 자동화

ADP는 USB 포트 또는 이더넷 인터페이스를 사용해 웨이브폼을 실행하는 호스트 PC에 장치를 연결하는 표준 모드 외에 리눅스 모드에서도 작동한다.

이 모드에서 ADP는 장치에 설치된 데비안(Debian)의 터미널 기반 리눅스 배포판으로 부팅된다. 이를 통해 호스트 컴퓨터 없이도 웨이브폼 SDK의 API를 통해 파이썬, C, C++, C#, 비주얼 베이직 등으로 작성된 자동화된 테스트 스크립트를 실행할 수 있다. 이후 ADP는 임베디드 장치로 작동해 유연성과 연결성을 추가한다. [그림 6]은 Pmod AD5에서 아날로그-디지털 변환기의 자동화된 테스트를 예로 보여주는 파이썬 스크립트에서 발췌한 내용이다.

자동화된 테스트를 진행할 때에는 사용된 기기 재설정 또는 종료, 오류 메시지 표시 및 SPI에서 데이터 읽기 등의 반복 작업을 위해 사용자 정의된 기능이 실행된다. 또한 프로그래머는 특정 키워드와 인터럽트 핸들러를 사용하기 전에 정의해야 한다.

ADP의 패널 뒷면에는 리눅스 모드에서 활성화되는 4개의 USB 포트가 있다. 이를 통해 호환 가능한 와이파이 동글 또는 FAT/FAT32 형식의 플래시 드라이브와 같은 주변 장치를 연결할 수 있다. 장치에서 스크립트를 실행하면 데이터를 로컬로 저장하거나 USB 또는 무선 인터페이스를 통해 ThingSpeak와 같은 클라우드 기반 서비스로 스트리밍해 저장, 표시 및 조작할 수 있다.

리눅스 모드에서 실행하면 PuTTY 또는 TeraTerm 등의 직렬 터미널 프로그램을 통해 장치에 액세스할 수 있다. 장치와 호스트 컴퓨터 간의 통신은 USB, 이더넷, 와이파이를 통해 지원된다. 원격 접속을 위한 인터넷 접속이나 IoT(사물인터넷)도 가능하다. 사용자는 웨이브폼과 연결된 플래시 드라이브를 통해 온보드 리눅스를 업데이트해 운영 체제를 최신 상태로 유지할 수 있다. 업데이트된 OS 이미지는 디질런트에서 제공한다.

ADP는 수학 채널, 스크립트 및 리눅스 모드와 같은 다양한 작업 자동화 방법으로 엔지니어가 점점 더 복잡해지는 시스템을 조사, 검증, 테스트할 수 있도록 지원해 설계 주기 시간을 줄여준다. 디질런트의 ‘아날로그 디스커버리 프로 3000’은 엘레파츠(Eleparts)에서 구매 가능하다.

글 : 리처드 오우드(Richard Oed)
자료제공 : 디질런트(Digilent)