[논문]AVR을 이용한 산업용 통신 모니터링 보드 개발

엄상희; 이병훈

doi:10.6109/jkiice.2016.20.6.1177

AVR을 이용한 산업용 통신 모니터링 보드 개발
The Development of Industrial Communication Monitoring Board using AVR 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.20 no.6, 2016년, pp.1177 - 1182

엄상희 (Department of Shipbuilding and Marine, Dongju College) , 이병훈 (MK Technology)

초록
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모니터링과 제어를 위한 대다수의 산업용 장비들은 항상 확장성 문제와 외부 프로토콜 호환성 문제가 발생하고 있다. 본 논문은 이기종 통신이 발생하는 산업용 통신을 위한 모니터링을 지원하기 위하여 프로토콜 변환이 가능한 보드를 개발하였다. 산업용 통신 모니터링 보드는 메인 보드와 서브 보드로 구성되며, 메인 보드들의 연결로 확장이 가능하다. 메인 보드는 AVR계열의 Atmega 2560을 사용하였고, 서브 보드는 Atmega 256, 128을 사용하였다. 메인보드에는 RS485 시리얼 슬롯 4개를 배치하여 서브 보드를 장착할 수 있게 설계하였다. 서브보드는 아날로그와 디지털 데이터 I/O를 지원하고, CAN과 Ethernet 통신을 이용한 모니터링이 가능하도록 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The most industrial instruments for monitoring and control are occurring the extension problem and the external protocol compatibility. In this paper, we developed the boards for the industrial communication monitoring that are able to convert the protocol in various communication between devices and instruments. These are consisted the main board and several sub-board. They can have extension using the main board connection. The sub-board support the each communication method or data transfer. The main board was used the Atmega 2560 Microprocessor of AVR series, and the sub-boards are have the Atmega 256 or Atmega 128 in the AVR series. We have designed to connect the sub-board using placed the 4 RS485 serial slots in the main board. The sub-boards were developed to support the analog and digital I/O. These are able to have monitoring by CAN and Ethernet communication. The experimental results, we obtained good data transfer rate and conversion rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 산업용 모니터링 시스템 개발을 위하여 전문지식 및 현장 적용 노하우가 필요하지만 이러한 기술을 가진 엔지니어가 부족하여 간단한 모니터링 개발에도 많은 비용이 발생하는 점을 개선하고자 사용자가 쉽게 이용할 수 있는 산업용 통신 모니터링 보드를 AVR 마이크로프로세서를 이용하여 제작하였다. 개발된 통신 모니터링 보드는 산업현장에서 많이 사용되는 시리얼통신, CAN 통신 방식의 데이터를 Ethernet 방식으로 자동 변환을 지원하고, 아날로그 데이터와 디지털 데이터를 바로 읽어 들일 수 있도록 지원하며, 여러 대의 장비를 지원할 수 있도록 확장성을 고려하여 설계되었다.
본 논문에서는 일반적으로 모니터링에 가장 많이 사용하는 시리얼 통신, CAN 통신과 아날로그와 디지털 데이터 신호를 입력받아 이더넷으로 프로토콜 변환을 가능하도록 산업용 통신 모니터링 보드를 제작하였다. 이 모니터링 보드는 메인 보드와 서브 보드로 구성되며, 메인 보드에는 4개의 서브 보드를 지원하여 각기 다른 통신방식을 지원할 수 있도록 설계하였다.

제안 방법

본 논문에서는 산업용 모니터링 시스템 개발을 위하여 전문지식 및 현장 적용 노하우가 필요하지만 이러한 기술을 가진 엔지니어가 부족하여 간단한 모니터링 개발에도 많은 비용이 발생하는 점을 개선하고자 사용자가 쉽게 이용할 수 있는 산업용 통신 모니터링 보드를 AVR 마이크로프로세서를 이용하여 제작하였다. 개발된 통신 모니터링 보드는 산업현장에서 많이 사용되는 시리얼통신, CAN 통신 방식의 데이터를 Ethernet 방식으로 자동 변환을 지원하고, 아날로그 데이터와 디지털 데이터를 바로 읽어 들일 수 있도록 지원하며, 여러 대의 장비를 지원할 수 있도록 확장성을 고려하여 설계되었다. 전송 실험 결과 매우 우수한 데이터 전송률을 얻었다.
메인 보드는 이론적으로 256개까지 확장 가능한 포트와 프로세서에 펌웨어를 로드 할 수 있는 포트 등 두 개의 RS485 통신 포트를 설치하였다. 또한 직렬 통식, CAN, 이더넷 통신과 아날로그/디지털 데이터 전송을 지원하는 보드를 장착할 수 있도록 4채널의 RS4856 포트를 슬롯 형태로 고안하였다. 통신 테스트를 위하여 딥스위치를 이용하여 각 슬롯의 입출력을 체크할 수 있도록 하였으며, 접속 및 전송이 원활해지면 프로세서에 자동 채널 선택이 가능하도록 설계하였다.
통신 프로토콜 변환을 위한 구조는 크게 보면 통신방식 분석, 데이터 프로토콜의 해석과 변환이라는 기본 단계를 거친다. 본 연구에서는 그림 2와 같은 프로토콜 변환 과정을 사용하였으며 펌웨어(firmware)로 수행되도록 구성되었다.
본 연구에서는 산업현장에서 많이 사용되는 시리얼통신, CAN 통신, 이더넷 방식의 데이터를 이더넷 방식으로 자동 변환할 수 있도록 지원하고, 아날로그 데이터와 디지털 데이터를 바로 읽어 들여 전송할 수 있도록 지원하며, 여러 가지 이기종 통신방식을 사용하는 장비의 모니터링을 지원할 수 있도록 확장성이 있는 산업용 통신 모니터링 보드를 제작하였다.
본 논문에서는 일반적으로 모니터링에 가장 많이 사용하는 시리얼 통신, CAN 통신과 아날로그와 디지털 데이터 신호를 입력받아 이더넷으로 프로토콜 변환을 가능하도록 산업용 통신 모니터링 보드를 제작하였다. 이 모니터링 보드는 메인 보드와 서브 보드로 구성되며, 메인 보드에는 4개의 서브 보드를 지원하여 각기 다른 통신방식을 지원할 수 있도록 설계하였다. 또한 메인보드들의 연결로 여러 장치들을 지원할 수 있으며 이론적으로는 최대 256개까지 확장이 가능하다.
그림 6은 개발된 산업통신 모니터링 보드의 MCU인 AVR 마이크로프로세서의 로더 프로그램이다. 이 프로그램은 테스트를 위하여 여러 가지 설정 사항을 명령어 형태로 입력해 두고 설정된 사용자 프로토콜을 전송할 수 있도록 하였다. 주요 기능으로는 시리얼 통신 데이터(Char, Hex) 입·출력, 시리얼 데이터 오류 출력, 수신 프로토몰 모니터링, 메모리 설정을 위한 입·출력, 여러 가지 설정을 출력하는 등의 기능이 있다.
산업 네트워크에 사용되는 각기 다른 하드웨어 시스템과 디바이스들은 여러 가지 통신 방식과 통신 프로토콜을 사용하고 있다. 이들 데이터를 모니터링에 사용하기 위해서는 프로토콜 변환 과정을 거쳐야 하고 본 논문에서는 공통적으로 이더넷으로 전송하는 구조를 선택하여 모니터링 보드를 설계하였다.
또한 직렬 통식, CAN, 이더넷 통신과 아날로그/디지털 데이터 전송을 지원하는 보드를 장착할 수 있도록 4채널의 RS4856 포트를 슬롯 형태로 고안하였다. 통신 테스트를 위하여 딥스위치를 이용하여 각 슬롯의 입출력을 체크할 수 있도록 하였으며, 접속 및 전송이 원활해지면 프로세서에 자동 채널 선택이 가능하도록 설계하였다.

대상 데이터

메인 보드의 프로세서는 확장성과 안정성, 메모리 용량, 처리 속도 및 통신 속도 등을 고려하여 AVR계열의 Atmega 2560 마이크로프로세서를 사용하였다. 메인 보드는 이론적으로 256개까지 확장 가능한 포트와 프로세서에 펌웨어를 로드 할 수 있는 포트 등 두 개의 RS485 통신 포트를 설치하였다. 또한 직렬 통식, CAN, 이더넷 통신과 아날로그/디지털 데이터 전송을 지원하는 보드를 장착할 수 있도록 4채널의 RS4856 포트를 슬롯 형태로 고안하였다.
이 구조는 확장을 고려한 메인 제어 보드와 개별 통신 방식을 지원하는 서브 보드로 구성된다. 메인 보드의 프로세서는 확장성과 안정성, 메모리 용량, 처리 속도 및 통신 속도 등을 고려하여 AVR계열의 Atmega 2560 마이크로프로세서를 사용하였다. 메인 보드는 이론적으로 256개까지 확장 가능한 포트와 프로세서에 펌웨어를 로드 할 수 있는 포트 등 두 개의 RS485 통신 포트를 설치하였다.
개발된 산업 통신 모니터링 보드를 이용하여 서브 보드에서 다양한 통신방식으로 입력받은 데이터를 이더넷으로 재전송한 결과를 표 1에 나타내었다. 재전송에 사용한 이더넷 통신방식은 UDP 프로토콜을 사용하였으며, 전송 데이터의 수는 1000개로 전송 실패한 개수를 확인하였다. 실험에 사용된 프로토콜로 받은 데이터의 전송 결과 모두 낮은 전송 오차율을 나타내었다.

성능/효과

재전송에 사용한 이더넷 통신방식은 UDP 프로토콜을 사용하였으며, 전송 데이터의 수는 1000개로 전송 실패한 개수를 확인하였다. 실험에 사용된 프로토콜로 받은 데이터의 전송 결과 모두 낮은 전송 오차율을 나타내었다.
개발된 통신 모니터링 보드는 산업현장에서 많이 사용되는 시리얼통신, CAN 통신 방식의 데이터를 Ethernet 방식으로 자동 변환을 지원하고, 아날로그 데이터와 디지털 데이터를 바로 읽어 들일 수 있도록 지원하며, 여러 대의 장비를 지원할 수 있도록 확장성을 고려하여 설계되었다. 전송 실험 결과 매우 우수한 데이터 전송률을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 통신 시스템은 어떤 것을 포함하는가?	산업용 통신 시스템(industrial communication system)은 환경, 전력, 조선, 제조 현장의 통합 모니터링(monitoring) 및 제어(control) 시스템과 제조 데이터 로깅(data logging) 등을 포함한다. 산업 통신 환경은 경쟁적인 생산력 증대 요구에 따라 장치의 처리 속도는 점점 빨라지게 되고, 성능, 품질 관리뿐만 아니라 모니터링과 자동화 효율을 위해서도 다양한 통신 방식이 나타나고 있다.
	산업 통신 시스템에서의 모니터링이란 무엇인가?	산업 통신 시스템에서의 모니터링은 여러 가지 통신프로토콜을 사용하는 산업용 시스템과 장비의 데이터를 모니터링 시스템으로 전송하여 디스플레이, 저장, 분석 등 여러 가지로 활용하는 것을 의미한다. 또한 아날로그 및 디지털 센서로 부터 나오는 여러 가지 데이터들도 같이 모니터링에 활용될 수 있어야 한다.
	산업용 통신 모니터링을 위한 구조에서 필요한 것은 무엇인가?	산업용 통신 모니터링을 위한 구조는 그림 1과 같다. 여기서 이기종 장비들의 각기 다른 통신 프로토콜을 모니터링 장비에서 쉽게 사용 가능할 수 있도록 프로토콜 변환 작업이 반드시 필요하며, 다수의 장비들을 동시에 모니터링 할 수 있도록 확장성을 지원하는 것이 매우 중요하다.

참고문헌 (7)

T. Y. Sung, Technology and Market Analysis of Wired and Wireless convergence communications network, Korea Institute of Science and Technology Information, 2013.
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Texas Instruments, "Introduction to the Controller Area Network (CAN)," SLOA101A-August 2002-Revised, Jul. 2008.
S. H. Eum, H, G, Hong, "Development of User Protocol Converter about Modbus and NMEA0183," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 11, pp. 2584- 2589, Nov. 2015.

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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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