글: 릭 자르(Rick Zarr)
텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com
얼마 전까지만 해도 자동차의 배선은 점화장치, 헤드라이트, 미등, 보조회로, 내부 조명에 전원을 공급하는 역할만을 해왔다. 변속기 및 변속 디스플레이, 잠금장치, 브레이크, 속도계 등 대시보드 장치의 대부분은 완전히 기계적이었다. 안전과 효율을 높이고자 엔진 성능과 트랙션 컨트롤의 성능을 개선하고 탑승자를 능동적으로 보호하기 위해 전자장치를 보다 많이 이용하게 되었다. 하지만 오늘날의 자동차는 위성 라디오, DVD 플레이어가 장착된 뒷좌석 HD 디스플레이, 차량의 위치를 추적하는 완전한 인포테인먼트 시스템, 디지털 음악 감상, 휴대전화 연결을 통한 인터넷 접속을 지원한다.
이러한 장치에는 차량 성능의 모든 부분을 통제하는 최대 100개의 마이크로프로세서가 내장되어 있다. 이 글은 이 모든 기능을 하나로 연결하는 현재의 트렌드와 까다로운 환경에서 저렴한 와이어로 대용량의 데이터를 전송하는 문제에 대해 다뤘다.
마이크로프로세서의 적용
자동차와 트럭에 전자장치를 적용하는 것은 새로운 일은 아니다. 1973년 석유 파동 이후 자동차 제조업체들은 엔진 효율 개선이라는 과제에 당면했다. 업체들은 엔진 제어 유닛(ECU, Engine Control Unit)이라는 디바이스를 통해 점화시기와 스파크 발생을 향상시켜 이러한 과제를 해결했다. 초기의 에어백은 전자기계적으로 작동했으며 차량의 앞쪽에 설치된 충격 감지기는 튜브, 스프링, 금속 공으로 만들어졌다. 전면에 충격이 가해지면 그 힘이 공을 움직여 에어백의 발사장치를 합선시켰다. 에어백 작동을 보다 잘 통제하기 위해 전면과 측면의 충격을 모두 감지하기 위한 목적에서 속도계와 함께 마이크로프로세서가 설치됐다.
차량에서 사용되는 전자장치가 다양해지면서 여러 가지 기능을 서로 연결하기 위한 배선의 필요성도 높아졌다. 이로 인해 신호 품질을 저해하지 않으면서 밀도가 높고 무게가 가벼운 케이블과 커넥터가 개발됐다. 하지만 1980년에 이르자 여러 가지 신호를 다루기 위해 와이어의 숫자를 늘리는 것은 적절하지 않으며 연결의 수를 줄일 수 있는 방법과 경량 케이블이 필요하다는 것이 명확해 졌다. 로버트 보쉬(Robert Bosch), GmbH(보통 '보쉬'라고 부른다)는 단일 버스에서 다수의 센서를 통한 통신을 가능하게 함으로써 배선을 단순화하기 위해 센서와 ECU를 하나로 연결하는 직렬화된 방법을 연구하기 시작했다. 후에 오토모티브 엔지니어가 이 방법을 도입하여 1986년에 계측 컨트롤러 통신망 (또는 CAN 버스)인 ISO-11898을 발표했다.
데이터 전송의 통합
현재의 ISO-11898 표준은 데이터 전송속도가 1 Mbps이고 최대 길이가 40미터인 단일 버스에서 최대 30개의 노드를 지원한다. 초기에는 엔진과 트랜스미션 성능을 감시하는 데 필요한 모든 센서와 통신하기 위해, 즉 구동렬의 효율을 향상시키기 위해 CAN을 사용했다. 자동차가 진화하면서 제조사들은 무게를 줄이기 위한 방법을 찾기 시작했는데, 이때 커다란 와이어링 하네스를 제거하는 것이 훌륭한 출발점이 되었다. 네트워크에 추가된 교환 노드가 전조등과 미등으로 전류를 전달하는 무거운 동 전선을 대체했고 CAN 프로토콜을 전달하는 작은 신호 전선과 함께 단일 대형 게이지 케이블을 라우팅함으로써 배선과 중량이 크게 감소했다.
30노드라는 한계나 로지컬 버스 분리를 위해 많은 수의 개별 CAN 버스를 이용했다. 증가하는CAN 버스의 수를 다시 한번 줄이기 위해 설계자들은 컨센트레이터를 시용해 다중 CAN 버스를 ISO-11898 상태의 정보를 전달하고 섀시 컴퓨터에 논리적으로 재구성할 수 있는 하나의 고속 연결로 통합했다. 이더넷(Ethernet)은 이와 같은 고속 트래픽에 적합한 후보였다. 설계자들은 802.3의 '오토모티브' 버전을 사용하여 다중 CAN 버스를 차량의 길이를 따라 연결되는 하나의 백본으로 통합할 수 있었다.
새로운 데이터 송신 장치의 도래
동시에 배선을 단순화하고 추가적인 진단 및 통제 기능을 제공하기 위해 CAN이 사용되었고 다양한 데이터 송신 장치가 개발됐다.
그 중에서 가장 중요한 장치 중 하나로 백업 카메라를 들 수 있다. 대형 차량의 후방에는 운전자의 눈에 보이지 않는 '블라인드 존'이 존재한다. 미국의 KidsAndCars.org에 따르면 매주 50명 이상의 어린이가 운전자가 후방을 보지 못해 발생하는 교통사고를 경험하고, 이러한 사고로 인해 매주 2명이 사망한다. 이와 같은 '블라인드 존(한 명 이상의 어린이를 가리기에 충분한 공간이다.)'을 제거하기 위해 제조사들은 후진 시 작동하는 후방카메라를 설치하고 있으며 이로 인해 운전자가 볼 수 있는 곳에 또 다른 고속 케이블과 LCD 디스플레이가 필요하게 되었다. 이미 내비게이션 시스템이 탑재되어 있는 차량은 기존의 디스플레이를 그대로 사용하고, 미탑재 차량의 경우에는 백미러 유리 뒤에 작은 LCD를 설치하면 된다. 미국에서는 2015년경부터 판매되는 모든 차량에 대한 안전요건에 후방카메라를 추가할 예정이다.
운전자의 앞쪽에 가까이 위치하며 다양한 정보원과 DVD 등의 디지털 소스를 바탕으로 하는 뒷좌석 비디오 디스플레이를 통제 및 표시해 주는 '인포테인먼트'도 고속 데이터 전송장치(또는 고속 데이터의 사용자)이다. 블루레이와 DVD 재생에 요구되는 독특한 조건은 콘텐츠 소유자의 라이선스 계약을 준수하기 위해 차량에서 일지라도 LCD에 디스플레이 되기 전까지 그 내용이 암호화되어 있어야 한다는 것이다. 즉 이러한 정보는 아날로그여서는 안되며 디스플레이 시까지 디지털 상태를 유지해야 하기 때문에 전송과 관련한 신호 통합성 문제가 발생한다.
포드(Ford)의 SYNC와 같은 현대 자동차의 인포테인먼트 시스템은 데이터 전송의 부하를 증가시킨다. 이러한 시스템은 블루투스 또는 USB를 통해 오디오 엔터테인먼트 관리, 휴대전화 통합, 오디오 엔터테인먼트 제어, 환경제어, 건강 모니터링을 통합하며 GPS를 활용하여 내비게이션 지도를 제공한다. 표시되는 데이터의 시각적 품질을 향상시키고 운전자의 시선이 도로에서 벗어나는 시간을 줄이기 위해 디스플레이의 크기를 확대하는 추세이다. '정보 과부하' 상태는 운전자의 집중을 방해하여 사고가 발생할 가능성을 증가시킬 수 있다. 보다 크고 선명한 디스플레이를 통해 어떠한 내용인지 파악하는 데 소요되는 시간을 최소화하는 방향으로 정보를 표시할 수 있다.
해상도 향상과 디스플레이 숫자에 대한 해결책은 디지털 데이터를 직렬화하고 신호 조정을 제공하여 디지털 영상을 LCD로 전달할 때 저렴한 차량용 케이블을 사용할 수 있게 하는 것이다. 동일한 와이어로 터치스크린 또는 수동 스위치 제어 정보를 인포테인먼트 또는 내비게이션 컴퓨터로 돌려보내기 위한 역방향 채널이 필요하다는 것이 흔히 발생하는 문제 중 하나이다. 텍사스 인스트루먼트의 FPD Link III 와 같은 제품은 영상 데이터를 직렬화하고 고해상도 디스플레이에 전송할 수 있을 뿐만 아니라 제어 정보를 위한 I2C 역방향 채널 또한 제공하기 때문에 설계자들은 하나의 트위스트 페어를 사용하여 데이터와 제어 두 가지 모두를 다룰 수 있다(그림 1).
그림 1. FPD Link III 의 일반적 적용을 통해 영상 데이터를 직렬화 하고 하나의 트위스트 페어를 통해 전송한 후 디스플레이를 위해 재직렬화한다. 별도의 와이어 없이 I2C 역방향 채널과 GPIO를 제공한다.
미래
컴퓨터 통신과 안전상의 이유로 차량 내부에서 전송되는 데이터의 양이 증가하고 있다. 비전 제로(Vision Zero) 등의 프로젝트와 자동차 제조사들은 2020년경까지 심각하거나 치명적인 교통사고 발생률을 0으로 줄이기 위해 차량(및 도로) 내부에서 과거보다 다양한 기술을 활용할 수 있기를 원한다. 이는 원대한 목표이며 이러한 과제를 해결하기 위해서는 현재보다 다양한 컴퓨터 기술, 그리고 운전자의 실수를 예측하는 센서와 카메라가 차량에 더해져야 한다. 여기에는 차선 이탈 카메라, 레이더(전면, 후면, 측면), 눈과 얼음을 감지하는 도로 상태 센서, 안개와 연기에 대비하기 위한 전방감시 적외선(FLIR, forward looking infrared) 시스템 등이 포함된다. 이 모든 장치는 차량용 버스에 필요한 대역폭을 크게 증가시킬 것이다.
결론
단순한 전선과 스위치의 모음이었던 것이 이제는 고속 데이터 연결을 위한 복잡한 네트워크로 탈바꿈했다. 앞으로도 자동차가 발전함에 따라 편안함, 안전, 자동주차 또는 충돌방지와 같은 새로운 자동화 기능을 제공하기 위해 보다 다양한 기술이 도입될 것이다. 데이터 송신 장치의 수가 늘어나면서 대역폭 또한 증가할 것이고 제조사들은 차량의 무게를 증가시키지 않으면서 증가된 트래픽을 전달하기 위해 차량용 네트워크를 개선해야 할 것이다. 자동차에서 자동 안전 시스템과 함께 이더넷과 WiFi(802.11) 기술을 사용하기 위한 방법이 모색되고 있으며 이러한 기능이 에어백처럼 자동차의 기본 사양이 되는 것은 시간 문제일 뿐이다.
참고사항
www.ti.com/auto-ca과 www.ti.com/serdes-ca에서 보다 자세한 정보를 확인할 수 있다.
저자소개
리차드 자르(Richard Zarr)는 텍사스 인스트루먼트의 기술자로서 고속 신호 및 데이터 경로를 연구한다. 응용공학 분야에서 30년 이상 오랜 경험을 쌓았으며 전세계적으로 수 많은 논문과 글을 발표했다. IEEE 회원인 리차드 자르는 사우스 플로리다 대학교에서 전자공학 학사학위를 취득했고, LED 조명과 암호화에 대한 몇 가지 특허를 보유하고 있다.
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