EV 및 하이브리드 카의 고속 측정
고속 데이터, 빈번한 샘플링 횟수 지원
2012년 09월호 지면기사  / 글│알프레드 클레스 (Alfred Kless) 매니저, 벡터 인포매틱




순수 또는 하이브리드 전기 차량의 첨단 구동 개념에 내포된 많은 측면은 측정 데이터 수집을 위한 새로운 전략을 개발해야 할 필요성을 불러일으킨다. 내부 ECU 신호를 위한 기존 계측기 개념은 데이터 속도 또는 샘플링 속도 면에서 한계에 도달하는 경우가 많다. 전자 구동 시스템에 필요한 최대 100 kHz의 샘플링 속도는 벡터(Vector)의 VX1000 측정 및 보정 하드웨어를 사용하여 기존 및 미래의 마이크로컨트롤러에 대해 구현할 수 있다.


알프레드 클레스 (Alfred Kless) 매니저, 벡터 인포매틱
알프레드 클레스는 에슬링겐(Esslingen) 기술 대학에서 전기 공학과를 졸업한 후 알카텔(ALCATEL)에 입사해 테스트 시스템의 소프트웨어 개발 및 비즈니스 개발 팀장 등을 역임했다. 2004년 5월부터 슈투트가르트에 위치한 벡터 인포매틱(Vector Informatik)에 근무하며 “측정 및 보정”, “네트워크 인터페이스” 제품 라인을 담당하는 비즈니스 개발 매니저로 근무하고 있다.

전기 또는 하이브리드 카의 구동은 일반적으로 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 통해 제어된다. PWM 기법의 이점은 이 기법을 사용할 때 전력 스위치에서 발생하는 전력 손실이 매우 낮다는 점이다. 전력 스위치가 완전 전도 또는 완전 차단의 두 가지 상태로만 작동하면 되기 때문이다. PWM 신호의 주파수는 대개 10~20 kHz 범위에 있으며, 예외적인 경우 100 kHz까지 올라가기도 한다. 내부 ECU 신호에 대해 1 kHz에 불과한 최대 샘플링 속도를 얻을 수 있는데, 이 경우 차량 개발을 위해 광범위하게 사용되는 표준 측정 및 보정 프로토콜인 XCP와 CAN 또는 FlexRay 버스 시스템을 통한 통신이 함께 사용된다. PWM 신호는 이 방법으로는 수집할 수 없다.
바로 이 때문에 ECU 변수에 빠르게 액세스할 수 있도록 디버그 및 데이터 추적 인터페이스가 사용되는 것이다. 이러한 인터페이스는 구현되는 마이크로컨트롤러의 유형에 따라 크게 달라질 수 있다. 측정 하드웨어는 “플러그 온 디바이스(Plug-On Device, POD)”를 통해 ECU와 상호 작용한다. 마이크로컨트롤러의 디버그 핀과 POD 간에 허용되는 최대 거리는 10 cm이다. 계측기 모듈과 테스트 PC 간의 통신은 ASAM의 MCD-1 XCP 표준에 따라 XCP on Ethernet을 통해 수행된다. 물리적 연결에는 표준 CAT-5 이더넷 케이블이 사용된다. 측정 방법은 본질적으로 크게 두 가지로 나누는데, 하나는 “RAM 복사 방법”이고 다른 하나는 “데이터 추적 방법”이다. 이 글에서는 현재 나와 있는 마이크로컨트롤러와 곧 출시될 새로운 마이크로컨트롤러를 토대로 이러한 두 가지 방법을 각각의 장단점과 함께 살펴보기로 한다. 다른 데이터 추적 방법에서는 주로 파워트레인 ECU 및 이러한 ECU의 후속 제품에서 사용되는 두 가지 유형의 32비트 마이크로컨트롤러(프리스케일 파워PC[Freescale PowerPC], 주요 시장: 미국, 인피니온 트라이코어[Infineon TriCore], 주요 시장: 유럽)를 참조한다.

RAM 복사 방법
RAM 복사는 일반적인 방법으로, 다양한 제조업체가 생산하는 현재 및 미래 세대의 32비트 마이크로컨트롤러에 사용할 수 있다. 인피니온 트라이코어 또는 XC2000의 경우에는 디바이스 액세스 포트(DAP: Device Access Port) 인터페이스를 통해 액세스가 이루어지고 프리스케일의 파워PC 디바이스 또는 르네사스(Renesas)의 V850 E2 프로세서는 넥서스 클래스 2+(Nexus Class 2+)를 통해 액세스가 이루어진다. 이 방법에서는 ECU 소프트웨어가 다양한 ECU 작업의 주기 시간에 따라 RAM 복사 기능을 시작한다. 측정 신호는 XCP on Ethernet을 통해 미리 구성해야 한다. 신호 이름과 RAM 주소의 매핑은 A2L 파일(신호 기반 RAM 액세스와 관련해 ASAM에서 표준화한 ECU 설명 파일)에 기술되어 있다. 모든 측정 신호가 복사되고 나면 기존 디버그 인터페이스를 따라 측정 데이터에 대한 기본 모듈로 신호가 전송되는데(그림 1), 이 개념을 “온라인 데이터 수집(Online Data Acquisition, OLDA)”이라고 한다.



이 방법을 사용할 경우 CAN에 비해 측정 데이터 속도와 샘플링 속도가 20배 가량 개선된다. 즉, 10~20 kHz의 샘플링 데이터 속도로 0.5~1 Mbyte/s의 측정 데이터를 얻을 수 있는 것이다. 복사 작업 시에는 1 Mbyte/s에 약 4%의 CPU가 로드된다.

넥서스 클래스 3을 위한 데이터 추적 개념-현재의 프리스케일 파워PC
현재의 프리스케일 파워PC 시리즈에 포함된 대부분의 디바이스는 넥서스 클래스 3 데이터 추적 방법을 지원한다. 이 경우 개발자는 ECU RAM에 최대 총 크기가 512 kByte인 하나 내지 두 개의 모니터링 윈도우를 구성한다. 이러한 모니터링 윈도우 내의 모든 변경 사항은 추가적인 CPU 로드 없이 넥서스 클래스 3을 통해 POD로 전송된다. 고속 시리얼 링크 케이블을 사용하면 최대 100 MByte/s의 원시 데이터 전송 속도를 얻을 수 있다. 이 개념의 이점은 측정 데이터에 대한 기본 모듈에 ECU RAM의 일관되게 미러링된 RAM이 항상 포함된다는 점이다. ECU 소프트웨어가 트리거되면 측정 데이터 기본 모듈 내의 데이터 흐름이 일시적으로 중단되는데, 이 경우 새로운 변경 사항은 RAM의 FIFO(First In, First Out) 버퍼에 저장된다. 측정은 최대 256개의 서로 다른 소프트웨어 트리거를 통해 시작되며, 미러링된 RAM의 콘텐츠는 “고정(Frozen)”된다. 신호는 측정 구성을 토대로 측정 데이터 기본 모듈의 미러링된 RAM에서 판독되어 XCP on Ethernet을 통해 측정 및 보정 툴로 전송된다(그림 2).
넥서스 클래스 3 솔루션의 이점은 다음과 같다.



- 최대 측정 데이터 속도인 30 Mbyte/s는 넥서스 클래스 2+보다 30배 높으며 XCP on CAN보다는 600배 높다.
- CPU는 일반적으로 측정 시 로드되지 않는다.
- 모든 PWM 구동 신호를 아무런 문제없이 100 kHz의 샘플링 속도로 측정할 수 있다. 이 솔루션의 단점은 POD를 자체의 25개 핀을 사용하여 마이크로컨트롤러에 연결하는 데 많은 노력이 들어가며 100 Mbyte/s나 되는 많은 양의 원시 데이터 스트림을 처리해야 한다는 점이다.

차세대 마이크로컨트롤러를 위한 데이터 추적 개념
핀 수가 25개에서 5개로 줄어들었으므로 차세대 마이크로컨트롤러에서는 넥서스 클래스 3 솔루션의 주된 단점이 사라질 예정이다. 하지만 측정 데이터 속도와 샘플링 속도는 변함없이 높은 레벨을 유지하게 될 것이다. 이 데이터 추적 솔루션은 인피니온과 프리스케일에서 향후 선보일 프로세서에서도 지원할 전망이다. 그리고 여전히 100 Mbyte/s의 원시 데이터 스트림을 처리해야 한다.

현재의 인피니온 트라이코어에 대한 데이터 추적 개념
넥서스 클래스 3에 필적할 만한 한 가지 개념을 DAP에 사용할 수도 있다. 이 과정에서 측정 데이터 수집을 위해 256 kByte 메모리 범위의 ED-RAM(Emulation Device RAM)을 예약해야 한다. 넥서스 클래스 3 개념의 100 MByte/s와 대조적으로 원시 데이터의 추적 전송 속도는 5 MByte/s로 제한해야 한다. 25개 대신 4개의 핀이면 충분하기 때문이다. RAM 모니터링 윈도우는 최대 4개까지 구성할 수 있으며, 추적 데이터가 초과하지 않도록 구성해야 한다. 이 경우 대개 프로세서 로드 없이 512 kByte 대신 10~20 kByte에 불과한 메모리와 이 메모리의 신호 측정값을 모니터링할 수 있다. 이러한 추적 모니터링 메모리 영역 외부의 신호는 RAM 복사 방법을 통해 측정할 수 있다.
인피니온 DAP 데이터 추적 솔루션의 이점은 다음과 같다.

- 최대 측정 데이터 속도인 3 Mbyte/s는 RAM 복사 방법의 3배이다.
- 측정 시 마이크로컨트롤러가 로드되지 않는다.
- 모든 알려진 PWM 구동 신호를 아무런 문제없이 100 kHz의 샘플링 속도로 측정할 수 있다.

미래의 인피니온 컨트롤러에 대한 데이터 추적 개념
인피니온은 차세대 마이크로컨트롤러 부문에서 최신 세대의 DAP를 선보이고 있다. 한 가지 이점은 보다 높아진 원시 데이터 전송 속도인데, 현재는 이전의 5 MByte/s에서 개선된 20 MByte/s를 자랑한다. 이를 위해 DAP 인터페이스에서 이전의 80 MHz 대신 160 MHz의 높아진 주파수를 사용하는 것은 물론 두 개의 라인에서 병렬 전송을 허용하는 새로운 유형의 3라인 개념이 사용된다.
DAP2 인터페이스에서 가장 크게 개선된 부분은 이제 이 인터페이스를 통해 극도로 미세한 세분성을 바탕으로 하드웨어 기반 데이터 추적 필터를 설정할 수 있게 되었다는 점이다. 이를 통해 마이크로컨트롤러에서 POD로 불필요하게 데이터 추적 정보를 전송하는 일이 대폭 줄어든다. 최대 측정 데이터 속도는 10 Mbyte/s지만 100 Mbyte/s의 원시 데이터 대신 15 Mbyte/s만 처리하면 된다(그림 3). 측정 데이터의 처리 요구 사항이 대폭 줄어들었기 때문에 DAP2에는 비용이 최적화된 측정 계측기를 사용할 수 있다.

요약
순수 또는 하이브리드 전기 차량의 첨단 구동 개념에 내포된 많은 측면은 측정 데이터 수집을 위한 새로운 전략을 개발해야 할 필요성을 불러일으킨다. 내부 ECU 신호를 위한 기존 계측기 개념은 데이터 속도 또는 샘플링 속도 면에서 한계에 도달하는 경우가 많다. 전자 구동 시스템에 필요한 최대 100 kHz의 샘플링 속도는 벡터(Vector)의 VX1000 측정 및 보정 하드웨어를 사용하여 기존 및 미래의 마이크로컨트롤러에 대해 구현할 수 있다. 올해 프리스케일과 인피니온에서는 필요한 핀 수가 훨씬 적은 데이터 추적을 통해 해당 작업을 수행할 수 있는 새로운 세대의 컨트롤러를 선보일 예정이다. 이러한 컨트롤러는 올해 하반기에 출시 예정인 벡터의 고속 VX1131 측정 모듈과 함께 CPU 로드 없이 30 Mbyte/s의 측정 데이터 속도를 구현하게 될 것이다.
인피니온의 경우 마이크로컨트롤러에서 미세하게 세분화된 신호 필터를 갖춘 DAP2 덕분에 원시 데이터 스트림을 100 Mbyte/s에서 15 Mbyte/s로 줄이고, 이를 통해 매우 경제적인 측정 하드웨어를 사용하여 높은 데이터 전송 속도를 얻을 수 있을 것이다. ASAM에서 표준화한 XCP on Ethernet을 PC 인터페이스로 함께 사용하는 경우에도 이 측정 및 보정 하드웨어는 대기 시간이 짧은 유연하면서도 강력한 바이패스 솔루션으로 사용하기에 적합하다.



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