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문제 정의
- 본 논문에서는 다종 다중화된 항공전자시스템 아키텍처에 따른 데이터 버스 분석 장비에 대하여 기술한다. 데이터 버스 분석 장비는 데이터버스 인터페이스 카드, 수집 엔진 및 분석 엔진으로 구분된다.
제안 방법
- 그리고 CAN 버스에 T 커넥터를 연결하여 스터브 라인을 생성하고 남아있는 1개의 채널에 연결한다. CAN 버스에 CAN 모의 메시지를 생성 및 전송하고 수신된 CAN 모의 메시지를 비교 확인 한다. Ethernet 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 Ethernet 모의 메시지생성 프로그램이 설치된 노트북과 본 데이터 버스 분석 장비를 LAN 케이블을 이용하여 연결하고 노트북에서 Ethernet 모의 메시지를 생성 및 전송한다.
- 쿼리에 대한 결과로 키와 일치하는 ICD 정보 테이블의 ICD 메시지 정보를 획득한다. ICD 메시지 정보를 이용하여 CDP 데이터의 원시 메시지를 ICD 정보에 맞게 변환 및 오류검사 후에 DBMS를 통해 버스 메시지 테이블을 생성하고 ICD 메시지 정보를 업데이트 한다.
- 각 인터페이스에 대한 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 아래와 같다. MIL-STD-1553B 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 MIL-STD-1553B 모의 메시지 생성 프로그램이 설치된 노트북과 본 데이터 버스 분석 장비를 USB to MIL-STD-1553B 변환기를 이용하여 연결하고, 노트북에서 모의 메시지를 생성 및 전송한 후 본 데이터 분석 장비에서 수신된 메시지를 확인한다. CAN 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 본 데이터 버스 분석 장비의 CAN PMC 카드의 3개 채널을 이용한다.
- 마지막으로 분석 엔진이 확인 메시지(ACK)를 수집 엔진으로 전송하면 접속 처리가 완료되고 통신이 개설된다. 그 이후 분석 엔진은 CDP 데이터 전송 명령을 수집 엔진으로 전송하고, 분석 엔진은 CDP 데이터 전송 명령 수신 후 데이터를 분석 엔진으로 전송한다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 다종 다중화된 항공전자시스템 아키텍처의 데이터 버스를 모니터링하기 위해서 다양한 인터페이스와 다수의 인터페이스 채널을 갖추었고, 버스 데이터의 수집과 분석을 동시에 효율적으로 수행하기 위해서 수집 엔진과 분석 엔진을 이원화하였다. 그리고 인터페이스간의 통합 분석을 위해 Grid, 2D 및 3D 형태의 전시 기능을 제공한다. 장비 검증을 위해서 개별 모듈에 대한 단위 테스트 및 통합테스트를 수행하였고, 실제 시험 환경인 비행체 SIL에서 검증을 마쳤다.
- 수집 엔진에서 수집된 데이터는 분석 엔진에서 사용자의 ICD(Interface Control Document)를 기반으로 분류되어 DBMS(Data Base Management System)을 통해 저장된다. 넷째로 DBMS에 저장된 데이터를 이용하여 사용자의 데이터 분석을 위해 Grid, 2D 및 3D 형태로 전시한다.
- 단위 및 통합 테스트 이후에는 실제 실험 환경인 무인기 체계개발의 비행체 SIL에서 검증을 수행하였다. 비행체 SIL은 Fig.
- 3GHz의 인텔 코어 i7-3615QE, 8GB의 DDR3-1600 DRAM 및 2개의 PMC Card Slot을 갖는 VP919/012-46 모델을 사용하였고, SBC 1에는 2개의 PMC Card Slot 확장을 위해 PMC Carrier Board를 장착하였다. 데이터 저장을 위해 SATA3 인터페이스를 사용하는 읽기 속도 540MB/s, 쓰기 속도 520MB/S인 2.5인치 SSD를 사용하였고, 수집 엔진이 설치되는 SBC 1에 1TB SSD 2개, 분석 엔진이 설치되는 SBC 2에 1TB SSD 1개를 장착하였다. 외부연동을 위해서 4채널 1553B PMC Card 1장, 2채널 1553B PMC Card 1장 및 4채널 CAN PMC Card 1장 그리고 SBC 1 내장 Ethernet 1채널을 사용한다.
- 첫째로 MIL-STD-1553B 5채널, CAN 4채널 및 Ethernet 1채널과 연동할 수 있는 인터페이스를 갖추었다. 둘째로 데이터를 수집하는 수집 엔진과 수집된 데이터를 분석하는 분석 엔진의 하드웨어를 이원화 하였다. 그 이유는 다수의 데이터 버스 인터페이스를 통해서 하나의 SBC(Single Board Computer)에서 처리할 수 없는 양의 데이터에 대해 수집과 분석을 동시에 처리했을 때는 CPU(Central Processing Unit) 과부하 및 Memory 오버플로우와 같은 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
- 수신된 데이터로부터 분석 엔진 데이터 관리 모듈은 생성한 ICD 테이블을 바탕으로 메시지를 추출 및 오류검사를 처리한다. 또한 데이터 전시 모듈을 사용하여 Grid, 2D 및 3D 형태로 사용자가 원하는 데이터를 전시한다.
- 예로 1553B 데이터 버스를 통해 복합항법장치에서 비행조종컴퓨터로 전송하는 GPS(Global Positioning System) Week/Time 정보와 CAN 데이터 버스를 통해 복합항법장치에서 SAR(Synthetic Aperture Radar)로 전송하는 GPS Week/Time 정보를 비교 분석 가능하다. 또한 수집 데이터를 ICD 정보에 따라 변환하고 사용자가 원하는 Grid, 2D 및 3D 형태로 전시하여 분석 및 오류 발견 시간을 단축시킨다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 다종 다중화된 항공전자시스템 아키텍처의 데이터 버스를 모니터링하기 위해서 다양한 인터페이스와 다수의 인터페이스 채널을 갖추었고, 버스 데이터의 수집과 분석을 동시에 효율적으로 수행하기 위해서 수집 엔진과 분석 엔진을 이원화하였다. 그리고 인터페이스간의 통합 분석을 위해 Grid, 2D 및 3D 형태의 전시 기능을 제공한다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 수집 엔진 및 분석 엔진의 개별 모듈에 대한 단위 테스트를 수행하였으며, 단위 테스트 이후에 모듈 간의 상호작용을 검사하기 위한 통합 테스트를 수행함으로써 자체 검증을 완료하였다. 통합 테스트는 소프트웨어 요구사항 명세서를 바탕으로 작성된 시험절차서의 86개 테스트 케이스에 대해서 수행 하였고, 테스트 케이스에는 모듈 간 연동 확인 항목 및 모듈의 함수 기능 확인 항목이 포함된다.
- 본 데이터 버스 장비는 비행체 SIL에서 수행되는 비행체 전자장비 통합시험에서 활용되어 전자장비 간의 연동상태 정보, BIT(Built-In Test) 정보, 통제 명령 및 장비 상태 정보를 모니터링하고 전자장비의 문제점들을 발견하는데 도움을 주었다. 특히 다종의 데이터 버스가 공존하는 구간의 데이터를 분석할 때는 하나의 그래프에 다른 종류의 데이터 버스 데이터를 동시에 전시하여 비교 가능하다.
- 분석 엔진 데이터 관리 모듈은 ICD 정보를 관리하고 수집 엔진으로부터 수신한 CDP 데이터를 ICD 정보를 이용하여 변환 및 저장한다. CDP 데이터 수신 이전에 ICD 정보를 로드 및 분류하여 ICD 정보 테이블을 DBMS를 통해 생성한다.
- 수집 엔진은 데이터 버스 인터페이스 카드로부터 들어오는 버스 데이터를 수집한다. 분석 엔진은 수집 엔진에서 수집한 버스 데이터를 가공하여 저장 및 전시한다.
- 그 이유는 다수의 데이터 버스 인터페이스를 통해서 하나의 SBC(Single Board Computer)에서 처리할 수 없는 양의 데이터에 대해 수집과 분석을 동시에 처리했을 때는 CPU(Central Processing Unit) 과부하 및 Memory 오버플로우와 같은 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 셋째로 데이터 버스 전송미디어로부터 수집한 데이터를 수집 엔진에서 데이터버스 타입에 맞는 파서를 사용하여 분류하고 원하는 데이터를 수집한다. 수집 엔진에서 수집된 데이터는 분석 엔진에서 사용자의 ICD(Interface Control Document)를 기반으로 분류되어 DBMS(Data Base Management System)을 통해 저장된다.
- 분석 엔진은 내부 연동 관리 모듈을 이용하여 수집 엔진의 내부연동 관리 모듈에 접속을 요청하고 연결한 후 데이터를 수신한다. 수신된 데이터로부터 분석 엔진 데이터 관리 모듈은 생성한 ICD 테이블을 바탕으로 메시지를 추출 및 오류검사를 처리한다. 또한 데이터 전시 모듈을 사용하여 Grid, 2D 및 3D 형태로 사용자가 원하는 데이터를 전시한다.
- CDP는 AltaDT 사에서 1553B를 저장하기 위해 정의된 포맷으로 헤더와 데이터로 구성되어 있으며, 헤더에는 다음 CDP 포인터, 메시지 카운트, 타임 태그 및 메시지 시간 간격이 포함되어 있다. 수집 엔진에서 수집한 데이터들은 인터페이스 별로 CDP 포맷으로 저장되며, 데이터 수신 시간은 MIL-STD-1553B 카드의 클럭을 기준으로 저장함으로써 인터페이스 간의 시간 동기화를 수행하였다.
- 위의 요구사항을 충족하기 위해서 데이터 버스 분석 장비는 아래와 같이 설계되었다. 첫째로 MIL-STD-1553B 5채널, CAN 4채널 및 Ethernet 1채널과 연동할 수 있는 인터페이스를 갖추었다. 둘째로 데이터를 수집하는 수집 엔진과 수집된 데이터를 분석하는 분석 엔진의 하드웨어를 이원화 하였다.
- 예로 외부 연동 관리 모듈 기능인 1553B 카드 초기화 상태 알림 표시 기능, 1553B 데이터 수신기능, CAN 데이터 수신 기능 등과 데이터 전시 모듈 기능인 2D 그래프 확대 축소 기능, 2D 그래프 시간 축 이동 기능, 2D 그래프 Y 축 범위설정 기능 등이 통합 테스트의 테스트 케이스에 포함된다. 통합 테스트 환경은 Fig. 5와 같고 각 인터페이스의 모의 메시지를 생성할 수 있는 장비 및 인터페이스 카드를 사용하여 가상 테스트환경을 구성하고, 모의 메시지의 송신을 통해 연관 모듈을 검증하였다. 각 인터페이스에 대한 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 아래와 같다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 수집 엔진 및 분석 엔진의 개별 모듈에 대한 단위 테스트를 수행하였으며, 단위 테스트 이후에 모듈 간의 상호작용을 검사하기 위한 통합 테스트를 수행함으로써 자체 검증을 완료하였다. 통합 테스트는 소프트웨어 요구사항 명세서를 바탕으로 작성된 시험절차서의 86개 테스트 케이스에 대해서 수행 하였고, 테스트 케이스에는 모듈 간 연동 확인 항목 및 모듈의 함수 기능 확인 항목이 포함된다. 예로 외부 연동 관리 모듈 기능인 1553B 카드 초기화 상태 알림 표시 기능, 1553B 데이터 수신기능, CAN 데이터 수신 기능 등과 데이터 전시 모듈 기능인 2D 그래프 확대 축소 기능, 2D 그래프 시간 축 이동 기능, 2D 그래프 Y 축 범위설정 기능 등이 통합 테스트의 테스트 케이스에 포함된다.
대상 데이터
- SBC는 쿼드 코어 2.3GHz의 인텔 코어 i7-3615QE, 8GB의 DDR3-1600 DRAM 및 2개의 PMC Card Slot을 갖는 VP919/012-46 모델을 사용하였고, SBC 1에는 2개의 PMC Card Slot 확장을 위해 PMC Carrier Board를 장착하였다. 데이터 저장을 위해 SATA3 인터페이스를 사용하는 읽기 속도 540MB/s, 쓰기 속도 520MB/S인 2.
- 6과 같이 체계SIL운용장비, 항공 전자 계통 SIL 및 비행 조종 계통 HILS(Hardware In the Loop Simulation)로 구성된다[12-13]. 검증을 수행한 대상 항공전자시스템 환경은 Fig. 7과 같이 3종의 인터페이스와 10개의 채널로 구성되어 있다. MIL-STD-1553B 인터페이스는 3개의 BC(Bus Controller)와 29개의 RT(Remote Terminal), 1개의 BM(Bus Monitor)로 구성된다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 Fig. 1과 같이 VME 랙 형태에 2장의 SBC, PMC Card Slot 확장을 위한 PMC Carrier Board, 데이터 저장을 위한 SSD(Solid State Drive) 4개 및 외부 연동을 위한 3장의 PMC Card로 구성된다. 2장의 SBC 중 SBC 1은 수집 엔진이 설치되고 SBC 2는 분석 엔진이 설치되어 수집엔진에서 획득한 외부 연동데이터를 내부 연동을 통해 분석 엔진으로 전송하여 전시 및 분석 가능하다.
- 본 데이터 버스 분석 장비는 Fig. 2와 같이 MIL-STD-1553B 6채널, CAN 4채널 및 Ethernet 1채널에 연동되어 있으며 버스의 데이터를 수집한다. MIL-STD-1553B 데이터 수집을 위해서 본 장비는 10개의 MIL-STD-1553B 커플러에 연결되어 있다.
- 분석 엔진은 분석 엔진 내부 연동 관리 모듈, 분석 엔진 데이터 관리 모듈, 데이터 전시 모듈로 구성된다. 수집 엔진은 외부 연동 관리 모듈을 통해 PMC Card로부터 수신되는 버스 데이터를 수집 엔진 데이터 관리 모듈이 저장을 한다.
- 데이터 버스 인터페이스 카드는 데이터 버스 전송미디어에 직접 연동되는 하드웨어 부분이며, 수집 엔진과 분석 엔진은 소프트웨어 부분이다. 수집 엔진은 데이터 버스 인터페이스 카드로부터 들어오는 버스 데이터를 수집한다. 분석 엔진은 수집 엔진에서 수집한 버스 데이터를 가공하여 저장 및 전시한다.
- 3과 같이 수집 엔진과 분석 엔진으로 나뉠 수 있다. 수집 엔진은 외부 연동 관리 모듈, 수집 엔진 데이터 관리 모듈 및 수집 엔진 내부 연동 관리 모듈로 구성된다.
- 통합 테스트는 소프트웨어 요구사항 명세서를 바탕으로 작성된 시험절차서의 86개 테스트 케이스에 대해서 수행 하였고, 테스트 케이스에는 모듈 간 연동 확인 항목 및 모듈의 함수 기능 확인 항목이 포함된다. 예로 외부 연동 관리 모듈 기능인 1553B 카드 초기화 상태 알림 표시 기능, 1553B 데이터 수신기능, CAN 데이터 수신 기능 등과 데이터 전시 모듈 기능인 2D 그래프 확대 축소 기능, 2D 그래프 시간 축 이동 기능, 2D 그래프 Y 축 범위설정 기능 등이 통합 테스트의 테스트 케이스에 포함된다. 통합 테스트 환경은 Fig.
- 5인치 SSD를 사용하였고, 수집 엔진이 설치되는 SBC 1에 1TB SSD 2개, 분석 엔진이 설치되는 SBC 2에 1TB SSD 1개를 장착하였다. 외부연동을 위해서 4채널 1553B PMC Card 1장, 2채널 1553B PMC Card 1장 및 4채널 CAN PMC Card 1장 그리고 SBC 1 내장 Ethernet 1채널을 사용한다. 내부 연동을 위해서 SBC 1 내장 Ethernet 1채널 및 SBC 2 내장 Ethernet 1채널을 사용하고, 수집 엔진과 분석 엔진 간의 데이터를 송수신한다.
- 원시 메시지의 키를 추출하여 DBMS의 ICD 정보 테이블로 쿼리를 전송한다. 쿼리에 대한 결과로 키와 일치하는 ICD 정보 테이블의 ICD 메시지 정보를 획득한다. ICD 메시지 정보를 이용하여 CDP 데이터의 원시 메시지를 ICD 정보에 맞게 변환 및 오류검사 후에 DBMS를 통해 버스 메시지 테이블을 생성하고 ICD 메시지 정보를 업데이트 한다.
데이터처리
- 수집 엔진은 상용 운영체제인 Windows 7 Professional을 사용하였고 프로그램 개발 툴인Visual Studio 2012를 사용하여 C++로 프로그래밍 하였다. 분석 엔진은 수집 엔진과 같이 Windows 7 Professional 및 Visual Studio 2012를 사용하였다.
- 그리고 인터페이스간의 통합 분석을 위해 Grid, 2D 및 3D 형태의 전시 기능을 제공한다. 장비 검증을 위해서 개별 모듈에 대한 단위 테스트 및 통합테스트를 수행하였고, 실제 시험 환경인 비행체 SIL에서 검증을 마쳤다.
이론/모형
- MIL-STD-1553B 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 MIL-STD-1553B 모의 메시지 생성 프로그램이 설치된 노트북과 본 데이터 버스 분석 장비를 USB to MIL-STD-1553B 변환기를 이용하여 연결하고, 노트북에서 모의 메시지를 생성 및 전송한 후 본 데이터 분석 장비에서 수신된 메시지를 확인한다. CAN 모의 메시지 전송 및 수신 방법은 본 데이터 버스 분석 장비의 CAN PMC 카드의 3개 채널을 이용한다. PMC 카드의 2개 채널로 데이터 버스를 생성한다.
- 하지만 분석 엔진의 경우 데이터 전시를 위한 GUI(Graphical User Interface) 부분이 많이 포함되어 있기 때문에 GUI 작업에 용이한 프로그래밍 언어인 C#을 사용하였다. ICD 및 버스 데이터의 데이터베이스 구축을 위해서는 DBMS로 Access 2010를 사용하였다.
성능/효과
- 비행체 전자장비 통합시험은 비행체 개발규격서 및 비행체 연동 요구 규격서로부터 도출된 총 120항목의 테스트 케이스에 대한 시험을 수행하였고, 총 100건의 문제점들이 도출 및 종결되었다. 테스트 케이스에는 각 전자장비의 연동 시험, 기능 시험 및 고장 시험을 포함한다.
후속연구
- 본 장비가 향후에 다종 다중화된 항공전자시스템 아키텍처를 갖춘 항공기 개발에 적용된다면 비행체 전자장비 통합시험 및 체계 SIL 통합시험에 사용하여 검증을 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
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