[오토모티브 특집] 과거와 미래의 연결고리 ‘차량용 이더넷’과 계측 기술

[테크월드=선연수 기자]

변화하는 차량 내 통신 요구사항

최초의 자동차는 우리의 상상대로 내연기관과 기계장치의 집합으로 구성된 이동 수단이었다. 그러나 컴퓨터로 더욱 정교하게 조절함으로써 차량 기능과 효율성을 담당하는 전자 제어 영역의 비약적인 발전이 기대되고 있다. 현대의 자동차에는 25~70여 개의 컨트롤러가 탑재돼 있으며 모터 제어를 위한 파워트레인 네트워크, 에어백이나 도어 컨트롤 등을 위한 바디·안전 네트워크, 인포테인먼트 분야를 제어하는 네트워크 등이 대표적인 차량 컴퓨팅 활용 분야다. 이를 지원하기 위해 CAN(Controller Area Network), LIN(Loacal Interconnect Network), 플렉스레이(FlexRay), MOST(Media Oriented Systems Transport)와 같은 다양한 통신 방식이 차량에 적용되고 있다.

자동차 산업은 안전과 편리성을 제공하기 위해 내비게이션 시스템과 운전자 보조 시스템을 적용하고 있다. 특히, 운전자 보조 시스템은 운전자에게 편리성과 안전성을 제공해 보다 진보된 기술 수준을 구현하며, 자율주행의 기반 기술로 자리 잡기 위해 적용과 지원 수준을 높여가고 있다. 이를 위해서는 더 많은 센서 데이터의 통신, 데이터 처리가 요구된다. 즉, 더 빠른 데이터 통신 속도와 데이터 처리 속도가 필요하다. 새로운 요구사항을 만족하기 위해 자동차는 이더넷(Ethernet) 통신 방식을 적용하고 있고, 특히 자동차 메이커를 중심으로 이더넷 규격 채용 검토가 본격적으로 이뤄지는 중이다.

오토모티브 이더넷

가장 대표적인 차량 내 통신 방식은 1980년대 보쉬(Bosch)가 개발한 CAN 통신이다. 이는 당시 차량 산업계의 요구 조건을 상회하는 1Mbps의 데이터 전송 속도를 지원했다. CAN 통신을 적용하게 되면서 자동차 업체들은 다양한 요구사항과 이에 대한 대응 능력, OEM 업체를 포함한 더 많은 공급사들과의 호환성 증대, 낮은 제조 비용을 달성하는 등 많은 이점을 얻을 수 있었다.

그러나 개발 당시 충분해 보였던 CAN 통신의 속도는 날로 고도화되는 업계의 요구 사항으로 인해 한계에 부딪혔다. 최근 자동차에 집적되는 ECU의 연산 속도 증가와 네트워크 대역폭 증가 요구 등에 있어, 최대 1Mbps의 데이터 전송 속도를 가지는 CAN에 제약이 걸리기 시작한 것이다. ECU 성능 증가로 데이터 전송량이 급증했고, ECU에 연결된 네트워크의 전송 대역폭 요구도 함께 늘어났다. CAN 통신은 이에 대응하고자 최대 전송 속도를 15Mbps로 향상시킨 CAN FD(Flexible Datarate)로 진화했다.

이 외에도 최근 자동차들은 운전자와 보행자의 안전을 위한 후방 카메라를 비롯해 서라운드 뷰 카메라 시스템과 같은 차량 운전 보조 시스템의 적용을 점점 늘려나가고 있다.

[그림 1] 최근 차량에는 운전자와 보행자의 안전을 위한 카메라와 보조시스템의 적용이 늘어가고 있다

일반적으로 인터넷과 같은 네트워크에서 동영상을 전송할 경우, 화질 대비 요구되는 데이터 전송량을 최소화하는 동영상 압축 기법을 적용해 낮은 데이터 전송 속도에도 고화질을 유지할 수 있도록 한다. 데이터 송수신 시 이를 압축·해제하는 프로세스가 적용되기 때문에 아주 약간이라도 시간 지연이 발생하기 마련이다. 그러나 자동차는 동영상을 압축·해제하는 동안에도 빠른 속도로 이동하며, 이로 인해 발생하는 상황의 변화는 짧은 시간이라도 운전자와 보행자의 안전을 위협하는 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해 자동차에서 차량 영상을 전송할 경우 압축 기술을 적용하지 않으며, 이런 대용량 데이터를 전송할 수 있는 새로운 통신이 필요하게 됐다.

게다가 새로운 차량들은 하이브리드·전기 구동계를 적용하거나 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems), ACC(Adaptive Cruise Control) 등의 실시간 센서 동작을 늘려가고 있어 기술 적용을 위한 대역폭 요구 사항을 충족하기가 더 어려워지고 있다. 이런 상황으로 인해 데이터 전송을 목적으로 이미 검증된 이더넷 기술에 기반해, 자동차에 적합하게 변형된 오토모티브 이더넷을 사용하려는 움직임이 일어나고 있다.

그러나 여전히 CAN, LIN 등 기존 차량 내 네트워크들은 낮은 비용, 오랜 기간 검증된 신뢰성, 기타 여러 애플리케이션을 지원하는 등 충분히 다양한 강점을 가지기에, 오토모티브 이더넷은 완전한 대체가 아닌 높은 대역폭이 요구되는 부분을 적절히 보완하는 것을 목표로 삼고 있다.

오토모티브 이더넷의 장점

오토모티브 이더넷의 장점은 매우 명확하다. 기존에 사용되던 CAN 통신 대비 월등한 데이터 전송 대역폭을 지원하고, 양방향 통신이 가능해 실시간으로 동작해야 하는 센서 등에 폭넓게 활용할 수 있다.

또한, 패킷 교환 방식을 사용하도록 개발돼 여러 기기 간 데이터 전송을 지원하며, 스위치를 추가해 네트워크를 손쉽게 확장할 수 있다. 이를 바탕으로 더욱 진화된 오디오·비디오 스트리밍 서비스, 대화형 자동차, 지능형 충전 시스템, 자율 주행 차량과 같은 다양한 애플리케이션과 유틸리티를 유연하게 지원한다. 향후 더욱 높아질 요구사항에 대해서도 폭 넓은 확장성을 보장한다.

이더넷은 이미 오랜 기간 적용돼 온 안정된 통식 방식이기도 하다. 기존 시스템과의 하위 호환성 면에서도 유연한 특성을 가지고 있어, 미래의 기술 요구 조건에 대응하면서도 현재 기기들에 대한 호환성을 유지할 수 있는 기술로 계속적인 사용이 예상된다.

마지막 장점으로는 표준화가 완료된 점을 꼽을 수 있다. 자동차 업계는 IEEE 100Base-T1으로 알려진 OPEN Alliance BroadR-Reach(OABR) 물리계층을 오토모티브 이더넷 통신 표준으로 규정하고 있다. 최근에는 오토모티브 이더넷의 속도를 1Gbps까지 높인 1000Base-T1에 대한 표준과 저속 통신에 사용될 수 있는 10Base-T1S에 대한 표준도 규정하고 있다.

자동차용 이더넷 규격 테스트

오토모티브 이더넷은 표준 플렉스레이(FlexRay) 케이블로 구동되며, 오디오·비디오 스트리밍과 같은 고속 통신을 지원한다. 오토모티브 이더넷은 하나의 트위스트 페어에 대해 최대 1Gbit/s까지 전송될 수 있도록 풀 다중(Full Duplex) 통신을 사용한다. 인터페이스 검증을 위해 6개 테스트에 대한 100BASE-T1/1000Base-T1 적합성 시험이 필요하다. 대부분의 IEEE 이더넷 준수 시험 규격과 마찬가지로 적합성 시험은 송신기 품질에 초점을 맞추고 있다.

최근 차량용 이더넷 측정 솔루션은 자동차 엔지니어가 신호를 손쉽게 찾고 측정할 수 있도록 지원해, 데이터 스트림의 기능과 품질을 검증하는 것을 목표로 삼고 있다. 로데슈바르즈(Rohde & Schwarz)의 이더넷 평가 솔루션도 BroadR-Reach V3.2, IEEE 802.3bw(100Base-T1), IEEE 802.3bp(1000Base-T1), IEEE 802.3bz(2.5)에 대한 완전한 커버리지를 제공해, 측정 엔지니어가 규격 적합성의 설정 사항을 따로 적용하지 않아도 시험할 수 있도록 지원한다.

차량 이더넷 계측을 위한 디지털 오실로스코프

로데슈바르즈의 제품으로 살펴보자면, 디지털 오실로스코프 시리즈의 경우 50MHz~16GHz 대역폭, 최대 40Gsa/s 샘플링 레이트를 지원하는 2채널/4채널 모델로 구성돼 있다. RTP/RTO/RTE는 자체 기술로 만든 단일코어 ADC(Analog to Digital Converter)를 탑재해 장비의 노이즈 레벨을 줄여주고, 최소 500 µV/div의 전압 분배와 최대 16Bit Vertical High Resolution을 지원해 더욱 낮은 신호도 세밀하게 확인할 수 있다.

특히, 더 빠른 데이터 전송 속도를 요구하는 오토모티브 이더넷의 특성을 만족하며, 빠르게 변화하는 신호를 쉽게 획득하고 분석하기 위해서는 빠른 획득과 업데이트 속도는 필수적인 요소가 될 수 있다. 100만 wfms/s에 이르는 빠른 업데이트 속도, 저장된 파형을 재생할 수 있는 히스토리 기능도 지원하고 있다.

신호 획득, 분석을 위해 동작하는 기존 아날로그 트리거에서는 시간적인 왜곡 현상이 지터의 문제로 발생할 수 있다. 로데슈바르즈는 이를 해결하기 위해 새로운 디지털 트리거 기술을 적용하고, FFT(Fast Fourier Transformation) 기술을 채용해 시간 영역(Time Domain)에서 동작하는 오실로스코프를 주파수 영역(Frequency Domain)까지 확장해 EMI(Electro Magnetic Interference) 신호 분석까지 지원하고 있다. 터치스크린 기반 스마트 오퍼레이팅 시스템과 직관적인 사용자 인터페이스로 장비 운용도 보다 빠르고 편리하게 만들고 있다.

직렬 프로토콜 신호에 대한 트리거링, 디코딩, MSO(Mixed Signal Oscilloscope) 기능을 오실로스코프에 탑재해, 동시에 최대 4개의 아날로그 신호와 16개의 디지털 신호, 4개의 직렬 프로토콜 신호들을 동시에 분석한다. 이를 통해 하드웨어·소프트웨어 개발자들의 복잡한 임베디드 시스템 분석을 돕는다. 또한 BroadR-Reach, 1000Base-T1, 10Base-T1S, PCIe Gen1/2, MIPI D-PHY, DDR3/4, USB2/3 신호에 대한 컴플라이언스 테스트도 지원된다.

[그림 3] 더욱 빨라지는 오토모티브 이더넷 신호를 쉽게 분석하기 위해서는 빠른 획득과 업데이트가 중요하다

오실로스코프 테스트 항목

로데슈바르즈의 오실로스코프 제품은 자동차용 이더넷 통신을 위해 10Base-T1S/100Base-T1/1000Base-T1의 PHY 계층 분석을 위한 컴플라이언스(Compliance) 측정과 100Base-T1 디코딩을 동시에 지원한다. 이를 통해 적합성 시험과 반응시간(Wake-up Time) 분석 등의 실시간 데이터 스트림 분석을 기기 하나로 수행할 수 있다. 이 외에도 벡터 네트워크 분석기와 연동해 혼합 S-파라미터(Mixed S-Parameter) 측정을 지원할 수 있어, TC8 측정 규격에서 요구하는 MDI 반환 손실(Return Loss)과 MDI 모드 변환(Mode Conversion) 측정을 할 수 있다.

1) 오실로스코프를 이용한 테스트 항목 : 드룹(Droop), 송신기 왜곡(Transmitter Distortion), 송신기 타이밍 지터(Transmitter Timing Jitter), 송신기 전력 스펙트럼 밀도&피크 차동 출력(Transmitter Power Spectral Density&Peak Differential Output) 측정 지원

[그림 4] 오토모티브 이더넷 측정 항목과 테스트 픽스처(Fixture)

2) 벡터 네트워크 분석기를 이용한 테스트 항목 : MDI 반환 손실(Return Loss), MDI 모드 변환 손실(Mode Conversion Loss) 측정 지원

[그림 5] 오실로스코프와 네트워크 분석기를 이용한 오토모티브 이더넷 테스트

3) 오토모티브 이더넷 버스(Bus) 측정: 반응(Wake-up) 신호와 같은 실시간 스트림 분석을 위한 100Base-T1 신호에 대한 프로토콜 분석 지원

[그림 6] 오실로스코프 100Base-T1 프로토콜 분석을 이용한 반응 시간 측정

4) EMI 디버깅 : 차량에 점점 더 많은 전자장비들이 집적되면서, 전자 기기 간 발생하는 간섭이 더욱 문제될 수 있음. 특히, 66.7MHz 클럭을 사용하는 100Base-T1, 125MHz 클럭을 사용하는 1000Base-T1은 FM, DAB, TV 주파수에 의해 간섭 받을 수 있으며, EMI 디버깅을 통해 측정 지원

차량에 적용되는 전자장비들은 기본적으로 해당 기능을 지원하는 칩셋으로 구현된다. 즉, 칩셋에 대한 연결성이 지원되지 않는다면, 차량 이더넷을 포함한 각종 측정들을 수행하기 위해 엔지니어는 더욱 많은 설정과 확인 항목들을 적용해야 한다. 이를 위해 측정 기기 제조사들은 칩셋 업체들과 측정 지원을 위해 노력하고 있다. 로데슈바르즈 또한 마벨(Marvell), 브로드컴(BroadCom), 리얼텍(Realtek) 칩셋에 대한 테스트를 지원하고 있으며, 독일 루에츠 시스템 솔루션즈(Ruetz System Solutions)와 국내 Lab-T도 로데슈바르즈의 장비를 사용하고 있다.

오실로스코프와 미래차의 결합

오늘날의 자동차는 전기차(EV)가 아니더라도 각종 센서와 ECU의 적용으로 더욱 전자장비화되고 있다. 전자장비화는 지원되는 기능의 확장, 실시간 동작에 요구되는 특성이 더욱 심화됨에 따라 측정 기기는 보다 높은 획득 속도와 분석 능력을 필요로 한다. 이외에도 전자 장비들에 의해 발생할 수 있는 불요 전파 특성과 이로 인한 간섭, 오작동의 위험을 방지하기 위해 EMI 특성 측정 등 요구사항은 계속 추가되고 있다.

더 이상 기존 기계 장치에 대한 시험만으로는 차량의 신뢰성을 확보할 수 없기에, 이런 특성들을 확인할 수 있는 측정 항목과 측정 기기를 추가하는 것은 필수적인 고려사항이다. 또한, 데이터 통신을 측정하기 위해 디지털 프로토콜을 측정하는 등의 다양한 기능을 갖춘 오실로스코프 기기들이 차량에 접목될 필요가 있다.

글: 로데슈바르즈코리아 MS팀 김현종 부장

자료제공: 로데슈바르즈(Rohde & Schwarz)

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 7월 호에 게재된 기사입니다.

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