최근의 오토모티브 기술 추구 방향은 다음과 같다.고성능 - 복잡한 시스템을 제어할 수 있다.소비 전력 감소 - 환경과 자원을 보존하기 위해 요구되는 사항사용 편의성 - 높은 수준의 집적도로 엔지니어들이 사용자가 빠르게 이해할 수 있는 고품질 시스템을 개발할 수 있다.각 항목은 최신 시스템의 핵심 기능 중 하나일 뿐이다. 각각은 별개인 것처럼 보이지만, 강력한 시스템을 구축할 때 각각의 기능이 디자인에서 필수적인 부분을 구성한다는 것은 이미 입증된 사실이다.지금부터는 프리스케일 자동차용 제품이 핵심 기능에 어떻게 부합하는지 알아보도록 하겠다.MPC5516 개요MPC5516은 자용차용으로 인증된 32비트 MPC551x 마이크로 컨트롤러(MCU)에 속한 제품으로, 풍부한 기능 세트와 효율적인 개발 도구의 적절한 조합을 제공한다. 설계자들은 듀얼 코어 컴퓨팅 파워와 함께 다양한 임베디드 주변기기(DSPI, IIC, eSCI, FlexCAN, FlexRay, 타이머, eQADC), 1MB 플래시 메모리, 64kB RAM이 제공하는 장점을 활용할 수 있다.여러가지 첨단 저전력 기술을 통해 구현되는 절전 기능은 시스템의 소비 전력을 최소화할 수 있다. RAM의 일부가 가동 중인 상태에서 가장 효율적인 저전력 모드는 Sleep 2이다. 이 모드에서 MCU 코어는 60 μA의 전력을 소비하며, 내부 타이머 오버플로 또는 I/O 핀 레벨/에지를 통해 작동을 개시할 수 있는 옵션도 유지된다. MCU의 재가동 절차가 완료되면 사용자가 초기화 복원 포인터 레지스터에 지정한 대로 프로그램 카운터 시작 위치를 선택할 수 있다(예: 애플리케이션 코드 중 재가동 후 즉시 처리되어야 하는 부분).MC33696 개요MC33696은 304, 315, 426, 434, 868, 915 MHz의 산업, 과학, 의료용(ISM) 대역에 적합하게 설계된 위상 고정 루프(PLL) 조정 방식 UHF 트랜시버이다.수신기 모듈은 슈퍼헤테로다인 아키텍처 기반이며, 맨체스터(Manchester) 인코딩 방식(또는 위상 인코딩(PE))의 데이터 디코딩을 지원하는 통합 모듈을 갖춘 Rx 데이터 매니저가 포함되어 있다. 수신기에는 LNA 게인 제어 등에 사용되는 신호 강도 측정 장치가 포함되어 있다. 이 제품은 수신기의 소비 전력을 줄이면서 항상 대기 상태를 유지해야 할 경우에 널리 사용되는 스트로브 발진기도 갖추고 있다.송신기의 Tx 데이터 매니저는 ON/OFF 또는 FSK 키잉(Keying)을 통해 인코딩된 데이터를 변조한다. 주파수 합성 모듈은 PLL 구동 방식의 로컬 발진기와 기준 주파수를 제공하는 수정 발진기로 구성되어 있다.이 디바이스는 SPI 버스를 통해 제어된다. MC33696은 무선 메시지 수신 중에 SPI 버스 마스터로 동작하지만, 전송 도중에는 SPI 모듈이 SPI 슬레이브로 설정된다. SCLK 및 MOSI 신호는 MCU와 MC33696 사이의 데이터를 전달한다.MC33742 개요MC33742 시스템 기초 칩(SBC)은 보드 공간 절감을 위해 사용되는 자동차용 시스템 블록을 하나의 패키지로 통합한 단일 칩 솔루션이다. SBC에는 VDD 및 V2 등 2개의 전압 조정기, CAN 트랜시버, 감시 회로 및 저전력 관리 모듈이 포함되어 있다. +5V VDD 전압 조정기는 최대 200 mA의 전류를 공급할 수 있도록 설계되었으며, +5V, V2 트래킹 조정기는 외부 PNP 트랜지스터를 사용하므로 전류 용량이 트랜지스터 특성에 의해 구동된다.고속 CAN 트랜시버는 최고 1MBd의 전송 속도로 데이터를 전송할 수 있다. CAN 셀은 완벽하게 보호되며, CAN 메시지가 수신되면 SBC를 정지 및 휴면 모드에서 재가동시킬 수 있는 옵션이 포함되어 있다. 내부 감시 회로는 일정 기간 또는 시간제한 방식으로 구성할 수 있으며, 오버플로 시간은 10ms에서 350ms까지 네 단계로 선택 가능하다. 디바이스가 특정 디버그 모드로 작동 중일 때는 감시 회로를 비활성화 할 수 있다.MC33742는 정상, 대기, 정지, 휴면 모드로 구성할 수 있다. 이 솔루션은 내부 스위치형 고차측 출력과 4개의 재가동 입력이 제공되며, 키보드로 실행되는 이벤트 등 외부 이벤트를 감안해 시스템이 재가동되도록 설계할 수 있다. SBC의 작동 방식은 8개의 제어 및 상태 레지스터에 의해 결정되며, 모든 솔루션은 SPI 버스를 통해 구성 가능하다.RKE 분야에 프리스케일 솔루션 적용세 프리스케일 디바이스는 원격 도어 개폐 장치(RKE)용으로 적합한 솔루션이다. MPC5516 MCU는 전체 시스템 제어 및 메시지 처리에 충분한 컴퓨팅 파워를 제공하며, 다양한 저전력 모드 옵션, CAN 연결을 구축할 수 있는 FlexCAN 주변기기 등이 포함되어 있다.MC33742 SBC는 시스템의 +5V 전원 공급을 유지하며, 통합형 CAN 트랜시버가 CAN 버스를 통해 메시지를 전달한다. 다양한 SBC 저전력 모드는 지능형 시스템 재가동 기능에 의해 조정되며, RKE 분야에서 필수적인 요소이다.UHF 대역의 무선 연결은 무선 메시지 전송 전용 통합 솔루션인 MC33696 트랜시버를 통해 구현된다.RKE용 제품에는 일반적으로 두 가지 주요 시스템 회로 토폴로지가 사용된다. 시스템 1(그림 1)은 저전력 모드에서 최저 소비 전력 달성이 가능하지만,(표 1 참조) 추가 구성부품이 필요하다. 시스템 2(그림 2)는 필수 구성부품의 수가 더 적으며 시스템 재가동을 지원하지만, 저전력 모드의 소비 전력은 시스템 1(표 1 참조)보다 높다.시스템 1 및 시스템 2 초기화시스템에 전원이 공급되면 MC33742 +5V 조정기 VDD가 가동되며 SBC가 정상 요청 모드에 진입한다. MPC5516에 전원이 공급되면 초기화 후처럼 작동하게 된다. MCU는 SPI 1을 통해 MC33742 감시 회로를 구성한 후, SBC가 정상 모드에 진입하며 초기화 작업이 처리된다. SBC 감시 회로는 MCU에 의해 주기적으로 트리거된다. MC33742는 추가 +5V 조정기 V2를 가동함으로써 eXtreme 스위치, COSS, MSDI 등 일반적인 BCU 영역에 속하는 다른 시스템 디바이스에 전원을 공급하며, MCU에서 BCU 애플리케이션 구성이 처리된다.시스템 구성은 MC33696이 수신 모드로 설정되면서 완료된다. 이제 BCU는 애플리케이션 설계자가 지정한 다양한 작업을 수행할 수 있다.지금분터는 운전자가 자동차의 도어를 잠그거나 열 때 시스템 1과 시스템 2가 어떻게 작동하는지 자세히 살펴보도록 하겠다.시스템 1 - 자동차 잠금이 과정은 다음과 같은 단계로 분류할 수 있다.메시지 수신리모콘에 자동차 잠금 메시지가 전송되면 MC33696에서 맨체스터(Manchester) 인코딩 메시지를 수신하고 디코딩한다. SPI 2 버스를 통해 메시지 데이터가 전달되며, MC33696은 SPI 2 버스 마스터, MCU는 SPI 2 버스 슬레이브로 작동한다. 데이터 전송은 SCLK 및 MOSI 신호에 의해 관리되며, 구성된 전송 속도가 유지된다. 메시지 수신이 완료되면 오독 방지를 위해 MCU에서 데이터 내용을 검증한다.메시지 검증검증 메시지 데이터는 맨체스터(Manchester) 인코딩 알고리즘을 사용해 인코딩된다. MCU 타이머 주변기기를 사용하면 인코딩 절차를 간소화할 수 있다. MCU SPI 모듈은 SPI 2 버스 마스터로 설정되며, MC33696의 작동 모드가 수신 모드에서 전송 모드로 변경된다. SCLK, MOSI, SS 선로를 통해 데이터 전송이 시작된다.원격 컨트롤러 유닛은 메시지 데이터 검증에 성공하면 인증 코드를 반송한다. 메시지 검증 과정은 필요에 따라 원하는 대로 반복할 수 있으며, 반복 횟수를 시스템 설계자가 선택할 수 있다.시스템 구성인증 코드가 수신되면 MCU에서 CAN 버스를 통해 관련 애플리케이션 시스템에 자동차 잠금이 완료되었음을 알린다. 애플리케이션 시스템이 필요한 기능(예: 도어 잠금 장치 가동)에 따라 저전력 모드에 진입하거나 작업을 처리하게 된다. 이후 BCU에서 MC33696 수신 모드 설정 및 SCLK 선로 연결을 해제하고 MC33696 SCLK 핀 버퍼의 부하를 줄이며 시스템 응답을 기다린다. MCU에서 MC33742 L3을 재가동 핀으로 설정하면 SPI 1으로 휴면 명령을 전송해 VDD 및 V2 조정기를 끌 수 있다. 새로운 무선 메시지가 수신되었을 때 시스템을 재가동하면 모듈의 소비 전력이 50 mA에서 100 μA(표 1 참조)로 감소된다.시스템 1 - 자동차 잠금 해제재가동 절차리모콘의 메시지가 MC33696 트랜시버에 수신되면, MC33742 L3 핀에 MC33696 SCLK 신호가 나타나며 SBC를 재가동한다. SBC가 정상 요청 모드에 진입하면 VDD 조정기가 켜진다. MCU에 전원이 공급되며 MCU 초기화가 실행된다.재가동 소스 추적재가동 소스는 SPI 1 버스를 통해 MC33742 재가동 레지스터(WUR) 내용을 판독하는 것으로 추적할 수 있다. MC33696이 시스템 재가동을 트리거한 경우, MCU가 SPI 2 버스 SPI 모듈을 슬레이브로 설정해 SCLK 선로를 상호 연결한다.MCU는 새로운 RKE 메시지를 기다리며, 메시지 데이터를 검증하고 인증 작업을 처리한다. 인증이 성공한 경우에 한해 시스템 1의 초기화가 처리된다. 메시지 데이터에 잠금 해제 명령이 포함되지 않은 경우 BCU가 다시 저전력 모드에 진입하게 된다. 지금까지 설명한 메커니즘은 노이즈가 많은 환경에서 유용하며, 경우에 따라 노이즈가 리모콘 신호로 오인되어 시스템 오류를 발생시킬 수 있다.시스템 2 - 자동차 잠금원격 컨트롤러 메시지 처리와 데이터 검증 절차는 시스템 1과 동일하다. SBC와 MCU가 각기 다른 저전력 모드에 진입한다는 점만 제외하면 시스템 2의 구성도 같은 방식으로 처리된다. SBC는 MCU에 대한 VDD 전원 공급을 유지하며, MPC5516은 SPI 메시지 수신에 따른 재가동이 가능하도록 휴면 2 모드에 진입합니다.MPC5516은 휴면 2 모드에서 다음과 같은 재가동 소스를 지원한다.실시간 클록(RTC)API(Autonomous Periodical Interrupt)네거티브, 포지티브 또는 양측 에지 트랜지션에 따른 I/O 핀 재가동그림 2에 표시된 시스템 2 솔루션의 경우, SPI SCLK 신호 선로에 연결된 재가동 I/O 핀이 MCU 재가동에 사용된다. 저전력 모드 도중 초기화를 방지하려면 MCU에서 SBC 감시 회로를 주기적으로 업데이트해야 한다.시스템 2 - 자동차 잠금 해제재가동 절차리모콘의 메시지는 MC33696 트랜시버에서 수신 및 디코딩된다. I/O 핀에 SCLK 신호가 나타나면 MPC5516이 휴면 2 모드에서 벗어난다. MCU는 초기화 이후처럼 작동하거나 프로그램 메모리 중 일부 위치에서 시작할 수 있다. 이 작업은 MCU가 휴면 2 모드에 진입하기 전에 로드되는 초기화 복원 포인터 레지스터를 통해 지원된다. 초기화 복원 포인터 레지스터에는 재가동 복원이 처리될 때, 카운터가 시작되는 프로그램 메모리 주소가 저장된다.메시지 인증 알고리즘은 애플리케이션 설계자의 선택에 따라 RAM 또는 플래시 메모리에서 처리할 수 있다. RAM에서 실행되는 코드는 빠른 시스템 복원이 가능하지만 휴면 2 모드에 진입하기 전에 반드시 애플리케이션 프로그램을 RAM에 복사해야 하는 문제점을 가지고 있으며, 활성화 된 RAM 블록의 수에 따라 MCU 소비 전력도 증가하게 된다. 플래시 메모리는 애플리케이션 코드에 충분한 공간을 제공하지만 시스템 복원이 느리다는 단점을 가지고 있다.테스트, 측정, 평가테스트 및 측정은 그림 3에 나와있는 프리스케일 BCU 플랫폼에서 진행된다. BCU 보드에는 다음과 같은 기능을 지원하는 디바이스가 포함되어 있다.연결장치 - LIN(MC33661), CAN(MC33742, MC33902), FlexRay부하 제어 - eXtreme 스위치(MC15XS3400, MC35XS3400 MC10XS3412) 및 COSS(MC33879)키보드 제어 - MSDI(MC33972)RKE - MC33696리모콘 솔루션으로는 8비트 MC9S08QG8 MCU와 MC33696 UHF 트랜시버가 선택되었다. 분석 작업의 목표는 실제 BCU 플랫폼에서 두 가지 개념 모두 실현 가능한지 확인하는 것으로 주로 MCU, SBC, RKE의 상호 연결 검증 및 소비 전력 측정에 중점을 두고 테스트를 실행하였다.측정 결과(합계- 스트로브 1/10)에 따르면 시스템 1의 저전력 모드 소비 전류는 작동 모드보다 약 50배 적은 반면, 시스템 2의 저전력 모드 소비 전류는 작동 모드보다 10배 낮다.최저 소비 전력 달성이라는 측면에서 살펴보면 표 1에서 다음과 같은 규칙을 도출할 수 있다.쪾MCU의 전원 공급이 유지되는 동안 모든 주변기기를 비활성화함으로써 소비 전류를 최소로 유지쪾MC33696 트랜시버에는 스트로브 발진기 1/10을 사용해야 함쪾시스템이 저전력 모드일 때 전원 공급이 유지되는 디바이스가 많을수록 소비 전력이 높아짐(합계(스트로브 1/10) 수치 1.1 mA와 5 mA 비교)표 2에서 볼 수 있듯이 휴면 2 모드에서 MPC5516의 소비 전력을 대입하면 MCU의 소비 전류가 100μA(VDDR, VDDA, VPP) 미만이 된다. 나머지 600μA는 MCU에 연결된 디바이스(예: eXtreme 스위치, COSS 등)에 의해 유출된다. 이는 MCU 환경에 따라 공급 전류가 결정됨을 의미한다.표 1과 표 2의 수치는 평균 전류 값이다.리모콘 측정 결과에 따르면 작동 모드에서 메시지 처리 중의 평균 소비 전류가 15mA이며, 저전력 모드에서는 2μA입니다. 220mAh CR2032 3V 동전형 배터리는 리모콘에 전원을 공급하며, 배터리 수명 기간 동안 연속적으로 500만 개의 메시지를 송신할 수 있다.리모콘은 BCU RKE 메시지 처리가 필요할 경우에만 가동된다. 배터리 누출 전류로 인해 배터리 용량이 감소된다는 사실을 고려할 때, 배터리 예상 수명도 까다로운 문제가 될 수 있다. BCU RKE 애플리케이션 데모에서는 약 2년간 배터리 오류 없이 리모콘 디바이스 사용이 가능하다.요약다음 범주를 기준으로 시스템을 비교해보도록 하겠다.-하드웨어 복잡성-평균 소비 전력-추가적인 장점시스템 블록도를 비교하면 시스템 1에는 MC33696 전원 공급용으로 추가 +5V 조정기와, 저전력 모드에서 MCU와 MC33696 사이의 SPI SCLK 선로를 차단하기 위한 스위치가 필요함을 추론할 수 있다.솔루션이 저전력 모드가 되면 SBC VDD 및 V2 조정기가 꺼지며 MCU에 전원이 공급되지 않는다. +5V 공급용 VDD 및 V2 선로에 전원이 차단되므로 소비 전류는 최저 수준으로 떨어진다.시스템 2의 경우 상황이 약간 다르다. +5V 공급 선로가 유지되므로 디바이스에서 에너지가 소비되며, 소비 전력을 적절한 수준으로 유지하기 위해 각 디바이스를 저전력 모드로 전환시켜야 한다. 시스템 1의 경우 이와 같은 작업이 필요하지 않다.시스템 2는 배터리에서 더 많은 에너지를 소비하는 대신, MCU에 전원 공급이 유지되므로 사용자에게 더 높은 유연성을 제공한다. 표 3은 각 시스템의 재가동 절차별 차이점을 보여주고 있다.시스템 1의 경우 재가동 절차가 SBC에 의해서만 제어된다. 시스템 2의 경우 MCU에 전원 공급이 유지된다는 장점이 있으므로 추가 재가동 소스를 활용할 수 있으며, 전원 공급이 안정화되기까지 기다릴 필요가 없으므로 재가동 시간도 빠르다. 추가적인 소프트웨어 제어를 통해 시스템 1과 시스템 2의 애플리케이션 성능을 소비 전력 및 기능성 목표에 만족하도록 조정할 수 있다.
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