초소형 레이저 스캐너
XC166 제품군을 통해 인피니언은 C166 컨트롤러를 발전시키기 위해서 일관된 고성능을 고안했다. 또한 혁신적인 성공 제품으로서 XE166 제품군은 예를 들어 향후 개발을 위해 SICK에 의해 평가될 예정이다. 약 20년 전에 80C166를 통해 시작된 C166 제품군처럼 업계에서 오랜 기간 동안 검증되었던 마이크로컨트롤러 아키텍처는 거의 없다.
글: 맨프레드 초우트카(Manfred Choutka)
인피니언 테크놀로지스 / www.infineon.com
SICK AG는 기계에서 인명 사고를 방지하기 위해 사용되는 안전 레이저 스캐너 분야에서 논쟁의 여지가 없는 시장 선도업체이다. 이러한 지위는 진행되고 있는 추가적인 개발 활동들을 통해 강화되고 있다. 가장 최근의 사례는 세계에서 가장 작은 안전 레이저 스캐너 S300 Mini는 포괄적인 센서-기반의 자동 기능들을 결합하고 있다. 가장 콤팩트한 크기로 해당하는 성능과 신뢰성을 달성하기 위해서 회사는 인피니언의 검증된 16bit 마이크로컨트롤러를 선택했는데 특히 안전성 기술 분야의 경우에 관련 기능들 외에도 높은 서비스-검증 신뢰성, 기술 지원, 포괄적인 개발 지원, 높은 제조 품질 등과 같은 측면들 역시 매우 중요하기 때문이다.
S300 Mini 기기(그림 1)의 초소형 크기는 단지 102mm x 116mm x 105mm에 불과하다. 이를 통해 공간-절감형 설치를 위한 세계에서 가장 콤팩트한 안전 레이저 스캐너를 실현할 수 있었다. 통합성과 관련하여 이 시리즈는 매우 다재다능하기 때문에 다양한 동작 조건에 대한 전체 범위와 인트라로지스틱스(IntraLogistics)에 대한 사용자 요구를 충족시킨다. 예를 들어 컨버터, 측면 분배 장치 및 수평 컨베이어 등과 같은 위험구역의 고정 컨베이어 시스템 모듈은 물론 복잡한 산업보호 기능을 요구하는 자동 이동형 콤팩트 플랫폼 또는 운송 차량을 안전성과 관련해 모니터링할 수 있다. 동시에 안전 레이저 스캐너는 주행 속도를 최적화시킬 수 있기 때문에 보다 높은 성능을 달성시킬 수 있다. S300 Mini 시리즈는 기계 엔지니어와 공장 작업자를 위해 인증을 받은 안전성을 제공한다. 이것은 EN ISO 13849의 성능 레벨 D, IEC 61508의 SIL2의 기술 안전성 요구사항을 충족시키며, IEC 61496의 타입 3에 따라 광전자 보호 장비에 대한 요구사항도 충족시킨다.
표준 또는 원격
S300 Mini 시리즈는 현재 각기 다른 기능을 제공하는 2개의 안전 레이저 스캐너로 구성되어 있다. 인명 보호 및 충돌-방지를 위한 신뢰할 수 있는 방법을 실현하기 위해 안전성-인증 센서를 사용하는 것이 중요한 애플리케이션에 대한 솔루션은 안전성-기술 기본 솔루션의 형태의 표준 버전에 의해 제공된다. 이것은 예를 들어 컨버터, 인양 장치 등과 같은 고정 컨베이어 시스템 모듈의 산업보호 등의 모든 고정 애플리케이션들은 물론 무인 운송 차량 등과 같은 이동형 애플리케이션도 포함하고 있다. 270° 보호 필드의 영역은 2m이며, 31개의 보호 필드와 2개의 경고 필드를 통해 중 필드 설정이 프로그래밍된다. 시스템 및 차량 제어를 위한 직접적인 스위칭 출력으로서 디바이스가 OSSD 쌍을 통합했다(출력 신호 스위칭 디바이스).
S300 Mini의 원격 버전은 첨단 안전성 요구사항들을 해결하기 위해 개발되었다. 이와 같이 Flexi-Soft 안전성 컨트롤러의 지원으로 최대 16개의 3중 필드 설정과 최대 32개의 모니터링 케이스를 실현할 수 있는 데 다시 말해 이것은 교차하는 보호 필드 범위가 있는 고정 위험 구역은 물론 FTS 애플리케이션과 무인 지게차 등에 이상적이다. 최신 세대의 EFI(enhanced function interface) 인터페이스, EFI 확장 버전을 사용하여 이제 최대 4개의 근접형 보호 디바이스, 즉 예를 들어 2개의 S3000 Expert와 2개의 S300 Mini Remote를 1개의 네트워크에 통합할 수 있다.
기능 원리
S300 Mini은 광센서로 적외선 레이저 빔을 통해 주변에 대한 2차원 스캔을 생성한다. 이것은 비행시간법(time-of-flight) 측정 원리에 따라 기능하는 데 즉 이것은 동일한 시간으로 동작하는 타이머를 통해 단광 펄스(short light pulse)를 방출한다(그림 2a). 빛이 대상에 부딪치면, 이것은 다시 반사되어 스캐너에 의해 수신된다. 대상과의 거리가 전송 및 수신 시간 사이의 시간 차이에 의해 계산된다. S300 Mini는 균일하게 회전하는 거울을 통합하고 있으며, 이것은 광 펄스를 굴절시켜 270° 각도에 대해 팬 형태로 확산시킨다(그림 2b). 이 부분에서 최대 2m 범위의 대상을 신뢰할 수 있게 감지할 수 있다. 보호 영역들을 이러한 한계 내에서 자유롭게 프로그래밍할 수 있다. S300 Mini는 0.5°의 각 해상도로 광 펄스를 방출하기 때문에 최소 30mm까지 목표 해상도를 달성할 수 있다. 센서는 단지 80ms의 기본 응답 시간으로 반응한다. 이것의 능동적인 스캔 원리 때문에 S300 Mini는 추가적인 외부 수신기와 반사장치가 필요하지 않다.
설계 기준
타깃 애플리케이션을 위해 필요한 안전성 레벨 SIL2과 그에 상응하는 성능을 달성하기 위해서 2-채널 마이크로컨트롤러 아키텍처가 선택되었다(그림 3). 뿐만 아니라, 마이크로컨트롤러는 필요한 컴퓨팅 성능(40MHz)을 제공해야만 한다. 이 경우, TQFP-144로 하우징된 2개의 XC161CS-32F40F 컨트롤러(그림 4)가 사용되었다(C166SV2 코어를 제공하는 XC166 제품군).
일반적으로 말해서, 임베디드 설계를 위한 마이크로컨트롤러를 선택할 때 다음과 같은 기준이 일반적으로 적용된다:
- 리얼-타임 성능
- 인터럽트 동작
- 코드 효율성(명령어 세트, 컴파일러)
- DSP 성능
- 페리페럴(애플리케이션에 따라 결정)
- 메모리 용량(플래시)
- 자동 페리페럴(CPU 경감)
- 툴, 표준 인터페이스
- 온-칩 디버깅
- 전력 소모
- 총비용(칩 및 개발 비용)
이러한 측면 외에도 특히 소프트웨어 재사용 가능성은 물론 고객 서비스 및 기술지원 관련 경험 등과 관련하여 회사에서 이미 사용되고 있는 제품과 개발 툴 등과 같은 다른 요소들 역시 매우 중요한 역할을 한다.
S300 Mini의 경우, 다음과 같은 기준들이 결정적인 요소이었다: 컨트롤러의 서비스-검증된 신뢰성, 제품을 위한 최적의 컴퓨팅 성능, 첨단 온-칩 하드웨어(코어의 부담을 경감시키고 프로그래밍 복잡성을 낮춰준다), 포괄적인 페리페럴(CAN 버스, IIC 버스, UART, 하이-스피드 등과 같은 다양한 SPI 인터페이스), 타이머 및 PWM 출력의 유연한 제어/프로그래밍 옵션뿐만 아니라 상응하는 정밀도 요구사항을 충족시키기 위한 10bit 해상도를 제공하는 고속 내부 AD 컨버터 등이 바로 그것이다.
포괄적인 페리페럴을 사용함으로써 공간 요구사항과 제조 비용을 최소화시킬 수 있었다. 인터럽트 및 PEC 기능들을 사용하기 때문에 최적화된 리얼-타임 태스크 관리 시스템을 구현할 수 있었다. 이것은 다시 최적의 컴퓨팅 성능을 사용할 수 있도록 지원한다. 따라서 단지 수 밀리초에 불과한 안전한 시스템 응답 시간을 통해 이러한 높은 리얼-타임 요구사항들을 실현할 수 있다.
SICK AG의 다차원 센서 R&D 책임자인 랄프 라프(Ralph Rapp)씨는 마이크로컨트롤러 선정과 관련하여 "결국 가장 중요한 것은 상응하는 제품군에 2005년 이후 SICK는 마이크로컨트롤러를 사용해 왔다는 것이다. 확장된 포트폴리오에 이것을 사용하기 위해서 기능 호환성과 이 컨트롤러에 기반하여 개발된 소스 코드의 재사용 가능성 역시 결정적인 요소였다. 특히 가치 있는 사실은 인피니언이 제공하는 기술 지원이었으며, 인피니언은 항상 전체 개발 기간 동안 능숙하고 신속하게 지원을 제공했다."고 말했다.
S300 Mini와 같은 제품의 경우에도 '타임-투-마켓'이 중요한 요소이다. 결과적으로 순수한 마이크로컨트롤러 하드웨어 외에도 이용 가능한 개발 환경 역시 매우 중요하다. 바로 이점에서 XC166 마이크로컨트롤러는 다양한 검증된 써드-파티 설계 툴을 통해 높은 점수를 얻을 수 있다. 예를 들어 Keil 컴파일러와 같은 개발 툴은 검증되었을 뿐만 아니라 리소스 관리, 실행 시간, 메모리 관리 등과 관련하여 중요한 이점들을 제공한다.
XC161CS-32F40F은 XC166 제품군의 제품이며, 높은 데이터 출력과 외부 인터럽트(예를 들어, 센서 신호)에 대한 신속한 응답 시간을 제공하도록 설계되었다(그림 5). 명령어 실행 시간은 불과 25ns에 불과하다(40 MHz). 칩은 12KB RAM과 256 KB 플래시 메모리를 제공한다. 고속 12-채널 10bit AD 컨버터는 단지 < 3μs의 변환 시간을 요구한다. 포괄적인 페리페럴은 2개의 PWM 유닛, I2C 버스 모듈, 시리얼 데이터 링크 모듈(SDLM, serial data link module), 타이머, USART, SPI, TwinCAN 등을 포함하고 있다.
지속되는 성공 스토리
XC166 제품군을 통해 인피니언은 C166 컨트롤러를 발전시키기 위해서 일관된 고성능을 고안했다. 또한 혁신적인 성공 제품으로서 XE166 제품군은 예를 들어 향후 개발을 위해 SICK에 의해 평가될 예정이다. 약 20년 전에 80C166를 통해 시작된 C166 제품군처럼 업계에서 오랜 기간 동안 검증되었던 마이크로컨트롤러 아키텍처는 거의 없다. 초기부터 C166 아키텍처는 높은 리얼-타임 컴퓨팅 성능, 신속한 명령어 실행, 최소한의 응답 시간, 스마트한 페리페럴 기능 등을 위해 설계되었다. 이를 통해 최근까지 5억 개 이상의 마이크로컨트롤러를 선적하는 성공 스토리를 위한 길을 열었다.
C164/161/167 컴포넌트들과 비교해 S300 Mini에 사용된 XC161CS와 같은 XC166 제품군은 40MHz를 통해 성능 향상, 임베디드 플래시 메모리, 단일-사이클 명령어 실행, TwinCAN 및 OCDS 모듈을 제공한다. XC166의 이전 세대 제품과 비교해 XE166 제품군의 최신 RTSC(real-time signal controller) 세대는 추가적인 성능 향상을 제공하여 16bit 마이크로컨트롤러를 32bit 등급으로 끌어 올렸다. 2개의 추가적인 로컬 레지스터 뱅크를 통한 신속한 인터럽트 응답 시간과 즉각적인 컨텍스트 스위칭(context switching)을 통해 탁월한 리얼-타임 동작이 보장된다. 모든 XE166 제품군의 RTSC는 여전히 강화된 C166S V2 코어에 기반하고 있다. 80MHz 성능과 명령어 당 단지 1개의 클록 사이클 실행을 통해 XE166 모듈은 80MIPS를 제공한다. 이것은 이전 XC166 제품군 세대의 2배이며, 플래시 메모리 용량 역시 1600KB로 다시 대폭 증가되었다.
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