정확도와 속도를 높인 차세대 계측기 기술
최근의 빠른 기술의 변화의 트렌드는 단순한 고속/고성능으로의 진화 뿐 아니라, 통합 및 융합을 통한 진화가 이루어지고 있다. 계측기 시장에서도 역시 이러한 기술의 변화에 부합할 수 있는 성능을 가진 시스템을 요구하고 있다. 이러한 요구사항들을 만족시키기 위한 최신 계측기들의 큰 트렌드를 살펴보면, 고속/고성능/대용량, 피어투피어 컴퓨팅, 임베디드 라는 키워드로 요약할 수 있다. 그럼 각각의 키워드에 대해서 살펴보도록 하자.
글: 권호훈 과장 외
한국내쇼날인스트루먼트 / www.ni.com
고속/고성능/대용량권오훈 과장 / 데이터수집 하드웨어 제품 매니저
최신기술은 생산되는 제품의 고성능, 고품질, 다기능을 실현시켰다. 하지만 엔지니어의 입장에서 보면 이 의미는 더 많은 테스트와 더 복잡한 테스트를 더욱 더 정밀하게 테스트해야 한다는 의미가 된다. 특히 제품에 대한 테스트를 위해서는 제품의 성능 향상 만큼이나 테스트 시스템의 성능향상도 필수 불가결하게 되었다는 의미이다.
특히 생산되는 제품이 성능이 향상되고, 컨버전스를 통한 다기능화가 이루어질 수록, 테스트해야 하는 항목은 다양해지고, 측정해야 하는 채널 수는 증가되므로, 테스트의 복잡성은 갈수록 심화되고 있다.
또한 계측 시스템은 측정되는 대용량의 데이터를 단순히 측정 할 뿐만 아니라, 저장 및 분석, 저장까지의 모든 작업을 수행할 수 있어야 한다. 다채널 시스템의 경우 일반적으로 수십 채널에서부터 수백 채널 더 나아가서는 수천 채널의 데이터를 계측하는 경우가 존재하고, 이 채널들은 필요에 따라 다양한 물리량을 측정하고, 변경 또한 가능해야 한다. 그리고 각각의 채널이 초당 수 백 킬로의 고속 샘플링으로 데이터를 수집하게 될 경우에는 데이터를 단순히 모니터링하고 저장하는 작업을 하기에도 큰 어려움을 겪을 수 있을 것이다. 그래서 이와 같은 고속/고성능/대용량 시스템이 가능하려면 다음과 같은 기술을 필요로 하게 된다.
대용량 데이터 전송 가능한 인터페이스 - Express Bus
고속 다채널 계측기의 경우, 채널수가 증가할수록 측정되는 데이터양은 지속적으로 증가하게 된다. 예를 들어본다면, 데이터 한 포인트에 2byte 라고 가정하고, 100개의 채널에서 초당 100kS/s로 데이터를 측정한다고 하였을 때, 초당 전송되는 데이터 양은 다음과 같다.
2byte * 100ch * 10000 sample/sec = 20MB/sec
즉 초당 20MB의 데이터가 전송이 되어야 한다는 것이다. 만약 채널수가 늘어나거나 혹은 측정 속도가 증가 된다면 늘어나는 채널 수 및 측정 속도 만큼 데이터 전송량이 늘어나게 되며, 데이터를 분석하고 저장하거나, 하게 될 경우 분석 속도 및 데이터 저장 부분에서 특정한 시점부터 문제가 발생하게 된다. 그렇기 때문에 고성능/다채널 계측기의 경우 대용량 데이터를 전송할 수 있는 BUS와 이러한 데이터를 처리할 수 있는 프로세서, 그리고 고속으로 데이터를 저장할 수 있는 솔루션을 필요로 하게 된다.
이러한 고속 대용량 계측기를 위해 사용되는 인터페이스가 바로 PCI Express/PXI Expess 버스이다. PCIe/PXIe 버스의 경우 기존의 PCI/PXI 에 비해 더 높은 가능 대역폭과 확장성을 가지고 있다. 한국내쇼날인스트루먼트에서도 이러한 최신 기술 동향에 맞게 PCIe/PXIe를 지원하는 하드웨어 및 산업용 컴퓨터 플랫폼을 제공하여 고속 대용량 계측기를 구성할 수 있도록 지원하고 있다.
그림 1. 높은 대역폭과 확장성을 제공하는 Express 버스 기반의 NI X시리즈
다양한 센서의 연결성 및 확장성 - 모듈형 계측기
제품의 컨버전스로 인해 많은 기술이 하나의 제품으로 융합되면서 테스트할 항목들이 그만큼 다양해졌다. 최신 계측기는 그러한 요구에 부합할 수 있도록 고정된 측정 항목이 아니라, 다양한 센서와의 연결을 지원할 뿐 아니라 시스템의 수정 및 확장이 가능해야 한다.
이러한 요구 계측시스템은 점점 모듈화 되어 가고 있다. 기존의 계측기는 한번 만들어지면, 제공하는 기능 외에는 다른 기능을 수행할 수 없고, 추가적인 기능을 요구할 경우에는 결국 새로운 계측기를 구매해야 하는 상황이 발생하게 되었다. 그래서 최근 계측기들은 이러한 요구로 인해 모듈형으로 그 패러다임을 전화하여 필요에 따른 모듈의 추가 및 변경만으로 시스템의 확장이 가능하게 되었다. 내쇼날인스트루먼트는 이미 수년전부터 PC 기반의 모듈형 계측기를 제공해 오고 있으며, 기존에 축적된 노하우를 바탕으로 다양한 제품군을 제공하고 있다. 특히 최근에는 다양한 센서의 연결을 제공하는 기존의 SCXI 제품군의 성능을 더욱 향상시킨 PXIe 버스 기반의 SC Express 제품을 출시하여, 고속의 다채널 계측기를 구현하는데 있어서 최적의 솔루션을 제공하게 되었다.
그림 2. 다양한 센서연결, 다채널 솔루션에 적합한 NI SC Express 제품
원하는 분석 기능 지원 - 소프트웨어 정의 계측기
측정된 데이터는 그 자체로 특정한 의미를 가질 수 있지만, 때때로 측정된 데이터 분석을 통하여 더욱더 의미 있는 결과로 확인할 수 있다. 이러한 경우 방법은 두 가지가 존재한다. 첫 번째는, 계측기를 통해 측정된 데이터를 저장하여 후처리를 하는 방법, 두 번째는 소프트웨어로 정의한 PC 기반의 계측기를 사용하는 방법이다. 최근에 한국에 출시된 애플사의 아이폰을 살펴보면, 아이폰 자체는 하나의 컴퓨터 하드웨어일 뿐이고, 앱스토의 다양한 애플리케이션들을 통해 다양한 기능을 제공하게 되는 것이다 . 바로 이것이 컴퓨터 기반의 소프트웨어 정의 계측기의 장점이다. 아이폰에서 필요한 어플을 사용하듯이 PC 기반의 계측기로 필요한 분석 알고리즘을 구현하여 하나의 계측기를 구현하게 되는 것이다. 내쇼날인스트루먼트에서는 20여 년 전부터 이러한 비전을 가지고 그래픽 기반의 개발환경인 LabVIEW를 제공해 오고 있다. 이를 통해 사용자는 다양한 분석 및 제어 기능들을 계측기에 추가하여 더욱더 완성된 솔루션을 필요에 따라 구현할 수 있게 되었다.
향후 계측시스템의 고속/고성능/대용량의 변화 트렌드는 더욱 빠르게 진행될 것이다. 기술 내제화를 부르짖는 요즘, 이러한 변화에 어떻게 대처할 것인가를 한번쯤 살펴보아야 하는 시기인 것 같다. 원하는 기능의 계측기가 출시되기를 기다릴 것인가? 아니면, 필요한 기능을 가진 계측기를 구현하겠는가? 언젠가 이러한 고민을 하게 될 날이 오지 않겠는가?
그림 3. 소프트웨어 정의 계측시스템 개발환경 LabVIEW
피어투피어(Peer-to-Peer) 컴퓨팅이동희 대리 / Modular Instruments 제품 매니저
최근 수년 동안 컴퓨팅 산업은 여러 개의 처리 노드간의 컴퓨팅을 나눈 분산 아키텍처를 구현해 왔다. 예를 들어, 구글(Google) 검색 쿼리는 하나의 단일 수퍼 컴퓨터에서 실행되지 않고 450,000개 이상의 상호 연결된 서버의 네트워크에서 실행된다. 테스트 요구사항이 점점 복잡해지고 수집한 데이터가 기하급수적으로 증가하면서 테스트 자동화 시스템은 보다 더 스마트하지만 어렵지 않게 작업하도록 발전될 필요가 있다.
내쇼날인스트루먼트는 이러한 클라우드 컴퓨팅과 같은 개념을 계측기에 도입하여 새로운 제품인 FlexRIO에 적용했다. FlexRIO는 최신의 Xillinx Viertex-5 FPGA 기반의 고속 자동화 계측기이다. 최대 512MB의 DDR RAM이 계측기에 내장되어 있으며 최대 800MB/s까지 측정된 데이터를 전송할 수 있다.
FlexRIO는 Adapter Module에 따라 디지털, 아날로그 출력/입력의 계측기로 사용자의 요구에 맞게 변경될 수 있다. 현재 200MHz 고속디지털 IO모듈과 32채널의 고속 디지타이져 모듈 등 5종의 Adapter Module이 출시되어 있으며, 다양한 모듈이 계속 출시될 예정이다.
다양한 Adapter Module과 최신의 FPGA기술이 더해진 FlexRIO는 수집되고 있는 총 데이터를 실시간으로도 처리할 수 있다. 고속 아날로그 신호 처리와 같은 애플리케이션에서도 FlexRIO는 신호 수집과 동시에 복조, 필터링 및 FFT 분석을 수행할 수 있다.
또한 FlexRIO의 피어투피어(Peer-To-Peer) 컴퓨팅 기술은 기존 모듈형 계측기의 한계를 뛰어넘을 수 있다. 기존 PXIe 디지타이져 모듈로 수집된 최대 200MS/s 데이터를 PXI platform을 이용하여 안정적으로 FlexRIO로 전송하고 실시간으로 데이터를 분석할 수 있다. 테스트 자동화 시스템에서 피어투피어 컴퓨팅은 디지타이저와 같은 계측기에서 직접 데이터를 수집하는 형태를 취하여 인라인 신호 처리를 위해 FPGA에 스트리밍(Streaming 또는 Capture&Play)할 수 있다. 피어투피어 컴퓨팅을 이용하면 CPU와 같은 기타 시스템에 고용량의 데이터 처리 부담을 덜어준다.
피어투피어와 같은 새로운 고성능 분산 아키텍처는 방대한 데이터를 전송하고 처리하는 데 필요하며, 다음과 같은 장점을 통해 시스템의 요구사항을 만족시킬 수 있다.
그림 4. FlexRIO 시스템 아키텍처
a. 높은 전송량, Point-to-Point 토폴로지-초당 기가바이트의 데이터를 전송을 처리할 수 있는 동시에 중앙 허브를 통한 데이터 전송 없이 노드(모듈형 계측기)가 서로 통신할 수 있게 한다.
b. 낮은 지연성 - 데이터가 수집되고 처리 노드에 도달하는 시기 사이에 지연이 없다.
c. 사용자 정의 처리 노드 - 노드는 사용자가 직접 프로그래밍이 가능하여 분석 및 처리를 사용자의 요구사항을 완벽하게 충족시킬 수 있다.
또한, 이러한 분산 처리 아키텍처는 RF 신호의 측정과 테스트 부분에도 요구되고 있다. 실제로 MIMO와 같은 다채널 RF 기술에 이와 같은 아키텍처를 도입하면 추가적인 대역폭 또는 전송폭 없이도 데이터 전송량과 링크 범위의 증가를 제공하여 테스트 프로세스를 변화시킬 것이다. MIMO 기술 기반으로 떠오르고 있는 IEEE 802.11n, Mobile WiMAX Wave 2 및 3GPP LTE(Long Term Evolution) 표준 프로토콜을 테스트 할 수 있다.
예를 들면 여러 표준 무선 라디오(GPS와 WLAN)를 하나로 융합한 SOC는 새로운 테스트 요구사항이 요구 되었다. 추가되는 테스트 복합성은 테스트 시간과 비용의 증가를 낳았고 테스트 엔지니어는 새로운 테스트 방식을 필요로 하게 되었다. 바로 이런 시점에 분산처리 아키텍처를 도입하여 다채널 RF 테스트 시스템의 병렬 테스트가 가능하게 되었다. 고성능의 분산 아키텍처를 적용한 피어투피어 컴퓨팅과 다채널 RF 테스트는 차세대 계측 어플리케이션 영역에서 앞으로 엄청난 혁신을 일으킬 것이다. 기하급수적으로 증가하는 데이터 양과 복잡한 테스트 요구조건에 따라 테스트 엔지니어들은 보다 스마트하고 효율적인 테스트 시스템을 구축하는데 이러한 새로운 기술과 계측기의 개발 방법을 적용할 수 있어야 할 것이다.
그림 5. 다채널 RF 테스트 시스템 - MIMO
임베디드 플랫폼정원혁 대리 / PAC 제품 마케팅 담당
새로운 패러다임의 임베디드 시스템 요구
최근 산업 영역에서는 다양한 센서 레벨의 신호 수집, 실시간 고급 신호 처리 및 분석, 고속의 정밀 디지털 통신, 모션 제어, 머신비전 그리고 HMI 등의 기능들을 하나의 플랫폼에서 제공할 수 있는 지능형 임베디드 컨트롤러에 대한 수요가 늘어나고 있다.
임베디드 시스템이 보다 널리 사용되고 복합화되면서 임베디드 디자인 및 테스트 엔지니어들은 시스템의 디자인 및 테스트 프로세스를 간결화 해야 하는 심각한 당면과제에 직면해 있다. 일반적으로 임베디드 디자인 및 테스트 프로세스는 다양한 형태의 디자인 시뮬레이션, 검증, 확인 및 시스템 테스트로 구성되어 있다. 현재 이 같은 단계는 디자인과 테스트 툴간의 힘든 전환이 필요할 때가 있어 테스트 코드, 테스트 사례, 시뮬레이션 및 모델의 I/O 인터페이스를 완전히 재작성해야 하는 결과를 유발한다. 이로 인해 임베디드 디자인 및 테스트 영역에서의 새로운 트렌드는 디자인 및 테스트 툴, 모델 및 시뮬레이션 데이터를 재활용하는 것이라고 볼 수 있다. 수많은 디자인 및 테스트 엔지니어들이 개발 프로세스 동안 모델들을 적극적으로 재활용하여 테스트할 뿐 아니라 디자인 프로세서도 재활용하여 엄청난 효율성을 달성할 수 있다.
또한 임베디드 산업은 새로운 혁신 기술을 통해 폭발적으로 성장할 수 있고, 또한 그렇게 될 것이라고 국내외 유수한 저널 등에서도 밝히고 있다. 이러한 기술의 배경으로는 MEMS와 나노 센서, 나노 시스템 조립 기술, 광범위한 인터넷과 M2M 네트워킹 기술이 있다. 미래는 나노 기술, 무선과 관련된 기술, 복합 적응 시스템이 될 것이다.
그리고 리얼타임과의 접목을 통해 임베디드 시스템은 복합 적응 시스템(Complex Adaptive System)과 멀티 프로세싱의 새로운 길을 열어줄 것이며, 새로운 주요 소프트웨어 애플리케이션을 통해 무선 센서와 분산 P2P 네트워크로의 확장도 가능할 것이다. 즉, 이것이 바로 임베디드 산업의 새로운 물결이 될 것이다.
이러한 새로운 물결에 적합한 임베디드 시스템 솔루션을 내쇼날인스트루먼트에도 출시하였는데, 여기서 이 지능형 임베디드 시스템에 대해 소개를 하고자 한다.
내쇼날인스트루먼트 지능형 임베디드 시스템 개요
CompactRIO는 안정성 및 고성능이 요구되는 애플리케이션에 적합한 지능형 임베디드 시스템이다. 엔지니어, 과학자 및 임베디드 개발자들은 CompactRIO 하드웨어의 소형 크기, 견고함 및 유연성을 이유로 다양한 산업에서 임베디드 컨트롤 및 수집 애플리케이션으로 CompactRIO를 사용하고 있다. NI LabVIEW FPGA 및 LabVIEW Real-Time 기술로 구동되는 CompactRIO를 사용하면 사용 편리한 그래픽 프로그래밍 도구로 신속하게 설계, 프로토타입 및 배포할 수 있다.
그림 6. CompactRIO 시스템 (cRIO system.tif)
CompactRIO 시스템은 리얼타임 컨트롤러, 재구성 가능한 섀시, 그리고 I/O 모듈이 유기적으로 통합되어 구축되며, 독립으로 동작하는 리얼타임 컨트롤러에는 DC 전원 공급 입력, 네트워킹을 위한 이더넷 포트, 내장된 웹 서버, 주변기기 연결을 위한 시리얼 포트, USB 포트, 데이터 로깅을 위한 비휘발성 스토리지 등을 갖추고 있다. 재구성 가능한 섀시에 포함된 임베디드 Xilinx FPGA는 맞춤 타이밍, 트리거링, 신호 프로세싱 및 섀시에 플러그된 I/O 모듈 실행을 위한 프로그램 가능하다. 그리고, 스트레인 게이지 및 가속도계 입력 등의 I/O; 저속 및 고속 데이터 속도의 최고 ±300V 아날로그 I/O; 12, 24, 48V 산업용 디지털 I/O; 5V/TTL 디지털 I/O; 카운터/타이머; 펄스 생성; 모션 컨트롤; CAN 통신; 고전압/전류 릴레이 등을 위한 50개 이상의 NI C 시리즈 모듈과 타사에서 제작된 C 시리즈 모듈이 있다.
그림 7. CompactRIO 아키텍처(04290435_7433_p.tiff)
리얼타임 프로세서
CompactRIO 임베디드 시스템은 LabVIEW Real-Time 애플리케이션을 안정적이고 결정적(Deterministic)으로 실행하는 산업용 800MHz 펜티엄 클래스 프로세서를 포함한다. 내장된 수천 개의 LabVIEW 함수에서 선택하여, 리얼타임 컨트롤, 분석, 데이터 로깅 및 통신용 멀티쓰레드 임베디드 시스템을 구축할 수 있다.
성능
FPGA 회로는 칩의 실리콘 회로에서 LabVIEW 애플리케이션을 실행하는 병렬 처리의 구성 가능한 연산 엔진이다. 임베디드 RIO FPGA 하드웨어를 사용하여 멀티루프 아날로그 PID 컨트롤 시스템을 100kS/s 이상의 루프 속도에서 실행할 수 있다. 또한 디지털 컨트롤 시스템을 최대 1MS/s까지의 루프 속도에서 실행하고, 40 MHz(25ns)의 속도로 루프하면서 단일 사이클을 사용하는 불리언 로직의 여러 렁(Rung)을 평가할 수 있다. RIO 코어는 병렬이므로 추가적인 연산이 있어도 FPGA 애플리케이션의 속도가 반드시 감소하지는 않는다. CompactRIO는 Virtex-5 FPGA 칩이 있는 4개 및 8개 슬롯 섀시를 제공한다.
관련 애플리케이션
CompactRIO의 저렴한 비용과 안정성 그리고 큰 볼륨의 임베디드 측정 및 컨트롤 애플리케이션의 안정성을 이용하여 산업 및 애플리케이션의 다양한 문제에 대한 임베디드 테스트 솔루션을 제공한다. 적용 분야로는 산업 중장비 제어, 실차 데이터 수집, 머신 상태 모니터링 및 Rapid Control Prototyping(RCP), 산업 컨트롤 및 수집, 모바일/이동성 노이즈, 진동 및 강도(NVH, MCM, SHM) 등의 산업 영역이며, 필요에 따라 수정 및 확장이 용이하여 다양한 임베디드 디자인 및 프로토타입에서도 활용도가 높다.
제품 기술의 발전도 중요하지만 그 기능을 테스트하는 계측기의 성능을 보다 더 중요하다. 최근 일어난 도요타의 대량 리콜 사태를 볼 때, 앞선 기술도 작은 결함으로 무너질 수 있다는 경각심을 가지게 한다. 최신기술이 적용된 다양한 제품들은 앞으로도 계속 진화할 것이며, 그에 따른 계측기의 요구사항들은 앞에서 언급한 고속/고성능/대용량, 피어투피어 컴퓨팅, 임베디드 라는 트렌드로 지속적으로 발전할 것이다. 그러므로 이러한 동향에 맞춰 준비하는 자만이 새로운 블루오션을 선점하게 될 것이다.
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