[논문]CAN 네트워크의 시간동기를 위한 IEEE1588 구현

박성원; 김인성; 이동익

doi:10.7840/kics.2014.39b.2.123

CAN 네트워크의 시간동기를 위한 IEEE1588 구현
Implementation of IEEE1588 for Clock Synchronization 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.39B no.2, 2014년, pp.123 - 132

박성원 (경북대학교 전자공학부 고신뢰성 임베디드 제어 시스템 연구실) , 김인성 (경상공업고등학교 지능형로봇과) , 이동익 (경북대학교 전자공학부 고신뢰성 임베디드 제어 시스템 연구실)

초록
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본 논문에서는 CAN(Controller Area Network)의 시간동기를 위한 IEEE1588 알고리즘의 구현에 관한 연구결과를 제시한다. 시간동기는 네트워크 기반 임베디드 시스템의 안정성, 효율, 신뢰성 개선 측면에서 매우 중요하다. 최근 전용 칩을 이용하는 IEEE1588 표준이 Ethernet 기반 임베디드 시스템의 시간동기에 폭넓게 적용되고 있다. IEEE1588과 같은 표준화된 시간동기 기법은 기존의 'in-house' 시간동기 기법에 비해 많은 장점들을 제공하지만, CAN을 위한 IEEE1588 전용 칩은 현재까지 상용화된 제품을 찾아보기 어렵다. 본 논문에서는 전용 칩을 사용하지 않고 소프트웨어와 CAN 메시지만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현한다. 제안된 방법의 효용성을 확인하기 위해 간단한 모델을 이용하여 추정한 동기정밀도와 실험용 네트워크를 통해 측정한 동기정밀도를 비교분석 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an IEEE1588 based clock synchronization technique for CAN (Controller Area Network) is presented. Clock synchronization plays a key role to the success of a networked embedded system. Recently, the IEEE1588 algorithm making use of dedicated chipsets has been widely adopted for the synchronization of various industrial applications using Ethernet. However, there is no chipset available for CAN. This paper presents the implementation of IEEE1588 for CAN, which is implemented using only software and CAN packets without any dedicated chipset. The proposed approach is verified by the comparison between the estimated synchronization precision with a simple model and the measured precision with experimental setup.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 현재까지 상용화된 전용 칩은 모두 Ethernet을 위한 것이며, 본 논문에서 다루는 CAN에 적용 가능한 전용 칩은 찾아보기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 IEEE1588 알고리즘을 CAN 네트워크에 적용할 수 있도록 소프트웨어로 구현한 결과를 소개한다.
하지만 현재까지 CAN 버스를 위한 IEEE1588 전용칩은 알려진 것이 없다. 본 논문에서는 CAN을 위한 IEEE1588 전용 칩이 제공되지 않는 점을 고려하여 CAN 패킷과 소프트웨어만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현하고, 동기정밀도를 계산하기 위한 모델을 제시하였다. 그리고 모델을 통해 추정한 동기정밀도와 3개의 노드로 이루어진 실험용 네트워크를 이용해 측정한 동기정밀도를 비교분석함으로써 제안된 방법의 타당성을 확인하였다.
아울러 시간동기 정밀도 추정을 위한 모델을 도출하여, 실험을 통해 얻은 정밀도와 모델의 결과를 비교한다. 일반적으로 IEEE1588 전용 칩을 이용하여 Ethernet에 적용시수 us 수준의 동기정밀도를 얻을 수 있으나, 본 논문에서는 소프트웨어 방식의 구현과 저사양 클럭 및 CAN의 낮은 전송속도를 고려하여 수백 us 수준의 동기정밀도를 얻는 것을 목표로 한다.

제안 방법

CAN 네트워크의 시간동기를 위해 IEEE1588 알고리즘을 소프트웨어 방식으로 구현하고 그에 따른 동기정밀도를 측정하고자 3개의 HCS12X Starter Kit 보드를 이용하여 그림 7(a)-(c)와 같은 실험환경을 구성하였다. Freescale사에서 제작한 HCS12X Starter Kit 보드는 MC9S12XDP512 칩을 기반으로 하고 있으며, 모두 5개의 MSCAN 인터페이스를 제공한다.
마스터와 슬레이브는 각각 자신의 로컬클럭을 기준으로 마스터가 ‘Sync’ 메시지를 전송하는 순간(TM1)과 슬레이브가 ‘Sync’ 메시지를 수신하는 순간(TS1)에 타임스탬프를 측정한다.
본 논문에서는 CAN 기반 시스템의 시간동기를 위해 IEEE1588을 소프트웨어로 구현하고, 실험용 네트워크를 구성하여 동기정밀도를 정량적으로 분석한다. 아울러 시간동기 정밀도 추정을 위한 모델을 도출하여, 실험을 통해 얻은 정밀도와 모델의 결과를 비교한다.
슬레이브가 ‘DelayRequest’ 메시지를 마스터에게 전송하는 순간(TS2)과 마스터가 이 메시지를 수신하는 순간(TM2)에 각각의 로컬클럭을 기준으로 타임스탬프를 측정한다.
IEEE1588 알고리즘 구현은 앞선 설명에서처럼 소프트웨어 기반으로 구현하였으며, 마스터 1개와 슬레이브 2개로 구성하였다. 시간동기 성능을 측정하기 위해서 각 노드의 로컬클럭을 기준으로 발생시킨 신호를 오실로스코프를 이용하여 비교하였다. 아울러 시간동기 관련 메시지의 송수신 상태, 버스의 부하 상태 등을 실시간으로 분석하고자 Vector사의 CANalyzer^[32]를 사용하였다.
본 논문에서는 CAN 기반 시스템의 시간동기를 위해 IEEE1588을 소프트웨어로 구현하고, 실험용 네트워크를 구성하여 동기정밀도를 정량적으로 분석한다. 아울러 시간동기 정밀도 추정을 위한 모델을 도출하여, 실험을 통해 얻은 정밀도와 모델의 결과를 비교한다. 일반적으로 IEEE1588 전용 칩을 이용하여 Ethernet에 적용시수 us 수준의 동기정밀도를 얻을 수 있으나, 본 논문에서는 소프트웨어 방식의 구현과 저사양 클럭 및 CAN의 낮은 전송속도를 고려하여 수백 us 수준의 동기정밀도를 얻는 것을 목표로 한다.
아울러 시간동기 관련 메시지의 송수신 상태, 버스의 부하 상태 등을 실시간으로 분석하고자 Vector사의 CANalyzer^[32]를 사용하였다. 특히 슬레이브 노드에서 계산된 지연 및 시간차를 CANalyzer로 전송하여 실시간으로 그 값을 모니터링 하였다.

대상 데이터

각 인터페이스는 ‘Fault-Tolerant CAN,’ ‘High-Speed CAN’ 등 서로 다른 특성과 트랜시버를 지원하는데, 실험에서는 High-Speed CAN을 지원하는 MSCAN2와 PCA82C250 트랜시버를 사용하였다.

데이터처리

본 논문에서는 CAN을 위한 IEEE1588 전용 칩이 제공되지 않는 점을 고려하여 CAN 패킷과 소프트웨어만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현하고, 동기정밀도를 계산하기 위한 모델을 제시하였다. 그리고 모델을 통해 추정한 동기정밀도와 3개의 노드로 이루어진 실험용 네트워크를 이용해 측정한 동기정밀도를 비교분석함으로써 제안된 방법의 타당성을 확인하였다. 후속 연구로서, 본 논문에서 구현한 시간동기 소프트웨어를 실제 시스템과 유사한 환경에서 검증할 필요가 있다.

이론/모형

시간동기 성능을 측정하기 위해서 각 노드의 로컬클럭을 기준으로 발생시킨 신호를 오실로스코프를 이용하여 비교하였다. 아울러 시간동기 관련 메시지의 송수신 상태, 버스의 부하 상태 등을 실시간으로 분석하고자 Vector사의 CANalyzer^[32]를 사용하였다. 특히 슬레이브 노드에서 계산된 지연 및 시간차를 CANalyzer로 전송하여 실시간으로 그 값을 모니터링 하였다.

성능/효과

CAN을 통한 메시지 전송 요구량이 증가하는 추세를 고려하면 이는 매우 큰 제약사항이다. 두 번째, 이벤트 기반 네트워크의 특성상 전송지연의 불규칙한 변화 즉 지터(jitter)가 발생하는데, 네트워크 부하가 커지고 메시지의 우선순위가 낮을수록 큰 값을 나타낸다. 지터는 시스템이 시변(time-varying) 특성을 갖게 함으로서 설계 및 구현에 큰 어려움으로 작용한다^[23].
이 실험결과를 통해서 16.4초 후의 두 클럭 시간차는 약 2.5ms가 발생하였으며, 이는 슬레이브의 클럭이 마스터 클럭을 기준으로 약 152μs/s의 드리프트율을 가지는 것을 의미한다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 대안으로써 시스템을 시간기반(time-triggered)으로 설계 및 구현하는 방안이 자주 이용된다^[6-8]. 즉 네트워크에 연결된 노드들이 수행하는 태스크에 대해 그림 1과 같은 round-robin 방식의 스케줄을 적용함으로서 네트워크의 대역폭 사용효율을 높이고, 메시지 충돌이 발생하지 않도록 하여 우선순위와 무관하게 일정한 전송 특성을 얻을 수 있다.

후속연구

노드 수 및 버스부하가 증가할 경우, 규모가 작은 실험용 네트워크와 달리 시간동기 메시지 전송에 불규칙적인 장애가 발생할 가능성이 높아지므로 이에 대한 분석이 필요하다. 아울러, FPGA 기반으로 CAN을 위한 IEEE1588 알고리즘을 구현하고 그 결과를 본 논문에서 제시한 소프트웨어 기반 결과와 비교분석하는 연구도 진행할 예정이다.
그리고 모델을 통해 추정한 동기정밀도와 3개의 노드로 이루어진 실험용 네트워크를 이용해 측정한 동기정밀도를 비교분석함으로써 제안된 방법의 타당성을 확인하였다. 후속 연구로서, 본 논문에서 구현한 시간동기 소프트웨어를 실제 시스템과 유사한 환경에서 검증할 필요가 있다. 노드 수 및 버스부하가 증가할 경우, 규모가 작은 실험용 네트워크와 달리 시간동기 메시지 전송에 불규칙적인 장애가 발생할 가능성이 높아지므로 이에 대한 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CAN이란?	CAN은 자동차에 탑재된 ECU(Electronic Control Unit) 사이의 데이터 공유를 위해 Bosch사에 의해 개발되고 ISO11898로 등록된 필드버스이다[1]. 매년 수천만 대의 자동차가 생산되어 매우 열악한 환경에서 장기간 운용될 뿐 아니라 가격 경쟁도 치열한 자동차 산업의 특성이 반영된 CAN은 높은 전송신뢰도와 낮은 가격의 장점을 동시에 제공한다.
	CAN의 장점은?	CAN은 자동차에 탑재된 ECU(Electronic Control Unit) 사이의 데이터 공유를 위해 Bosch사에 의해 개발되고 ISO11898로 등록된 필드버스이다[1]. 매년 수천만 대의 자동차가 생산되어 매우 열악한 환경에서 장기간 운용될 뿐 아니라 가격 경쟁도 치열한 자동차 산업의 특성이 반영된 CAN은 높은 전송신뢰도와 낮은 가격의 장점을 동시에 제공한다. 그 결과 최근에는 자동차 산업 뿐 아니라 공장자동화, 항공기, 철도, 로봇, 선박해양, 수중무기체계 등 여러 분야에서 폭넓게 적용되고 있다.
	대규모 컴퓨터 시스템을 위한 시간동기 관련 연구를 통해 개발한 방법들의 특징은?	대규모 컴퓨터 시스템을 위한 시간동기 관련 연구는 20년 이상 진행되어 다양한 방법들이 개발되었다. 그러나 이들은 대부분 Ethernet으로 연결된 고성능 워크스테이션에 적용하기 위해 개발되었으므로 복잡한 연산과 알고리즘 구조, 대량의 메시지 전송 등을 사용한다. 따라서 이러한 방법들을 메모리, 연산속도, 클럭 사양, 통신 대역폭,동작환경 등에 있어서 큰 제약이 따르는 임베디드 시스템에 직접 적용하기는 어렵다. 반면 참고문헌[11-12]이 제시한 CAN 기반 임베디드 시스템을 위한 시간동기 기법은 단순한 마스터-슬레이브 구조를 가지는 소프트웨어 방식을 적용하여 상기 제약사항을 극복하였으며, 메시지 전송지연으로 인한 동기정밀도 저하를 보상하기 위해 후처리(a posteriori) 기법을 이용하고 있다.

참고문헌 (32)

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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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