하지만, 전자화(by-wire)라는 이상적인 기술을 도입하는 과정에서 어처구니없는 일이 벌어졌다. 현존하는 차량 내 네트워크 프로토콜 중에서 전자식 브레이크(brake-by-wire) 또는 전자식 조향장치(steer-by-wire) 등의 첨단 자동차 제어 시스템을 다룰 수 있도록 설계된 솔루션이 없었던 것이다. 이 분야에는 고대역폭, 내결함성, 확정적 통신 프로토콜이 필요한데, 자동차 시장에는 이러한 프로토콜이 존재하지 않았다.
따라서 BMW, 다임러크라이슬러, 필립스, 모토로라(모토로라의 반도체 제품 사업부는 2004년 프리스케일 세미컨덕터로 분사됨)는 2000년에 차량 내부의 고속 제어 용도에 적합한 첨단 통신 기술을 개발하고 안전성, 신뢰성, 편의성을 강화하며 해당 기술을 업계에 공개한다는 세 가지 명확한 목적을 갖고 FlexRay컨소시엄을 설립했다. [출처: www. flexray.com]
이제 125개 이상의 회원사를 거느린 이 컨소시엄은 첨단 파워트레인, 섀시, 전자화(by-wire) 제어 시스템의 표준 프로토콜로 FlexRay 통신 시스템의 범세계적인 도입을 추진하고 있다. 차량 내부 네트워킹 전용으로 설계된 FlexRay 기술은 기존 네트워크를 대체하는 것이 아니라 CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), MOST(Media Oriented Systems Transport), J1850 프로토콜 등 체계적으로 구축되어 있는 기존 시스템과 함께 작동한다.

기술적 요구사항 충족
FlexRay는 채널 당 총 10Mbps의 데이터 전송 속도로 미래의 애플리케이션에 필요한 높은 대역폭 요구를 만족시킨다. 두 채널이 개별적으로 작동하므로 총 데이터 전송 속도는 20Mbps, 즉 최고 1Mbps인 CAN 표준에 비해 20배 더 빠르다.
FlexRay는 타임 트리거(Time Trigger) 방식의 아키텍처이며, 이는 사전에 결정된 시간의 진행에 따라 제어 신호가 발생됨을 의미한다. 확정적(deterministic)이란 단어는 시스템 외부에서 어떤 일이 일어나든 우발적으로 변경될 요소가 없음을 의미한다. 확정적 알고리즘에서는 정확한 출력이 항상 미리 결정되어 있으며, 이는 특정 입력을 기반으로 한다. 더구나 출력에 따라 이후의 조치가 제어되며 그 결과에 따라 다음 단계가 결정되는 상황이 계속 이어진다. 확정적 네트워크는 외부 영향에 관계없이 완벽하게 예측 가능하다. 이는 전자식 조향장치 및 전자식 브레이크와 같이 일관적인 고성능을 요구하는 분야에서 아주 중요한 요소가 될 수 있다. FlexRay 프로토콜은 네트워크의 확정적인 특성에 높은 대역폭(10Mbps)이 결합되어 네트워크 충돌의 발생 횟수를 줄여주므로 최소한의 메시지 대기 시간 및 지터가 보장된다.
내결함성(fault-tolerance)이란, 시스템의 다른 부분에 고장이 발생하더라도 시스템이 설계된 대로 계속 작동하는 것을 의미한다. 뿐만 아니라, 네트워크 운영 상태가 저하되는 경우에도 그 저하 정도가 고장의 심각도에 비례하게 된다. 달리 말하자면 사소한 결함은 시스템에 장애를 발생시키지 않는다. FlexRay는 싱글 채널 또는 듀얼 채널 모드를 통해 확장 가능한 시스템 내결함성을 포함한 다양한 수준의 내결함성을 지원하므로 가장 필요한 부분에 전송 예비성(transmission redundancy)을 제공할 수 있다. 또한 개별적인 물리계층 버스 가디언(bus guardian)이 시스템 오류를 최소화 해준다.
시간 트리거 방식의 실시간 시스템을 모든 FlexRay 노드에 분산하려면 서로 다른 노드 간에 정확한 전체 시간 동기화가 필요하다. FlexRay는 오프셋 보정과 전송 속도 보정 알고리즘을 통해 클록 보정 관리 기능을 지원한다. 매 사이클마다 네트워크에 존재하는 동기화 모드에서 ‘동기화 메시지’가 버스를 통해 전송된다. 하나의 내결함성 시스템에는 최소한 4개 이상의 동기화 노드가 존재한다. 각 노드는 동기화 메시지를 수신하고 그 클록을 동기화 노드의 클록과 비교한 다음, 동기화 메시지의 클록을 동기화 노드에 일치하도록 보정한다. 이는 한 노드에 고장이 발생하더라도 다른 노드의 동기 상태에 이상이 생기지 않도록 보장하는 내결함 시스템이다.
첨단 전자제어식 안전 관련 분야의 경우, FlexRay와 같이 처리 능력이 높고 확정적이며 내결함성을 지원하는 네트워크에서 큰 이점을 얻을 수 있다. 여러 요소 중에서 이 세 가지 특성이 바로 FlexRay를 다른 차량 내부 네트워크를 대체하여 FlexRay 컨소시엄에서 추구하는 적용분야를 지원할 수 있는 솔루션으로 만들어주는 요소이다.
예를 들어, MOST의 경우 높은 데이터 전송 속도를 지원할 수 있지만, 네트워크 표준이 특별히 차량 내부 멀티미디어 구성요소를 연결하도록 설계되어 있으므로 파워트레인, 섀시, 전자화(by-wire) 분야에는 적합하지 않을 가능성이 높다.
CAN은 국제적으로 표준화된 직렬 버스 시스템으로 특히 유럽 지역 제조업체에서 엔진 관리, 차체 전장, 엔터테인먼트 제어에 광범위하게 사용하고 있다. CAN 네트워크는 500Kbps의 일반적인 데이터 전송 속도로 다수의 전자제어장치(ECU)를 연결할 수 있으며, 미국의 경우 진단 및 데이터 공유 목적으로 사용되는 J1850 표준을 대체할 것으로 예상되고 있다. 하지만, CAN은 메시지 전달에 우선순위 중재 방식을 사용하므로 우선순위가 낮은 메시지는 항상 우선순위가 높은 메시지에 의해 지연될 수밖에 없다.
따라서, 각 메시지에 사전 정의된 전송 시간을 보장하는 FlexRay와 달리, 가장 우선순위가 높은 메시지만 전달이 보장된다. 또한, CAN은 비교적 데이터 전송 속도가 낮으며 내결함성이 결여되어 있으므로 전자화(x-by-wire)와 같은 첨단 분야에는 적합하지 않다. 한편, LIN은 본질적으로 저렴하지만 CAN의 하위 네트워크로서 비교적 속도가 느리므로 전자화(x-by-wire)와 같은 분야에 필요한 데이터 전송 속도를 결코 처리할 수 없다.

FlexRay 솔루션
FlexRay는 프로그래머가 적용상 필요에 따라 구성할 수 있는 정적 및 동적 슬롯으로 확장 가능한 시스템이다. 또한 동기 데이터 전송을 통해 신뢰성 요구사항이 매우 엄격한 분야에서도 시간 트리거 방식의 통신을 지원한다. byteflight™ 프로토콜 원칙을 바탕으로 한 비동기 전송을 활용하면 각 FlexRay 노드에서 이벤트 중심의 통신에 필요한 전체 대역폭을 사용할 수 있다. byteflight 시스템은 주로 자동차의 핵심 안전 분야에 사용되는 10Mbps의 시간 제어 방식 프로토콜이다. FlexRay는 내결함성 동기화 및 예비 전송 채널 등의 기능으로 byteflight 프로토콜의 안전 중심 기능을 확장하는 역할을 한다. FlexRay는 광학 및 전기적 물리계층을 모두 지원하도록 설계되었으므로 제조업체들이 각자의 요구에 가장 적합한 배선 체계를 적용할 수 있다. 더불어, 개발업체들은 완벽한 채널 예비성을 유지하면서 FlexRay 시스템을 싱글 채널 버스에서 듀얼 채널 멀티 스타 토폴로지로 확장할 수 있다. 제조업체들은 또한 FlexRay 지원 애플리케이션의 포함 여부에 관계없이 FlexRay를 파워트레인, 섀시, 차체, 안전 및 멀티미디어 부문을 연결하는 차량 내부 네트워크 백본으로 사용하여 높은 대역폭이 제공하는 장점을 한층 더 활용할 수 있다. 각 노드 내에서 FlexRay 모듈에는 애플리케이션의 확정적 내결함성 요구사항에 따라 FlexRay 프로토콜을 구현하는 데 필요한 모든 요소가 포함된다.

쪾 레지스터 블록 : FlexRay 디바이스와 상태 레지스터에서 현재 프로토콜 상태 정보를 판독하도록 구성하는데 사용되는 제어 레지스터가 포함되어 있다.
쪾 메시지 버퍼 인터페이스 : CPU가 레지스터 블록에서 생성되는 데이터를 포함한 데이터를 수신 및 송신하는데 사용한다.
쪾 프로토콜 상태 머신 : 통신 컨트롤러의 핵심으로 메시지 처리, 통신 사이클 구성, 시동 및 오류 처리와 같은 전체 프로토콜 로직을 실행한다.
쪾 타이밍 장치 : 분산형 클록 동기화 지원을 포함하여 타이밍 제어를 담당한다.
쪾 CRC(Cyclical Redundancy Check) 장치 : 메시지 송신 및 수신 도중 각 데이터 프레임의 체크섬을 생성하고 검사한다.
쪾 수신 및 송신 장치 : 각 채널 당 하나씩 존재한다.

FlexRay 컨소시엄이 표명한 목표 중 하나는 “차량 내 고속 제어 분야에 적합한 첨단 통신 기술을 개발하여 안정성, 신뢰성, 편의성을 높이는 것”이다. [출처 www. flexray.com]
하지만, 업계에서 FlexRay 기술의 주요 수혜 대상으로 전자화(by-wire) 시스템에 집중해온 것은 공공연한 일이다. 그 목적은 차량 제어에 사용되는 유압 시스템에 대한 의존도를 낮추는 것이었으며 가장 기대되던 분야는 전자식 브레이크(brake-by-wire)였다.

FlexRay 적용 : 전자식 브레이크
FlexRay가 새로운 자동차 설계에 최신 기술의 도입을 추진할 수 있는 방법을 잘 보여주는 사례는 첨단 섀시 제어 분야이다. 오늘날 다수의 자동차에 ABS(Anti-lock Braking System)가 기본으로 장착되고 있지만, 차량 안정성 제어 기술은 아직 복잡하고 값비싼 옵션이다. FlexRay로 제어되는 전자식 브레이크(brake-by-wire) 기술을 도입할 경우 차량 안정성 제어와 관련된 핵심 부품을 더 가볍고 빠르고 간단하고 효율적으로 만들 수 있으므로 첨단 차량 안정성 제어 기술을 더 폭넓게 적용할 수 있게 된다.
전자식 브레이크 기술은 전자 기계식 브레이크(EMB: Electro-Mechanical Braking)라고도 불리며, 브레이크 오일과 유압 배관을 모두 없앨 수 있는 기술이다. 중앙 ECU에 의해 제어되며 전자 브레이크 페달 모듈의 신호로 작동되는 개별 고성능 전자 모터에 의해 각 바퀴에 제동력이 발생한다. FlexRay는 시스템 전반에서 고속 메시지 전달을 지원하는 통신 프로토콜을 제공한다. 하지만, 기존 유압식 브레이크 시스템에 기계식 또는 유압식 예비 장치가 있는 반면 EMB는 예비 장치가 없다. FlexRay의 내결함 기능은 전자식 브레이크 시스템의 절대적인 신뢰성을 보장하는데 아주 중요하다.
FlexRay 기반 전자식 브레이크(brake-by-wire) 시스템의 간단한 예로는 ECU의 일부인 차량 제어 노드, 각 바퀴에 장착되는 개별 노드, 브레이크 페달 노드로 구성되는 시스템을 들 수 있다. 브레이크 휠 노드는 다수의 센서, 전기 모터 작동장치, 전자 제어 모듈(ECM: Electronic Control Module), 기어 감속 메커니즘으로 구성된 시스템의 일부이다.
기본적으로 발의 압력이 브레이크에 가해지면 페달 노드에서 ECU로 전자 메시지가 전송되며, ECU는 해당 정보를 휠 노드 ECM에 전달한다. ECM의 주요 기능은 페달 노드에서 발생된 센서 신호를 수신하고 신호를 처리하며 모터 작동 장치가 원하는 토크 응답을 얻을 수 있도록 적절한 전압 벡터를 제시하는 것이다.
작동 장치는 캘리퍼스에 연결된 기어 감속 메커니즘을 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하며 캘리퍼스는 필요한 브레이크 압력을 로터 디스크에 적용한다(그림 4).
FlexRay의 고대역폭 기능을 활용하면 아주 상세한 정보를 대량으로 신속하게 주고받을 수 있으므로 극도로 빠르고 정밀한 기계적 반응을 얻을 수 있다. 각 휠 노드가 FlexRay 네트워크 내의 개별 시스템이므로 각 휠에 서로 다른 주기로 다양한 양의 브레이크 압력을 적용하도록 지시할 수 있어, 모든 종류의 제동 상황에서 거의 순간적인 안정성 제어가 가능하다. 정밀한 센서 기술을 사용하여 중량 배분, 탑승자 위치, 타이어 압력 차이, 노면 상황과 같은 추가 정보를 전자식 브레이크(brake-by-wire)와 전자식 조향장치(steer-by-wire) 시스템에 공급하면 전례 없는 수준의 차량 안정성 제어가 가능하다.
FlexRay 기반 전자식 브레이크(brake-by-wire)가 제공하는 안전상의 장점 이외에도 여러 가지 실제적인 장점들을 고려해 볼 수 있다. EMB는 소음이 거의 없고 환경친화적(브레이크 오일을 사용하지 않음)이며 크기가 작고 조립이 간편하다. 또한 미래의 교통관제 시스템과 매끄럽게 네트워크를 구성할 수 있으며 전동 주차 브레이크 등의 추가 기능을 손쉽게 통합할 수 있다.

모든 장점을 활용
이와 같은 실제적인 장점들은 제조업체의 경영 수지 면에서 FlexRay 기반 기술을 아주 매력적으로 만드는 요소이다. FlexRay에는 밀봉 TP(twisted pair) 배선이 필요하므로 초기 설치비용이 조금 더 들지만, 지원 기술을 활용하면 제조업체가 생산 라인에서 시간과 비용을 절감할 수 있다.
전자식 브레이크(brake-by-wire) 시스템을 구성하는 작동 장치, 컨트롤러, 와이어 하네스는 마스터 실린더, 슬레이브 실린더, 대량의 관련 튜브 및 호스보다 신뢰성이 높으며 간편하고 쉽게 설치할 수 있다. 제조업체의 경우 설치비용이 절감되며 사용자의 경우 유지보수 비용이 절약된다.
또한 FlexRay는 여러 용도에 적합한 다양한 제어 프로토콜을 제공하므로 전반적인 차량 내부 네트워킹 시스템의 복잡성을 줄일 수 있다. 이는 재사용 가능한 구성요소와 확장성 향상으로 이어지며 장래의 장비 및 시간 관련 비용이 모두 감소된다.
FlexRay 프로토콜은 대부분의 자동차 제조업체에서 지지하는 기술이다. BMW, 다임러크라이슬러, 제너럴 모터스(GM), 폭스바겐은 모두 FlexRay 컨소시엄의 핵심 파트너이며 대부분의 주요 관련 회원사 또한 자동차 제조업체이다. 이 컨소시엄의 최우선 목표는 “FlexRay를 자동차 업계의 실질적 표준으로 확립하는 것”이다.[출처 www.flexray.com]
이러한 목표를 향해 관련 조치들이 신속하게 진행되고 있다. 프리스케일 반도체와 로열 필립스 일렉트로닉스는 FlexRay 기반 반도체 제품의 출시 기간을 단축할 수 있도록 양사의 FlexRay 기술을 공유하는데 합의했다. 양사는 공유 중인 FlexRay 프로토콜 엔진 디자인과 공동으로 개발한 실행 프로토콜 모델에 대한 라이선스를 제공하고 있다.
프리스케일은 16비트 마이크로컨트롤러와 디지털시그널컨트롤러 제품군뿐 아니라 PowerPC 코어를 채택한 프로세서 등의 독립형 디바이스에 FlexRay 프로토콜 엔진 디자인을 도입할 예정이다.
필립스는 자사 ARM 기반 자동차용 마이크로컨트롤러 제품군 전반에 엔진 디자인을 통합할 예정이다. FlexRay 컨소시엄 웹 사이트를 살펴보면 BMW와 다임러크라이슬러는 모두 수년 내에 시리즈 양산 차량에 FlexRay 기술을 채택할 것으로 예상된다.(편집자 주: 알려진 바로는 지난 해 발표된 BMW X5의 공기감쇠 시스템에 세계 최초로 FlexRay가 사용되었다. FlexRay의 완전 사용은 2008년으로 예상하고 있다)
제조업체들은 항상 차량을 더 안전하고, 편리하고, 안락하고, 신뢰할 수 있으며, 수익성이 높은 제품으로 만들 수 있는 방법을 찾는다고 해도 무리가 없을 것이다. FlexRay는 신제품 개발업체가 곧 조립 라인에서 완성되어 나올 차세대 차량에 이러한 모든 특성을 통합할 수 있도록 기회를 제공한다.

AEM_Automotive Electronics Magazine