[논문]FPGA를 이용한 무인기용 통신제어기 설계 및 구현

오경환; 심형식; 박대환; 나성웅

doi:10.5139/jksas.2012.40.5.454

FPGA를 이용한 무인기용 통신제어기 설계 및 구현
Design and implementation of Data Terminal Controller for UAV Using FPGA 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.5, 2012년, pp.454 - 460

오경환 (올제텍(주) 기술연구소) , 심형식 (올제텍(주) 기술연구소) , 박대환 (올제텍(주) 기술연구소) , 나성웅 (충남대학교 전자공학부)

초록
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무인기의 안정된 통신링크 보장을 위해 오류정정 및 시분할 다중화/역다중화 기능을 갖춘 통신제어기를 FPGA를 이용하여 개발하였다. 아울러 데이터링크의 실시간성을 보장하기 위해 RTOS인 VxWorks를 사용하였다. FPGA를 이용한 통신제어기의 설계는 다양한 입출력 장치의 수정 및 확장이 용이하며, S/W 설계 변경의 유연성을 제공하여 다양한 무인기 시스템에 쉽게 적용이 가능하도록 했다.

Abstract ▼ AI-Helper

DTC(Data Terminal Controller) for UAV has been developed using FPGA. It provides the functions of Error Correction and Time-division Mux/Demux for stable data-link. RTOS VxWorks also has been used for real-time control of data-link. FPGA Design of DTC facilitates the modification and extension of various I/O device, and VxWorks ensures real-time availability of data-link control and provides flexibilities of changes of S/W design. The DTC is expected to be deployed easily for various UAV systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 스마트무인기용[1] 통신제어기 개발에 관한 것으로 한국항공우주연구원이 개발을 주관하고 있다. FPGA와 RTOS를 사용하여 실시간성 확보 및 다양한 I/O 설계를 가능하게 함으로써 개발시 요구되는 무인체계운영을 보다 쉽게 수정 적용할 수 있도록 유연성을 제공한 통신제어기 개발에 대해 기술한다. 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문은 지식경제부 지원하에 한국항공우주연구원 주관의 21세기 프론티어 연구개발 사업으로 추진되는 ”스마트무인기 기술 개발”사업 중세부 과제인 “탑재/지상형 통신제어기 개발“과제로 수행된 것이다.

제안 방법

100Mbps Dual Ethernet을 지원하기 위해서 FPGA 내부의 Hard IP인 "hard_temac" 2개를 PLB에 연결하여 구성하고 송수신되는 데이터를 처리하기 위해서 FPGA 외부에 Transformer 와 PHY 칩을 장착하여 통신이 이루어지도록 하였다.
4는 통신제어기 시스템 구성요소 중 FPGA 내부 블럭도를 나타낸다. FPGA 내부의 PPC-405 core를 중심으로 각 장비들과 통신을 위한 IP와 개발된 User IP를 연결하여 FPGA를 구성하였다. 내부 데이터 버스는 PLB(Processor Local Bus) 및 OPB(On-Chip Peripheral Bus) 두 종류의 버스로 구성되어 있으며 여기에 SDRAM, Flash, PROM, IIC 컨트롤러, Ethernet Mac, VRT, DGNS 1PPS, DFCC, AUTR, AKDA, AKCA와 통신하기 위한 IP가 구성되어있다.
FPGA를 이용하여 무인기용 통신제어기를 개발하였다. 개발된 통신제어기는 Real-time OS인 VxWorks를 적용하여 실시간 통신링크를 보장하고 다양한 입출력 장치를 제공하여 체계요구에 따른 입출력 장치의 추가 및 수정을 용이하게 하였다.
설계된 I/O는 Ethernet 2개, RS-422 동기 및 비동기식 16채널, RS-232 2채널, 아날로그 2채널로 설계되었고 필요에 따라 쉽게 확장 가능하도록 했다. TC(Tele-Control) 및 TM(Tele-Message) 신호는 동기식 RS-422 방식이며, 기타 탑재장비는 비동기식 RS-422 및 VHF 음성신호는 아날로그 채널을 이용하도록 하였다. Ethernet 채널은 디버깅 및 자체 기능시험을 위하여 사용되며, 지상통신제어기 및 지상관제국간 TC/TM 통신에서도 이용된다.
개발된 통신제어기는 Real-time OS인 VxWorks를 적용하여 실시간 통신링크를 보장하고 다양한 입출력 장치를 제공하여 체계요구에 따른 입출력 장치의 추가 및 수정을 용이하게 하였다. 또한 통신링크의 신뢰성을 확보하기 위해 Convolution Encoding 및 Viterbi Decoding을 적용하여 데이터 링크의 오류정정 기능을 갖도록 하였으며, Time Slot Assigner 방식의 TDM Mux/DeMux 알고리즘을 이용하여 링크데이터 패킷을 최적화하도록 하였다. 아울러 무인기 환경시험을 통해 성능을 검증하고 현재 스마트무인 기에 탑재되어 활용되고 있다.
설계된 I/O는 Ethernet 2개, RS-422 동기 및 비동기식 16채널, RS-232 2채널, 아날로그 2채널로 설계되었고 필요에 따라 쉽게 확장 가능하도록 했다. TC(Tele-Control) 및 TM(Tele-Message) 신호는 동기식 RS-422 방식이며, 기타 탑재장비는 비동기식 RS-422 및 VHF 음성신호는 아날로그 채널을 이용하도록 하였다.
수신데이터의 신뢰성을 높이기 위하여 Viterbi Decoding[3] 블럭을 이용하여 수신된 데이터에 대하여 오류정정을 수행하도록 하였다. Viterbi Decoder는 Xilinx에서 제공하는 IP를 사용하였으며 hard coding방식과 decoder rate는 1/2, constraint length는 7, Traceback length는 48로 설정했다.
스마트무인기용 통신제어기는 하드웨어적으로 Power, CPU, I/O 보드 3개로 모듈화하여 설계 제작되었다. 이는 추후 고장이나 설계 변경 및 추가적인 요구사항을 반영해야 할 경우 일부 보드 수정을 통하여 신속하게 요구 조건을 만족할 수 있도록 하기 위함이다.
결국 최대 20ms만큼의 지연이 발생하게 된다. 통신제어기는 이러한 부분을 고려하여 링크 패킷을 처리하는 시간을 최대한 줄이기 위하여 20ms 마다 항상 내부 timer를 이용하여 처리 하는 구조에서 링크 패킷이 수신되면 바로 처리하는 구조로 변경하였고 또한 패킷 수신이 없는동안에도 데이터를 처리 할 수 있는 구조로 설계 하였다.
통신제어기는 통신 링크의 신뢰성과 실시간성을 보장하기 위해서 상용 RTOS인 VxWorks를사용하여, FPGA 내부에 다양한 IP 디바이스 드라이버를 설계 개발하였다. VxWorks 사용은 Kernel에서 제공하는 실시간 기능 구현 및 디버 깅을 용이하게 하여 개발 기간의 단축 및 통신 제어기의 신뢰성을 보장하게 하였다.
통신제어기의 기구물은 지상/탑재 모두 동일 형상으로 방열 및 EMI/EMC를 최대한 고려하여 Conduction-cooled 형태로 설계하였다. 설계된 통신제어기의 형상은 Fig.

대상 데이터

수신데이터의 신뢰성을 높이기 위하여 Viterbi Decoding[3] 블럭을 이용하여 수신된 데이터에 대하여 오류정정을 수행하도록 하였다. Viterbi Decoder는 Xilinx에서 제공하는 IP를 사용하였으며 hard coding방식과 decoder rate는 1/2, constraint length는 7, Traceback length는 48로 설정했다.
또한 오디오 코덱이 있어서 CPU 보드에서 송신한 4kbps의 음성 압축데이터를 디코딩해서 아날로그 음성으로 출력하고 동시에 아날로그 음성을 4kbps로 압축해서 CPU 보드로 전달하는 역할도 한다. 사용된 오디오 코덱은 Multi-Band Excitation(MBE) 개념을 발전시킨 Improved Multi-Band Excitation (IMBE ^TM) Vocoder 이다. 통신제어기의 모든 입출력 신호는 I/O보드를 통하여 외부 컨넥터로 연결된다.
소프트웨어 개발 툴로는 Xilinx EDK8.2 (Embedded Development Kit)와 Windriver Tornado 2.2.1(VxWorks 5.5.1)을 사용하였다. 실제 개발 과정은 Fig.

성능/효과

FPGA를 이용하여 무인기용 통신제어기를 개발하였다. 개발된 통신제어기는 Real-time OS인 VxWorks를 적용하여 실시간 통신링크를 보장하고 다양한 입출력 장치를 제공하여 체계요구에 따른 입출력 장치의 추가 및 수정을 용이하게 하였다. 또한 통신링크의 신뢰성을 확보하기 위해 Convolution Encoding 및 Viterbi Decoding을 적용하여 데이터 링크의 오류정정 기능을 갖도록 하였으며, Time Slot Assigner 방식의 TDM Mux/DeMux 알고리즘을 이용하여 링크데이터 패킷을 최적화하도록 하였다.
진동 요구사항을 검증하기 위해서 MIL-STD-810F의 Propeller 및 Helicopter 시험, 전자기 적합성 (EMC) 요구사항 검증을 위하여 MIL-STD-416E의 "Aircraft, Air Force" 기준을, 온도, 습도, 고도 요구사항 검증을 위하여 MIL-STD-810F 의 Low Pressure, High/Low Temperature, Humidity 기준을 적용하여 시험을 한 결과 충분히 무인기 운용환경 규격을 만족하였다.

후속연구

향후에는 비행시험을 통해서 보다 신뢰성있는 통신링크를 보장할 수 있도록 개선할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트무인기용 통신제어기에서 탑재 및 지상형의 차이점은 무엇인가?	반면에 지상통신제어기 (GDTC)는 상향링크(UPL) 다중화 및 하향링크 (DNL) 역다중화, 지상통신장치 제어를 담당한다. 탑재 및 지상형 통신제어기는 하드웨어적으로 동일하며, 상·하향 링크에 따른 데이터 처리의 기능적 역할에 따라 데이터 처리 소프트웨어만 차이가 있을 뿐이다. 개발된 통신제어기의 사양은 Table 1과 같다.
	통신제어기의 역할은 무엇인가?	통신제어기는 기능적으로 통신관련 장비들과 항공기 탑재장비들 사이에서 데이터를 송수신하는 역할을 담당하며, 이를 위해 다양한 입출력 장치를 제공한다. 통신제어기와 연결되는 각 장비들의 입출력 장치 및 신호 종류는 탑재 및 지상에 따라 차이가 있다.
	스마트무인기용 통신제어기는 어떻게 구분되는가?	스마트무인기용 통신제어기는 탑재 및 지상형 으로 구분된다. 탑재통신제어기(ADTC)는 상향링크(UPL) 역 다중화 및 하향링크(DNL) 다중화[2], 탑재 통신장비들의 제어를 담당하며 기타 항공 장비와 인터페이스를 위한 다양한 다중채널 입출력 장치를 제공한다.

참고문헌 (5)

오수훈, 김승주, 임철호, "스마트무인기 기술개발사업 개요", 대한기계학회저널, 46권 제2호, 2006, pp.34-39
최창호, 주범순, 김도연, 정해원, "10기가비트 Ethernet 프레임 다중화/역다중화기 설계 및 구현", 대한전자공학회 하계종합학술대회 논문집, 26권 제1호, 2003, pp.378-381
"DS247 xilinx Viterbi Decoder v6.0" 데이터 시트 참조
Sagar PM, Vivek Agarwal, "Embedded Operating Systems for Real-Time Applications", M.Tech. credit seminar report, Electronic Systems Group, EE Dept, IIT Bombay, Submitted in November 2002.
윤지욱, 염경환, 이종현, "이더넷/TDM 통합전달 시스템의 설계 및 구현", 대한전자공학회, 대한전자공학회 2005년 추계종합학술대회 2005.11, pp.237-240

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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