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문제 정의
- 본 논문에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용해 여러 프로토콜을 수용할 수 있는 NMEA 2000 기반의 게이트웨이를 구현하였다. 이를 위해 Xilinx사의 vertex4를 탑재한 ML401보드를 사용하였다.
제안 방법
- IMO는 선박의 정보들을 손쉽게 통합할 수 있도록 선박 네트워크를 인스트루먼트 네트워크, 제어 네트워크, 관리 네트워크로 크게 3계층으로 나누고 이에 따른 표준을 채택하였다. 인스트루먼트 네트워크는 CAN(Control Area Network) 기반의 NMEA(National Marine Electronic Association) 2000을 채택하고, 제어 네트워크는 Ethernet 기반의 MiTS(Maritime Information Technology Standard)를 채택하여 선박 내부를 관리하고 궁극적으로는 선박과 선박 및 선박과 육상간의 효율적인 정보교환을 이루고자 하였다[2-6]. 특히, 인스트루먼트 네트워크는 선박 네트워크의 최하위 계층으로 실제 선박의 센서나 기기간의 물리적인 연결을 통해 구성되는데, DGPS, GYRO compass 등의 항해장비와 AIS와 같은 통신장비, VDR과 같은 안전장비 뿐만 아니라 보일러, 유배출시스템, 주기관, 보조기관 등으로부터 기관실 장비의 중요한 정보 등이 인스트루먼트 네트워크를 통해 실시간으로 송수신되어야 한다.
- 이를 위해 Xilinx사의 vertex4를 탑재한 ML401보드를 사용하였다. 다른 네트워크와의 통신을 위해 UART, USB, CAN, Ethernet IP(Intellectual Property)를 FPGA에 탑재하고 표준에서 요구되는 통신 속도를 준수하도록 설정하였다. NMEA 2000 네트워크에 접속하기 위해 ML401보드에 CAN IP와 NMEA 2000 스택을 탑재하고 탱크와 엔진의 더미 데이터를 발생시켜 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 장비처럼 인식되도록 구성하였다.
- 다른 네트워크와의 통신을 위해 UART, USB, CAN, Ethernet IP(Intellectual Property)를 FPGA에 탑재하고 표준에서 요구되는 통신 속도를 준수하도록 설정하였다. NMEA 2000 네트워크에 접속하기 위해 ML401보드에 CAN IP와 NMEA 2000 스택을 탑재하고 탱크와 엔진의 더미 데이터를 발생시켜 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 장비처럼 인식되도록 구성하였다. 다른 장비와의 호환성 점검 및 데이터 송수신 시험을 위해 이미 상용화된 NMEA 2000 장비들을 연결해 NMEA 2000 네트워크를 구성하고 ML401보드의 동작을 확인하였다.
- NMEA 2000 네트워크에 접속하기 위해 ML401보드에 CAN IP와 NMEA 2000 스택을 탑재하고 탱크와 엔진의 더미 데이터를 발생시켜 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 장비처럼 인식되도록 구성하였다. 다른 장비와의 호환성 점검 및 데이터 송수신 시험을 위해 이미 상용화된 NMEA 2000 장비들을 연결해 NMEA 2000 네트워크를 구성하고 ML401보드의 동작을 확인하였다. 현재 해양장비간의 전기적 인터페이스 및 데이터 통신 프로토콜인 NMEA 0183 네트워크와의 접속을 위해 별도의 UART 포트를 추가로 구성하여 NMEA 0183 데이터를 수신할 수 있도록 설정하고 수신된 데이터를 NMEA 2000 데이터 형태로 변환하는 게이트웨이 기능을 구현하였다.
- 다른 장비와의 호환성 점검 및 데이터 송수신 시험을 위해 이미 상용화된 NMEA 2000 장비들을 연결해 NMEA 2000 네트워크를 구성하고 ML401보드의 동작을 확인하였다. 현재 해양장비간의 전기적 인터페이스 및 데이터 통신 프로토콜인 NMEA 0183 네트워크와의 접속을 위해 별도의 UART 포트를 추가로 구성하여 NMEA 0183 데이터를 수신할 수 있도록 설정하고 수신된 데이터를 NMEA 2000 데이터 형태로 변환하는 게이트웨이 기능을 구현하였다. 수신 및 변환된 NMEA 2000 데이터는 데이터 분석 및 변환된 데이터의 오류검증을 위해 FPGA 내에서 USB, Ethernet, UART를 이용하여 PC로 실시간 전송된다.
- 수신 및 변환된 NMEA 2000 데이터는 데이터 분석 및 변환된 데이터의 오류검증을 위해 FPGA 내에서 USB, Ethernet, UART를 이용하여 PC로 실시간 전송된다. PC에서의 데이터 분석 및 디스플레이를 위해 NMEA 2000 모니터링 프로그램을 GUI형태로 제작하였으며 이를 통해 구현한 게이트웨이의 성능을 검증하였다.
- 하드웨어의 설정을 위해 별도의 VHDL 코드 조작 없이도 하드웨어의 논리 구성 및 물리 구성이 가능한 XPS (Xilinx Platform Studio)를 사용해 구성하였다. 데이터 송수신 및 실시간 처리를 위해 각 통신 IP와 MicoroBlaze를 PLB (Processor Local Bus)로 연결하였다[9].
- 하드웨어의 설정을 위해 별도의 VHDL 코드 조작 없이도 하드웨어의 논리 구성 및 물리 구성이 가능한 XPS (Xilinx Platform Studio)를 사용해 구성하였다. 데이터 송수신 및 실시간 처리를 위해 각 통신 IP와 MicoroBlaze를 PLB (Processor Local Bus)로 연결하였다[9]. 메모 리와 논리요소를 컨트롤하는 소프트웨어 코어인 MicroBlaze를 중심으로 통신 IP (Intellectual Property)들을 개발보드에 탑재하였다.
- Figure 3은 FPGA 내에 구성된 MicroBlaze 와 통신 IP들의 개략적인 연결 모습을 나타낸 것이다. NMEA 2000 네트워크는 CAN IP와 연결하고 NMEA 0183 네트워크 UART IP와 연결하였다. NMEA 0183 네트워크와 NMEA 2000 네트워크로부터 수신된 데이터는 FPGA 내에서 UART, USB, Ethernet형태로 변환되고 변환된 데이터의 확인을 위해 PC로 내보내져야 한다.
- 개발보드와 각 네트워크의 연결을 위해 통신 속도 설정이 필요하다. NMEA 2000 네트워크에 연결되는 CAN IP의 통신 속도를 250 Kbps로 설정하고 NMEA 0183 네트워크에 연결되는 UART IP의 통신 속도를 4800 bps로 설정하였다. 개발보드와 PC의 Ethernet, UART, USB 포트로 연결한 통신 속도는 각각 100Mbps, 115,200bps, 480 Mbps (High-speed)로 설정하였다.
- NMEA 2000 네트워크에 연결되는 CAN IP의 통신 속도를 250 Kbps로 설정하고 NMEA 0183 네트워크에 연결되는 UART IP의 통신 속도를 4800 bps로 설정하였다. 개발보드와 PC의 Ethernet, UART, USB 포트로 연결한 통신 속도는 각각 100Mbps, 115,200bps, 480 Mbps (High-speed)로 설정하였다.
- 앞서 설정한 게이트웨이가 NMEA 2000 네트워크 장비로 인식되어 주고받는 NMEA 2000 프로토콜 데이터를 분석해야 하므로 데이터를 주고받기 위한 샘플 데이터가 필요하다. 이를 위해 Table 2와 같이 탱크와 엔진의 상태를 나타내는 PGN 값들을 FPGA에서 발생하도록 설정하였다. NMEA 2000 표준에서는 각각의 장비의 특성에 맞게 일정 시간에 따라 데이터가 발생되도록 규정하고 있는데 탱크는 2.
- 1초마다 발생하도록 정의되고 있다[8]. 본 논문에서는 개발보드에 실제 탱크와 엔진의 센서를 연결하여 데이터를 발생하는 것이 아니므로 FPGA내에서 더미 데이터가 발생되도록 설정하였다.
- 기본적으로 CAN, Ethernet, UART, USB IP를 FPGA에 탑재하고 각 통신에 대한 초기설정을 마쳤다. NMEA 2000 프로토콜과 다른 프로토콜과의 변환을 위해 위 통신들에 대한 각각의 작업을 스레드로 정의한 뒤 NMEA 2000 프로토콜 스택을 정의하였다. NMEA 2000 네트워크로의 접속 및 다른 장비와의 통신을 위한 SA를 확정하기 위해 NMEA 2000 네트워크 상에서 개발보드의 SA를 설정한 다음 다른 프로토콜의 수신 인터럽트가 발생할 때까지 IDLE 상태로 대기하도록 설정하였다.
- NMEA 2000 프로토콜과 다른 프로토콜과의 변환을 위해 위 통신들에 대한 각각의 작업을 스레드로 정의한 뒤 NMEA 2000 프로토콜 스택을 정의하였다. NMEA 2000 네트워크로의 접속 및 다른 장비와의 통신을 위한 SA를 확정하기 위해 NMEA 2000 네트워크 상에서 개발보드의 SA를 설정한 다음 다른 프로토콜의 수신 인터럽트가 발생할 때까지 IDLE 상태로 대기하도록 설정하였다. 이때 각 통신의 PHY에 데이터가 수신되어 인터럽트가 발생하게 되면 각 통신 프로토콜에 맞는 변환이 진행되도록 설정하였다.
- 선박 운항 및 항해 데이터의 경우 FPGA내에서 다른 프로토콜로 변환하여 다른 네트워크로 전송하면 되지만 요구 및 응답 데이터의 경우는 FPGA를 탱크와 엔진 정보를 발생하는 장치로 설정하였기 때문에 변환 과정 외 추가 적으로 NMEA 2000 네트워크의 요청에 반응하여 응답해야 한다. 이 과정을 위해 NMEA 2000 데이터를 분석하는 함수를 FPGA 내에 두고 CAN PHY를 통해 수신된 NMEA 2000 데이터를 두 분류로 구분하여 처리하도록 하였다. 이 작업을 통해 분석이 끝난 NMEA 2000 데이터는 발생된 시간의 구분을 위해 그 데이터 패킷에 타임스탬프가 추가되도록 설정하였다.
- 이 작업을 통해 분석이 끝난 NMEA 2000 데이터는 발생된 시간의 구분을 위해 그 데이터 패킷에 타임스탬프가 추가되도록 설정하였다. USB와 Ethernet 프로토콜로 변환하기 위해 각 통신의 헤더와 체크섬 (Check sum)을 붙이고 각 통신의 PHY를 통해 PC로 전송하도록 하였다. NMEA 0183 프로토콜은 그 특성상 네트워크의 요청에 응답할 필요가 없으므로 수신만 하도록 설정하였고, FPGA의 UART PHY를 통해 수신한 데이터를 NMEA 2000 프로토콜로 변환한 후 데이터의 분석 과정과 변환 과정을 수행하여 처리되도록 하였다.
- USB와 Ethernet 프로토콜로 변환하기 위해 각 통신의 헤더와 체크섬 (Check sum)을 붙이고 각 통신의 PHY를 통해 PC로 전송하도록 하였다. NMEA 0183 프로토콜은 그 특성상 네트워크의 요청에 응답할 필요가 없으므로 수신만 하도록 설정하였고, FPGA의 UART PHY를 통해 수신한 데이터를 NMEA 2000 프로토콜로 변환한 후 데이터의 분석 과정과 변환 과정을 수행하여 처리되도록 하였다. Figure 4는 NMEA 2000 데이터가 변환되는 과정을 나타낸 것으로 각 통신의 PHY와 통신 변환과정에서 추가되는 정보를 나타낸 것이다.
- 변환된 NMEA 2000 데이터의 검증을 위하여 C++ 기반의 모니터링 프로그램을 개발하였다. NMEA 2000 모니터링 프로그램은 PC에 수신된 USB, Ethernet, RS232 데이터의 패킷을 분석하고 패킷 내 NMEA 2000 데이터를 추출하여 그래픽 형태로 나타낸다.
- FPGA에서 변환된 데이터와 생성된 데이터의 검증을 위해 Figure 6과 같이 NMEA 2000 네트워크를 구성하였다. NMEA 2000 네트워크 백본에 이미 상용화 제품인 GPS, 수심/수온/속도 측정기, 풍향풍속계 장착하였다. FPGA의 CAN 포트를 통해 NMEA 2000 네트워크에 연결하고 UART 포트를 통해 NMEA 0183기반의 장비에 연결한다.
- FPGA의 CAN 포트를 통해 NMEA 2000 네트워크에 연결하고 UART 포트를 통해 NMEA 0183기반의 장비에 연결한다. 그 외 별도로 추가시켰던 USB, Ethernet, UART 포트를 통해 PC에 연결하고 PC의 모니터링 프로그램을 통해 네트워크의 연결 여부 및 데이터 수신 상태를 점검하였다.
- 개발보드에서 PC로 연결된 USB, Ethernet, UART 포트와의 연결을 확인하기 위해 USB와 Ethernet의 경우 USB trace, Ethernet trace 프로그램을 사용하여 확인하고 UART의 경우 하이퍼 터미널을 사용하여 확인하였다. Figure 7은 PC에서 개발보드의 USB장치를 인식한 모습으로 개발보드가 USB 휴먼 인터페이스 장치로 등록되어 FPGA2라는 개발보드의 위치 정보가 PC에서 인지되고 있음을 나타낸다.
- 본 논문에서는 MicroBlaze를 중심으로 다양한 통신 IP를 XPS를 이용해 FPGA 보드 상에 탑재하였고 PC와의 연결을 위해 추가적인 장치들을 구성하였다. NMEA 2000 표준을 준수하기 위해 NMEA 2000 스택을 FPGA에 탑재하였고 NMEA 2000 프로토콜을 USB, RS232, Ethernet로 변환하기 위한 알고리즘을 SoC 형태로 구현하였다.
- 본 논문에서는 MicroBlaze를 중심으로 다양한 통신 IP를 XPS를 이용해 FPGA 보드 상에 탑재하였고 PC와의 연결을 위해 추가적인 장치들을 구성하였다. NMEA 2000 표준을 준수하기 위해 NMEA 2000 스택을 FPGA에 탑재하였고 NMEA 2000 프로토콜을 USB, RS232, Ethernet로 변환하기 위한 알고리즘을 SoC 형태로 구현하였다. NMEA 2000 장비로서의 호환성과 성능 검증을 위하여 상용 제품을 이용해 NMEA 2000 네트워크를 구축하였고 발생한 데이 터와 변환된 데이터들을 확인하기 위해 PC 기반의 모니터링 프로그램을 제작하였다.
- NMEA 2000 표준을 준수하기 위해 NMEA 2000 스택을 FPGA에 탑재하였고 NMEA 2000 프로토콜을 USB, RS232, Ethernet로 변환하기 위한 알고리즘을 SoC 형태로 구현하였다. NMEA 2000 장비로서의 호환성과 성능 검증을 위하여 상용 제품을 이용해 NMEA 2000 네트워크를 구축하였고 발생한 데이 터와 변환된 데이터들을 확인하기 위해 PC 기반의 모니터링 프로그램을 제작하였다. PC와 개발보드의 연결 여부를 트레이스 프로그램과 하이퍼터미널을 통해 확인하였고 제작한 PC 기반의 모니터링 프로그램을 통해 FPGA가 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 NMEA 2000 장비로써 인식되고 있음을 확인하였다.
- PC와 개발보드의 연결 여부를 트레이스 프로그램과 하이퍼터미널을 통해 확인하였고 제작한 PC 기반의 모니터링 프로그램을 통해 FPGA가 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 NMEA 2000 장비로써 인식되고 있음을 확인하였다. FPGA에서 발생한 데이터, NMEA 2000 네트워크에서 변환된 데이터를 GUI 형태로 모니터링 프로그램에 나타내고 송수신 상태를 확인하고 게이트웨이로써의 성능을 검증하였다. 향후 본 논문에서 구현한 게이트웨이를 이용해 소형선박에만 적용중인 NMEA 2000을 대형선박에 적용하기 위해 실제 선박과 같은 환경에서 실험하고 보완점을 찾아나가야 할 것이다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용해 여러 프로토콜을 수용할 수 있는 NMEA 2000 기반의 게이트웨이를 구현하였다. 이를 위해 Xilinx사의 vertex4를 탑재한 ML401보드를 사용하였다. 다른 네트워크와의 통신을 위해 UART, USB, CAN, Ethernet IP(Intellectual Property)를 FPGA에 탑재하고 표준에서 요구되는 통신 속도를 준수하도록 설정하였다.
- 하지만 개발보드에는 CAN 포트가 없고 시리얼 포트도 한 개만 제공하므로 추가적인 구성이 필요하다. MCP2551칩을 중심으로 캔 포트를 구성하고 MAX232칩을 중심으로 시리얼 포트를 추가 구성하였다.
- FPGA에서 변환된 데이터와 생성된 데이터의 검증을 위해 Figure 6과 같이 NMEA 2000 네트워크를 구성하였다. NMEA 2000 네트워크 백본에 이미 상용화 제품인 GPS, 수심/수온/속도 측정기, 풍향풍속계 장착하였다.
- NMEA 2000 네트워크에 연결된 장비들의 정보를 확인하기 위해 요청 PGN인 PGN 59904를 활용하여 실험하였다. PGN 59904는 NAME 필드에 PGN 60928, PGN 126464, PGN 12996, PGN 126998을 포함할 수 있으며 PGN 59904를 수신한 장비는 NAME 필드에 포함된 PGN으로써 응답하여야 한다.
성능/효과
- 0B를 기반으로 하므로 확장 ID포맷을 사용한다. 두 형식의 가장 큰 차이점은 중재필드(Arbitration field) 크기의 차이로 확장 포맷이 32비트로 기본 포맷보다 18비트가 더 크다. Figure 1은 CAN 확장 ID포맷의 메시지 프레임과 NMEA 2000의 ID의 구조를 나타낸 것으로 괄호 안의 숫자는 각 해당 부분의 비트 사이즈를 나타낸다.
- Figure 10은 송수신되는 Ethernet 데이터를 trace 프로그램을 통해 나타낸 모습이다. 프로그램을 소스인 10.10.70.101로부터 목적지인 10.10.70.100으로 1001 포트를 사용해 데이터가 수신되는 것과 PC와 개발보드가 접속에 성공하였음을 확인하였다.
- Figure 12는 모니터링 프로그램으로 네트워크에 연결된 장비들에서 발생되는 NMEA 2000 프로토콜 데이터를 그래픽 형태로 나타낸 것이다. 이 프로그램을 통해 FPGA에서 발생한 탱크 데이터와 엔진 데이터뿐만 아니라 NMEA 2000 네트워크에 연결된 장치들의 정보를 그래픽 형태로 확인할 수 있다. Figure 12의 (a)는 FPGA에서 발생한 탱크와 엔진 더미 데이터가 변환 과정 후 자신의 고유 값을 나타내고 있으며, Figure 12의 (b)는 FPGA에서 발생한 정보 외 NMEA 2000 네트워크에 물려 있는 GPS와 풍향풍속계 등의 장비들의 데이터 값이 나타내지고 있다.
- 본 논문에서 구현한 게이트웨이의 제조자 코드는 NMEA 협회에 등록된 345로 NMEA 2000 모니터링 프로그램을 통해 FPGA가 NMEA 2000 네트워크에서 생산자 코드 345로 인식되고 있음을 확인하였다. 분류 코드는 50으로 앞 절에서 설명한 바와 같이 FPGA가 추진 시스템임을 확인 할 수 있다[7, 12].
- FPGA의 펑션 코드는 130으로써 엔진 모니터링 기반의 장비임을 보여주고 있다. PC 모니터링 프로그램을 통해 NMEA 2000 네트워크에 접속되어 엔진과 탱크의 데이터를 정기적으로 발생하는 장비로써 인식되고 있음을 확인하였고 NMEA 2000 데이터가 USB, UART, Ethernet 의 다른 데이터로 변환이 되고 있음을 확인하였다.
- NMEA 2000 장비로서의 호환성과 성능 검증을 위하여 상용 제품을 이용해 NMEA 2000 네트워크를 구축하였고 발생한 데이 터와 변환된 데이터들을 확인하기 위해 PC 기반의 모니터링 프로그램을 제작하였다. PC와 개발보드의 연결 여부를 트레이스 프로그램과 하이퍼터미널을 통해 확인하였고 제작한 PC 기반의 모니터링 프로그램을 통해 FPGA가 NMEA 2000 네트워크에서 하나의 NMEA 2000 장비로써 인식되고 있음을 확인하였다. FPGA에서 발생한 데이터, NMEA 2000 네트워크에서 변환된 데이터를 GUI 형태로 모니터링 프로그램에 나타내고 송수신 상태를 확인하고 게이트웨이로써의 성능을 검증하였다.
후속연구
- FPGA에서 발생한 데이터, NMEA 2000 네트워크에서 변환된 데이터를 GUI 형태로 모니터링 프로그램에 나타내고 송수신 상태를 확인하고 게이트웨이로써의 성능을 검증하였다. 향후 본 논문에서 구현한 게이트웨이를 이용해 소형선박에만 적용중인 NMEA 2000을 대형선박에 적용하기 위해 실제 선박과 같은 환경에서 실험하고 보완점을 찾아나가야 할 것이다.
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