[논문]Embedded Linux를 기반으로 한 Gas센서용 ARM11 플랫폼 구현에 관한 연구

안종찬; 김영길; 나상신

doi:10.6109/jkiice.2009.13.7.1335

문제 정의

본 논문에서는 ARM11 코어, 리눅스, 블루투스 등에 관한 연구를 언급하고 휴대용 가스센서 플랫폼의 개요와 동작과 그 실험에 대한 결과를 서술할 것이다.
본 논문에서는 데이터의 전송을 위한 ARM11 기반의 고성 능 S3C₆₄00 플랫폼에 관하여 연구를 진 행하고 설계를 하였으며 802.15.1 블루투스의 무선 네트워크를 이용하여 무선 CO₂ 데이터 전송에 관한 실험을 진행하였다. 임베디드 리눅스를 기반으로 한 휴대용 가스 센서용 ARM11 플랫폼은 ARM 아키텍처의 최신 버전인 ARM11 코어가 적용된 S3C₆₄00을 이용하여 하드웨어 플랫폼을 고속의 저전력 기반으로 설계하였고, 이러한 ARM11 하드웨어 플랫폼에 리눅스를 포팅하였다.
이러한 요구를 충족시 키 기 위하여 본 논문에서는 임베디드 리눅스를 기반으로 한 휴대용 가스 센서용 플랫폼 구현에 관한 연구를 진행하고 이를 구현하는데 초점을 두었다. ARM11 코어를 적용한 S3C₆₄0師 어플리 케이션 프로세서를 사용하여 휴대용 임베디드 플랫폼을 구성하고 리눅스를 포팅을 한다.

제안 방법

ARM11 플랫폼은 여타 다른 임베디드 디바이스와 마찬가지로 GUI로 구현을 하기 위하여 리눅스에서 비주얼 윈도우를 제공하는 Qtopia라는 윈도우 매니저를 포팅하였다. Qtopia는 리눅스 환경에서 가장 깔끔한 Visual Interface를 제 공하지 만, 그 용량이 다소 크다.
따라서 기존의 C 개발 방식에 비해서 훨씬 용이하고, 기능 확장이 편리하여서 생산성 이 높다. 객체 지 향성을 강조한 QT 라이브러 리는 모듈화와, 구성물을 재활용 가능하도록 초점을 맞춰서 설계되었다. QT 는 멀티 플랫폼을지원하는데 이는 소스의 크로스 컴파일을 통해 어떠한 플랫폼이든 이식이 가능하다는 의미 이다.
ARM11 코어를 적용한 S3C₆₄0師 어플리 케이션 프로세서를 사용하여 휴대용 임베디드 플랫폼을 구성하고 리눅스를 포팅을 한다. 관련된 유저 어플리 케 이션 프로그 램 을 QT를 사용하여 작성 하며 블루투스를 사용하여 가스 센서와 휴대용 임 베디드 플랫폼 사이에 네트워크를 구축한다.
구현 시스템은 2장에서 논의한 ARM11 기반의 S3C6400 플랫폼으로 USN 환경 에 적 합하게 경 량의 소형 모바일 리더기 시스템으로 리눅스를 포팅하였다. 또한, 적용 분야인 환경 분야에서 발생할 수 있는 예외 환경들에 대해서도 중앙 관리 서버와의 전송 시스템을 유지하는 대처가 가능하도록 기본적인 무선 인터페이스 블루투스 외에 WLAN 802.
향상을 가져왔다. 그리고 여러 디바이스에 대한 컨트롤러를 내장하여 시스템의 확장성을 향상시켰다.
네트워크의 구성은 마스터, 슬레이브 형태의 주종관계로 구성되며, 한 대의 블루투스 장치에 동시접속이 최대 7대(ACL 기준)이다. 네트워크의 기본 방식 은 TDD(Time Division Duplex)로 625ps의 타임 슬롯을 설정하여 슬레이브마다 할당된 슬롯에서 주파수 호핑을 하며 통신을 한다. [1]
480 GHz이다. 또 이러한 주파수 대역을 대역폭 1MHz의 79개의 채널로 나우어 각 채널을 호핑 하는 방식을 택하였다. 밑의 그림 5는 블루투스 주파수 대역과 채널 배치 및 전송 특성을 요약하여 나타낸 그림 이다.
임베디드 리눅스를 기반으로 한 휴대용 가스 센서용 ARM11 플랫폼은 ARM 아키텍처의 최신 버전인 ARM11 코어가 적용된 S3C₆₄00을 이용하여 하드웨어 플랫폼을 고속의 저전력 기반으로 설계하였고, 이러한 ARM11 하드웨어 플랫폼에 리눅스를 포팅하였다. 리눅스 윈도우 매니저인 QT/embedded를 이용하여 어플리케이션 개발환경을 구축하고 관련 어플리케이션을 작성하였다. 플랫폼은 블루투스 뿐만 아니라 WLAN, Zigbee 등의 다양한 통신을 지원할 수 있게 함으로서 이미지, 음성, 동영상 같은 대용량의 정보를 고속으로 전송할 수 있어 유비쿼터스 컴퓨팅 환경에 최적화하도록 설계하였다.
Qtopia는 QT/Embedded에 기반을 둔 PDA, 팜톱 컴퓨터 등의 기기에 탑재되는 Windows Management로서 리 눅스에서 Gnome과 KDE와같은 기능을 한다. 본 논문에서는 QT를 이용하여 휴대용 가스 센서용 플랫폼에 해당하는 어플리케이션을 구현하고, Qtopia를 이용하여 리눅스 상의 윈도우 매니저를 포팅하였다. [2]
본 논문의 플랫폼에 구현된 임베디드OS인 리눅스에대 한 응용프로그램 으로 사용자에 게 편 리 하도록 GUI 환경으로 구성하였다. 소프트웨어의 구성에 있어서 중요한 부분은 시 리 얼 포트를 통한 블루투스 모듈과의 통신 과정으로서 근처에 있는 센서와 연결된 블루투스 장치를 검 색하여 블루투스로 네트워크를 이루어 센서 정보를 시리얼 포트를 통해 받는 것이다.
나타내고 있다. 사용자가 휴대용 ARM11 플랫폼으로 주변 센서 의 정보를 블루투스를 통하여 얻고자 하면 플랫폼 즉 리더기는 주변의 환경 정보를 주기적으로 얻는 센서들과 블루투스 연결을 시도하고 네트워크가 구성되면 복수의 센서로부터 데이터를 얻어와 사용자에 게 표시 하여 준다.
실험을 위해 직접 제작한 리눅스 어플리케이션으로, 제어 및 디 버 깅용으로 포트 C0M1 을 사용하고 있기 때문에 먼저 포트 COM2 및 Baud rate를 설 정 하고 블루투스 장치 간 자동으로 연결되 게 구성을 하였다.
1 블루투스의 무선 네트워크를 이용하여 무선 CO₂ 데이터 전송에 관한 실험을 진행하였다. 임베디드 리눅스를 기반으로 한 휴대용 가스 센서용 ARM11 플랫폼은 ARM 아키텍처의 최신 버전인 ARM11 코어가 적용된 S3C₆₄00을 이용하여 하드웨어 플랫폼을 고속의 저전력 기반으로 설계하였고, 이러한 ARM11 하드웨어 플랫폼에 리눅스를 포팅하였다. 리눅스 윈도우 매니저인 QT/embedded를 이용하여 어플리케이션 개발환경을 구축하고 관련 어플리케이션을 작성하였다.
임 베디드 OS로는 리눅스를 포팅하였다. 커널 수정 및 부트로더 작성에서부터 커널 이미지를 보드 상에 올리고 윈도우 매니저로서 QT/embedded 환경 을 구죽하여 어플리 케 이 션 개발을 하도록 하였다. 시스템의 자세한 세부 사양은 위의 표 2와 같다.
리눅스 윈도우 매니저인 QT/embedded를 이용하여 어플리케이션 개발환경을 구축하고 관련 어플리케이션을 작성하였다. 플랫폼은 블루투스 뿐만 아니라 WLAN, Zigbee 등의 다양한 통신을 지원할 수 있게 함으로서 이미지, 음성, 동영상 같은 대용량의 정보를 고속으로 전송할 수 있어 유비쿼터스 컴퓨팅 환경에 최적화하도록 설계하였다.

대상 데이터

소형의 ELT사의 H-550 CO₂ 센서 모듈이다. H-550 CO2 센서 모듈은 현재까지 전 세계적으로 가장초소형, 초경량의 NDIRCO₂ 모듈로써 홈 네트워크, 환기장치, 컨트롤러 등의 가전제품, 로봇, 자동차에까지 폭넓은 응용성을 가지고 있다.

성능/효과

0을 지 원하며 블루투스 Piconets(Pomt to Multipoint) 구성 이 가능하다. 12핀 헤더 타입으로 클래스 1 EDR 중에서 가장 콤팩트한 사이즈로서 본 논문에서 제안하는 휴대용 가스 센서 ARM11 플랫폼 구현에 적합하게 설계가 되어 있다. 대 기 시 에 는 평균 8mA 가량의 전류를 소모하며 데이터를 송수신 하는 동작 시에는 최대 40mA의 소모 전류를 보이고 있어 저전력 설계에 적합한 스펙을 지니고 있다.
그 후 블루투스 네트워 크가 구성 이 되면 자동으로 센서에서 넘어오는 데이터가 블루투스 통신에 의해 ARM11 플랫폼의 화면에 디스플레이 되는 것을 확인할 수 있다. 밑의 그림 12와 13은 실험 결과이다.
C++로 만들어 졌으며 그 구조는 MFC와 비슷하다. 따라서 기존의 C 개발 방식에 비해서 훨씬 용이하고, 기능 확장이 편리하여서 생산성 이 높다. 객체 지 향성을 강조한 QT 라이브러 리는 모듈화와, 구성물을 재활용 가능하도록 초점을 맞춰서 설계되었다.
stall 이 란 다음 명 령 어 가 아직 파이 프라인을 통과 중이기 때문에 프로세서가 기다리지 않으면 안 되는 상황을 가리킨다. 이상과 같은 파이프라인의 최적화에 의해, 유효 대기시간은 ARM9TM Microarchitecture의 5단계 파이프라인과 같으면서 훨씬 높은 throughput 을 실현 한다. [6]

후속연구

지금까지 본 논문에서 제시한 하드웨어와 통신 실험의 결과를 토대로 더욱 최적 화된 프로그래밍 및 하드웨어를 구축한다면, 본 연구에서 구현한 플랫폼보다 더욱 저전력의 고성능 플랫폼이 등장할 것으로 기대하여 본다.

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