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문제 정의
- 본 논문에서는 지역지진재해방지시스템(LEDPS) 개발을 위해 MEMS 가속도 센서 기반의 지진 데이터 취득 시스템(SDAS; Seismic Data Acquisition System)을 설계ㆍ구현한다. 제안한 SDAS는 인구밀집지역을 대상으로 하는 LEDPS 에 적합하도록 저비용의 MEMS형 가속도 센서와 FPGA 및 ARM 프로세서로 구성된 Verilog HDL(Hardware Description Language) 기반의 임베디드형 데이터 취득 시스템이다.
제안 방법
- LPF 필터를 통과한 각 축 데이터는 UART 프로토콜을 이용한 외부장치로의 전송을 위해 아스키(ASCII) 코드를 사용하게 되는데 이를 위해 ‘BCD’ 변환기(binary coded decimal converter), ‘ASCII’ 변환기, 그리고 RS-232C 송신기를 Verilog HDL 기반으로 설계하였다. BCD 변환기는 2진수 4자리를 10진수 0 ～ 9에 대응하도록 하며 본 설계에서는 표 1과 같은 방법을 사용하여 설계하였다. ASCII 모듈은 BCD 변환된 2진수 형태의 가속도 데이터와 그 외 데이터 구분을 위한 정보들을 ASCII 코드로 변환하여 UART로 전송하므로, 여기서 사용되는 ASCII 코드값은 10진수 0 ～9 사이의 가속도 데이터와 각 축의 데이터 구분을 위한 특수문자에 해당하는 몇 가지 ACII 코드값 만을 사용한다.
- LPF 필터를 통과한 각 축 데이터는 UART 프로토콜을 이용한 외부장치로의 전송을 위해 아스키(ASCII) 코드를 사용하게 되는데 이를 위해 ‘BCD’ 변환기(binary coded decimal converter), ‘ASCII’ 변환기, 그리고 RS-232C 송신기를 Verilog HDL 기반으로 설계하였다.
- 그림 9는 I2C 프로토콜 모듈의 ModelSim 시뮬레이션 결과이다. MEMS 가속도 센서 MMA8451Q의 출력신호를 모델링하여 입력으로 사용한 테스트벤치를 생성하여 확인하였다. x, y, z축의 데이터 각 1샘플의 취득 결과를 보이고 있다.
- 먼저 ModelSim을 이용한 시뮬레이션에서는 중요 모듈인 I2C 프로토콜 모듈과 Frame Sync 프로토콜 모듈에 대해 설계된 각 모듈 간 데이터 통신이 정확히 이루어지는지를 평가하였다. 두 번째로 가진기를 이용한 데이터 취득 성능평가에서는 그림 8에서 보이는 PCB로 제작한 제안 시스템을 가진기에 장착하여 취득된 데이터에 대해 시간영역과 주파수 영역에서 비교ㆍ평가하였다. ModelSim 시뮬레이션을 위해 테스트벤치(testbench)에서 사용한 입력 데이터의 샘플링 주파수는 100Hz이며 데이터 취득성능 평가를 위해 가진기를 이용한 실험에 사용한 실제 지진신호는 2004년 일본 니카타에서 발생한 규모 6.
- 1f를 사용한 시뮬레이션을 수행하였고 실제 지진파와 동일한 진동을 만들어내는 San-Esu사의 가진기(SSV-125L)를 활용한 실험환경을 구축하여 설계에 사용된 MEMS 센서의 기존 센서 대체 가능성과 전체 시스템의 데이터 취득 성능을 평가하였다. 먼저 ModelSim을 이용한 시뮬레이션에서는 중요 모듈인 I2C 프로토콜 모듈과 Frame Sync 프로토콜 모듈에 대해 설계된 각 모듈 간 데이터 통신이 정확히 이루어지는지를 평가하였다. 두 번째로 가진기를 이용한 데이터 취득 성능평가에서는 그림 8에서 보이는 PCB로 제작한 제안 시스템을 가진기에 장착하여 취득된 데이터에 대해 시간영역과 주파수 영역에서 비교ㆍ평가하였다.
- 본 논문에서는 지역지진재해방지시스템 개발을 위해 먼저 MEMS형 가속도 센서를 이용한 지진 데이터 취득 시스템(SDAS; Seismic Data Acquisition System)을 설계하였다. 설계된 시스템은 FPGA(Cyclone II) 및 ARM(Cortex-M3) 기반의 임베디드 시스템으로 제작하고 Verilog HDL 및 C언어를 사용하여 설계된 개별 모듈을 구현하였다.
- 외부 장치와의 정확한 데이터 통신을 위해 BCD 변환이 끝남을 알리는 신호에 동기시켜 보 레이트(Baud rate) 클럭을 생성하고 ASCII 모듈의 출력은 RS232C 송신기 모듈을 통해 보 레이트에 맞춰 전송한다. 본 설계의 RS232C 송신기 모듈에서는 패리티 비트를 사용하지 않고 115,200bps의 속도로 전송하도록 하였다. BCD 변환이 끝남을 알리는 신호에 동기시켜보 레이트(Baud rate) 클럭을 생성하고 ASCII 모듈의 출력은 RS232C 송신기 모듈을 통해 보 레이트에 맞춰 외부장치로 전송한다.
- 본체에는 14bit 디지털 출력을 갖는 MEMS형 3축 주 가속도 센서가 위치한다. 본체는데이터 취득 및 외부 유무선 통신을 위한 제어/연산 모듈(module), 그리고 주변 시설물 제어 모듈이 Verilog HDL로 설계되어 있는 FPGA기반의 연산/제어부와 FPGA에서 실시간 취득한 데이터를 전송받아 진도를 산출하고 파형 및 진도를 그래픽 LCD에 나타내기 위한 ARM 프로세서 기반의 표시부로 구성된다. 반면 보조 시스템은 MEMS형 3축 보조가속도 센서를 장착한 2개의 보조 가속도 센서부와 정확한 시간동기를 위해 GPS 수신 모듈을 장착한 GPS 수신부로총 3개의 보조 시스템으로 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 지역지진재해방지시스템 개발을 위해 먼저 MEMS형 가속도 센서를 이용한 지진 데이터 취득 시스템(SDAS; Seismic Data Acquisition System)을 설계하였다. 설계된 시스템은 FPGA(Cyclone II) 및 ARM(Cortex-M3) 기반의 임베디드 시스템으로 제작하고 Verilog HDL 및 C언어를 사용하여 설계된 개별 모듈을 구현하였다. 제안한 SDAS의 설계된 주요 단위 모듈(I2C 프로토콜 모듈, Frame Sync 프로토콜 모듈)들의 성능을 ModelSim을 이용한 시뮬레이션을 통해 검증하고 이외 모듈은 하드웨어로 구현된 시스템 전체에 대해 실제 지진과 동일한 진동을 발생 시키는 가진기(SSV-125L)를 활용하여 데이터 취득성능을 평가ㆍ분석 하였다.
- 그림 2는 설계한 지진 데이터 취득 시스템(SDAS; Seismic Data Acquisition System)의 구성도를 나타내고 있다. 설계한 시스템은 FPGA 및 ARM 프로세서를 기반으로 하는 본체(main system)와 AVR 기반의 별도의 보조 시스템(sub-system)으로 구성된다. 본체에는 14bit 디지털 출력을 갖는 MEMS형 3축 주 가속도 센서가 위치한다.
- FPGA에서 수집된 데이터는 Frame Sync 프로토콜을 사용 하여 ARM으로 전송된다. 수신 모듈을 ARM(Cortex-M3)에서 구현하기 위해 외부 인터럽트(External Interrupt)를 이용 하였다. ARM 프로세서가 LCD 구동 등 다른 동작을 하는 도중에도 인터럽트가 걸리면 해당 인터럽트를 먼저 처리하게 되므로 항상 FPGA로부터 전송되는 가속도 데이터를 정확하게 받을 수 있다.
- 수집된 지진 데이터의 파형 및 진도를 실시간으로 LCD 에 표현하기 위해 ARM 프로세서를 사용하였다. 설계한 시스템에서 FPGA에서 ARM으로의 데이터 송신 시 14비트 X, Y, Z축 데이터를 모두 전송해야 한다.
- 본 논문에서는 지역지진재해방지시스템(LEDPS) 개발을 위해 MEMS 가속도 센서 기반의 지진 데이터 취득 시스템(SDAS; Seismic Data Acquisition System)을 설계ㆍ구현한다. 제안한 SDAS는 인구밀집지역을 대상으로 하는 LEDPS 에 적합하도록 저비용의 MEMS형 가속도 센서와 FPGA 및 ARM 프로세서로 구성된 Verilog HDL(Hardware Description Language) 기반의 임베디드형 데이터 취득 시스템이다. 설계에 사용된 MEMS형 센서는 최대 800Hz 샘플링이 가능하며 14bit 디지털 출력을 갖는 3축 MEMS(micro electro mechanical systems)형 가속도 센서이다.
- 그림 5는 설계한 ‘LPF(low pass filter)’ 모듈의 블록도이다. 취득된 가속도 데이터의 고주파 잡음(high frequency noise)의 제거를 위해 35Hz의 차단주파수(cutoff frequency) 를 갖는 31차 FIR(finite impulse response) LPF 모듈을 설계하였다. 또한 설계된 LPF 모듈의 크기를 줄이기 위해 하나의 곱셈기(multiplier)를 설계하고 시분할(time sharing) 방식을 사용하였다.
대상 데이터
- Mitutoyo사의 V405-BR로서 단일 축 성분을 측정할 수 있고, DC～400Hz의 주파수 측정범위, ±30.0m/s2 (±3G)의 가속도 측정범위를 가지며, 일본 기상청에서 검정기준을 만족한 아날로그 기준 센서(reference sensor)와 센서에서 측정한 신호의 취득을 위해 24bit, 동적범위(dynamic range)가 110dB인 데이터 로거로 구성된다.
- 두 번째로 가진기를 이용한 데이터 취득 성능평가에서는 그림 8에서 보이는 PCB로 제작한 제안 시스템을 가진기에 장착하여 취득된 데이터에 대해 시간영역과 주파수 영역에서 비교ㆍ평가하였다. ModelSim 시뮬레이션을 위해 테스트벤치(testbench)에서 사용한 입력 데이터의 샘플링 주파수는 100Hz이며 데이터 취득성능 평가를 위해 가진기를 이용한 실험에 사용한 실제 지진신호는 2004년 일본 니카타에서 발생한 규모 6.8과 일본 코베지역에서 발생한 규모 7.2의 강진 신호이다.
- I2C 프로토콜에서 한데이터 패킷은 8bit인데 설계한 SDAS에서 사용한 MEMS 형 가속도 센서(MMA8451Q)의 출력은 14bit이다. 따라서 14bit를 MSB와 LSB부분으로 나누어서 8bit씩 16bit 전송후 하위 14bit 데이터를 취득하였다. 그림 9에서 보면 1.
- 설계한 시스템은 FPGA 및 ARM 프로세서를 기반으로 하는 본체(main system)와 AVR 기반의 별도의 보조 시스템(sub-system)으로 구성된다. 본체에는 14bit 디지털 출력을 갖는 MEMS형 3축 주 가속도 센서가 위치한다. 본체는데이터 취득 및 외부 유무선 통신을 위한 제어/연산 모듈(module), 그리고 주변 시설물 제어 모듈이 Verilog HDL로 설계되어 있는 FPGA기반의 연산/제어부와 FPGA에서 실시간 취득한 데이터를 전송받아 진도를 산출하고 파형 및 진도를 그래픽 LCD에 나타내기 위한 ARM 프로세서 기반의 표시부로 구성된다.
- 제안한 시스템에서 가속도 센서는 본체에 위치한 주 가속도 센서 1개와 보조 시스템용 보조 가속도 센서 2개를 사용한다. 본체와 분리된 2개의 서로 다른 보조 가속도 센서를 통해 취득된 데이터는 Zigbee 통신모듈을 사용하여 본체로 전송된다. 전송된 보조 센서 데이터는 본체(주 가속도 센서) 에서 진동이 감지되었을 때, 그 진동이 지진에 의한 것인지 인위적인 잡음인지를 판단하기 위해 사용된다.
- 그림 11 ～ 그림 13은 실제 지진신호와 동일한 진동을 만들어주는 San-Esu사의 SSV-125L을 사용하여 설계ㆍ제작한 SDAQ의 데이터 취득 성능을 평가한 결과이다. 사용한 실제 지진신호는 일본 니카타 지진(규모 6.8)과 고베 지진(규모 7.2)이다. SDAQ의 데이터 취득 성능 비교를 위해 사용된 가진기의 데이터 취득시스템 구성은 다음과 같다.
- 그림 3은 본체의 FPGA내에 Verilog HDL기반으로 설계된 각 모듈을 보이고 있다. 설계된 주요 모듈은 가속도 센서로부터 측정된 데이터의 취득, 전처리(저역통과필터링) 그리고 ARM 프로세서 및 외부 장치와의 데이터 전송 모듈로 구성된다.
- 제안한 SDAS는 인구밀집지역을 대상으로 하는 LEDPS 에 적합하도록 저비용의 MEMS형 가속도 센서와 FPGA 및 ARM 프로세서로 구성된 Verilog HDL(Hardware Description Language) 기반의 임베디드형 데이터 취득 시스템이다. 설계에 사용된 MEMS형 센서는 최대 800Hz 샘플링이 가능하며 14bit 디지털 출력을 갖는 3축 MEMS(micro electro mechanical systems)형 가속도 센서이다. 제안한 SDAS의 성능평가를 위해 실제 지진파와 동일한 진동을 만들어내는 San-Esu사의 가진기(exciter), SSV-125L를 활용 하여 데이터를 취득하고 시간 및 주파수 영역에서 측정된 신호의 특성을 기존 관측용 센서와 비교ㆍ분석한다.
- Fsync는 전체 시스템을 위한 샘플링 주파수(100Hz)로서 가속도 센서에서 데이터를 가져오는 기준 클럭으로 사용되고, Fsync의 한 클럭 마다 14bit 크기를 갖는 하나의 가속도 데이터 샘플값이 전송된다. 설계한 시스템에서 Fsync와 sclk의 주기는 각각 10msec(100Hz)와 0.1msec(10KHz)이다. 따라서 Fsync의 주기마다 최대 100bit, 즉 10Kbps 전송이 가능하고 마지막 bit 인 LSB를 보내고 나면 데이터 라인에 Low를 출력하여 데이터 전송 끝을 알린다.
- 제안한 시스템에서 가속도 센서는 본체에 위치한 주 가속도 센서 1개와 보조 시스템용 보조 가속도 센서 2개를 사용한다. 본체와 분리된 2개의 서로 다른 보조 가속도 센서를 통해 취득된 데이터는 Zigbee 통신모듈을 사용하여 본체로 전송된다.
- 그림 11의 (a)와 (b)는 각각 니카타 지진과 고베 지진에 대해 기준 센서와 SDAS가 취득한 X(EW)축에 대한 시간 영역의 파형을 보이고 있다. 취득된 데이터는 DC 성분만을 제거했으며 설계한 저역통과 필터 모듈을 활성화 하지 않고 취득한 데이터이다. 니카타 지진에서 기준 센서와 SDAS에서 취득한 최대 가속도 값은 각각 680.
데이터처리
- 제안한 SDAS에 대해 설계된 단위 모듈의 유효성 검증을 위해 ModelSim SE 6.1f를 사용한 시뮬레이션을 수행하였고 실제 지진파와 동일한 진동을 만들어내는 San-Esu사의 가진기(SSV-125L)를 활용한 실험환경을 구축하여 설계에 사용된 MEMS 센서의 기존 센서 대체 가능성과 전체 시스템의 데이터 취득 성능을 평가하였다. 먼저 ModelSim을 이용한 시뮬레이션에서는 중요 모듈인 I2C 프로토콜 모듈과 Frame Sync 프로토콜 모듈에 대해 설계된 각 모듈 간 데이터 통신이 정확히 이루어지는지를 평가하였다.
- 설계된 시스템은 FPGA(Cyclone II) 및 ARM(Cortex-M3) 기반의 임베디드 시스템으로 제작하고 Verilog HDL 및 C언어를 사용하여 설계된 개별 모듈을 구현하였다. 제안한 SDAS의 설계된 주요 단위 모듈(I2C 프로토콜 모듈, Frame Sync 프로토콜 모듈)들의 성능을 ModelSim을 이용한 시뮬레이션을 통해 검증하고 이외 모듈은 하드웨어로 구현된 시스템 전체에 대해 실제 지진과 동일한 진동을 발생 시키는 가진기(SSV-125L)를 활용하여 데이터 취득성능을 평가ㆍ분석 하였다. 획득된 지진 데이터의 시간-주파수영역 특성 분석을 통해 설계ㆍ구현한 SDAS의 데이터 취득 성능이 지진 에너지의 대부분이 분포되어 있는 0.
- 설계에 사용된 MEMS형 센서는 최대 800Hz 샘플링이 가능하며 14bit 디지털 출력을 갖는 3축 MEMS(micro electro mechanical systems)형 가속도 센서이다. 제안한 SDAS의 성능평가를 위해 실제 지진파와 동일한 진동을 만들어내는 San-Esu사의 가진기(exciter), SSV-125L를 활용 하여 데이터를 취득하고 시간 및 주파수 영역에서 측정된 신호의 특성을 기존 관측용 센서와 비교ㆍ분석한다. 본 논문에서는 LEDPS의 여러 기능 중 지진 데이터 획득 시스템의 설계와 구현으로 주제를 제한한다.
이론/모형
- 또한 취득된 지진 데이터의 샘플링 주파수는 100Hz로 빠른 데이터 전송이 요구되지 않는다. 따라서 효율적인 구현을 위해 직렬 통신 방식 중 하나인 Frame Sync를 사용하여 데이터를 전송하였다. 그림 6은 설계한 Frame Sync 송신모듈의 블록도를 나타낸다.
- 취득된 가속도 데이터의 고주파 잡음(high frequency noise)의 제거를 위해 35Hz의 차단주파수(cutoff frequency) 를 갖는 31차 FIR(finite impulse response) LPF 모듈을 설계하였다. 또한 설계된 LPF 모듈의 크기를 줄이기 위해 하나의 곱셈기(multiplier)를 설계하고 시분할(time sharing) 방식을 사용하였다. 그림 5의 ‘Lowpass Filter' 모듈에 입력되는 14bit 가속도 데이터와 설계한 필터 계수와의 콘볼루션 연산은 샘플링 주파수에 비해 빠른 클럭을 이용하여‘Multiplier’를 활성화시켜 수행된다.
성능/효과
- (1)의 해상도는 수정 메르칼리 진도등급에서 각 각의 등급 구분뿐만 아니라 해당 등급을 소수점 첫째자리까지 세분화하기에 충분하다. 따라서 기존 지진 연구ㆍ관측용 가속도센서를 대체할 목적으로 선정한 MMA8451Q는 제안한 방재목적시스템 개발에 적용 가능하다.
- 5Hz～20Hz 대역에 분포하고 있다. 0.5Hz 이하 저주파 대역과 20Hz이상의 고주파 대역을 제외한 0.5Hz～20Hz 대역 내에서 제안한 SDAS의 데이터 취득성능은 기존 지진 센서(V405-BR)를 사용하는 검정 시스템(가진 기)과 유사함을 알 수 있다.
- 제안한 LEDPS 시스템에서 지진 데이터 취득을 위해 사용한 MEMS형 3축 가속도 센서는 Freescale사의 MMA8451Q이며 14bit 디지털 출력과 99μg/ Hz 의 잡음특성을 갖는다, MMA8451Q는 내부의 레지스터의 값 설정에 따라 최대 800Hz까지의 ODR(Output Data Rate, 여기서 ODR은 전체 시스템의 가속도 데이터 취득 샘플링으로 볼 수 있다)이 가능하며 ±2G, ±4G, ±8G의 측정범위를 선택할 수 있다.
- i2c_data 레지스터에 센서 출력을 모델링한 입력 데이터가 저장되어 있다. 취득한 데이터(data_x_msb, data_x_lsb, data_y_msb, data_y_lsb, data_z_msb, data_z_lsb 레지스터)와 입력한 데이터(i2c_data 레지스터)를 비교해 보면 정확히 데이터를 취득해 오는 것을 알 수 있다. i2c_start 신호는 I2C 프로토콜 모듈의 1 샘플 데이터를 획득해오는 시작 신호로서 100Hz이다.
- 제안한 SDAS의 설계된 주요 단위 모듈(I2C 프로토콜 모듈, Frame Sync 프로토콜 모듈)들의 성능을 ModelSim을 이용한 시뮬레이션을 통해 검증하고 이외 모듈은 하드웨어로 구현된 시스템 전체에 대해 실제 지진과 동일한 진동을 발생 시키는 가진기(SSV-125L)를 활용하여 데이터 취득성능을 평가ㆍ분석 하였다. 획득된 지진 데이터의 시간-주파수영역 특성 분석을 통해 설계ㆍ구현한 SDAS의 데이터 취득 성능이 지진 에너지의 대부분이 분포되어 있는 0.5Hz～20Hz 대역에서 고가의 기존 관측용 아날로그 센서와 유사함을 입증 하였다. 실제 지진으로 인한 이차재해방지를 위해 고려되는 지진파는 0.
후속연구
- 5Hz ～15Hz 대역이므로 설계한 SDAS의 데이터 취득 성능은 이 범위의 지진신호 대역에서 유효함을 알 수 있다. 따라서 높은 데이터 취득성능이 요구되지 않는 생활 지역 내 지진방재시스템을 개발함에 있어 설계ㆍ구현한 SDAS 시스템의 적용이 유용할 것으로 본다.
- 제안한 SDAS의 성능평가를 위해 실제 지진파와 동일한 진동을 만들어내는 San-Esu사의 가진기(exciter), SSV-125L를 활용 하여 데이터를 취득하고 시간 및 주파수 영역에서 측정된 신호의 특성을 기존 관측용 센서와 비교ㆍ분석한다. 본 논문에서는 LEDPS의 여러 기능 중 지진 데이터 획득 시스템의 설계와 구현으로 주제를 제한한다.
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