[논문]캔 통신을 이용한 자동차 엔진 정보 표시장치

박양재

doi:10.14400/jdc.2019.17.12.203

캔 통신을 이용한 자동차 엔진 정보 표시장치
Automobile Engine Information Display Device Using CAN Communication 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.17 no.12, 2019년, pp.203 - 210

초록
AI-Helper

오늘날 대부분의 자동차는 전자제어를 통하여 엔진의 상태를 제어하여 최적의 성능을 얻을 수 있도록 하고 있다. 본 연구는 캔통신을 이용하여 자동차의 엔진의 정보를 운전자에게 실시간으로 화면에 표시하여 고장진단과 최적의 자동차 상태를 유지하는 장치를 개발하였다. 이 시스템은 엔진에서 발생되는 정보를 OBD2 소켓을 통하여 엔진의 흡배기온도, 현재 배터리 전압, 타이어 공기압, RPM, DPF 포집량, 토크, 마력 등의 정보를 실시간으로 운전자에게 표시하여 운전자가 차량의 상태를 즉시 확인이 가능하다. 타이어의 공기압을 측정하여 화면에 표시하여 안전운행에 도움을 줄 수 있으며, 자신의 취향에 맞도록 변속타이밍을 설정할 수 있는 모드를 제공한다. 특히 디젤엔진 자동차의 경우 매연으로 인한 문제는 자동차 성능과 환경오염에 악영향을 미칠 수 있으므로 시스템 화면에 DPF 포집량을 표시하여 환경오염 방지와 효율적인 자동차 관리를 할 수 있도록 시스템을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most cars today use electronic control to control the state of the engine to achieve optimum performance. This study developed a device for maintaining fault diagnosis and optimal vehicle status by displaying the engine information of a car on the screen in real time using can communication. This system displays information generated from the engine to the driver in real time such as engine intake and exhaust temperature, current battery voltage, tire pressure, RPM, DPF collection amount, torque, and horsepower through the OBD2 socket. You can check immediately. It can help you to drive safely by measuring tire pressure and displaying it on the screen, and it provides a mode to set the shift timing to suit your taste. In particular, in the case of diesel engine cars, the problems caused by smoke can adversely affect the performance and environmental pollution. Therefore, the system was developed to display the DPF collection amount on the system screen to prevent environmental pollution and to manage the vehicle efficiently.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. CAN communication and UART communication
그림 Fig. 2. CAN hierarchy structure
그림 Fig. 3. Hardware configuration of the CAN
그림 Fig. 4. CAN Message Structure
그림 Fig. 5. Flash Memory Fusing System Using JTAG
그림 Fig. 6. Integrated Module Network Diagram
그림 Fig. 7. Complete system schematic diagram
그림 Fig. 8. External Power Supply Circuit
그림 Fig. 9. USB communication power supply circuit design
그림 Fig. 10. CAN Transceiver
그림 Fig. 11. SD card interface circuit
그림 Fig. 12. TFT-LCD Touch screen & Touch Controller
그림 Fig. 13. Backlight 2-level Brightness Adjustment Voltage Divider
그림 Fig. 14. Installation of Vehicle Information Display
그림 Fig. 15. System Menu
그림 Fig. 16. Home screen
그림 Fig. 17. Main Menu
그림 Fig. 18. System screen after system installation

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문은 CAN 통신을 이용하여 자동차의 내부의 다양한 센서로 부터 정보를 획득하여 변환한 후 정보를 화면에 표시하여 현재 자동차 엔진의 상태를 운전자에게 직관적으로 표시하여 안전운전에 도움을 제공하는 시스템을 개발 하였다.
본 연구는 캔통신을 이용하여 자동차 엔진의 정보를 실시간으로 운전자에게 화면에 표시하는 장치이다. 자동차 정비소에서만 진단되었던 엔진의 상태를 개인이 직접 흡배기온도, 현재 배터리 전압, 유류잔량, DPF 포집량, 타이어 공기압, RPM 등을 미리 확인하여 운전자가 차량고장과 원인을 미리 파악하고 사고를 예방하는 효과가 있다.

제안 방법

5V 레벨의 CAN RX, TX로 전환하여 주는 MCP2551에 120Ω의 저항을 연결하여 사용하는 경우와 물리적으로 안정적인 통신을 보장하기 위하여 ARM 프로세서의 3.3V 레벨의 CAN_RX(PB8), CAN_TX(PB9)와 연결하여 SN65HVD232D를 사용하는 경우가 많으나 ARM 프로세서의 특성에 적합한 후자의 경우를 적용하여 Fig. 10과 같이 설계 하였다.
DPF의 매연 포집량과 DPF 재생 후 주행거리는 디젤 DPF차량에서만 표시하며, 미션오일 온도는 자동변속기 차량에서만 정상적인 온도가 표시되도록 설정 하였다. 과급압력은 VGT 디젤 혹은 가솔린 터보에서만 표시되며 일반 가솔린과 LPG엔진의 경우 엔진 부하율만 표시하였다.
USB 통신 전원 회로는 STM32F103(ARM Coretex-M3)의 동작 전압인 3.3V 출력을 제공하기 위해서 LM1117-3.3V 회로와 통합모듈과 통신 및 펌웨어 다운로드 할 때, USB 전원을 사용하기 위한 전원 선택회로로 Fig. 9와 같이 설계 하였다.
내부적으로 2개의 FET로 구성 되어 있는 FDC6326L IC를 이용하여 GPIO의 ON/OFF 신호에 따라 TFT-LCD 백라이트에 인가되는 전압을 2단게로 분배할 수 있는 저항을 선택하도록 Fig. 13과 같이 설계 하였다.
여러 종류의 하드웨어 장치를 제어하기 위해서 운영체제에는 장치를 구동시킬 소프트웨어인 드라이버 프로그램이가 필요하다. 리눅스 드라이버로는 캐릭터 장치, 블록 장치, 네트워크 장치 드라이버를 포팅 하였다.
본 시스템은 자동차 OBD2 연결단자에 OBD2 케이블을 이용하여 연결하며 자동차 정보 표시 장치의 설치는 Fig. 14와 같이 자동차 전원인 12V로 제어되는 등화장치 또는 기어모드(D 또는 S)일 때, PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 인터럽트 신호를 발생 시켜서 제어한다.
본 시스템의 CPU는 32비트 ARM기반의 프로세서로 512KB의 플래쉬와 USB, CAN, 11개의 타이머, 13개의 통신 인터페이스를 사용 할 수 있는 CoreTex-M3 계열인 STM32F103VCT6를 사용하였으며 사용자와의 접속은 3.5인치 TFT-LCD의 터치 스크린을 통하여 사용자로부터 정보를 입력 받을 수 있도록 설계 하였다.
본 시스템의 개발과정은 시스템 하드웨어 개발과정과 시스템 교차 개발환경 구축, 시스템 소프트웨어 개발과정으로 진행 하였다.
시스템의 주요 기능은 사용자가 화면을 터치하여 제어할 수 있으며 초기화면의 기능은 Fig. 16과 같이 화면 죄측 상단에서부터 차례대로 배기온도(배기온), 미션오일의 온도(미션오일), DPF포집량, DPF재생 주행거리(DPF(%), Km), 전압(V)을 나타내며 우측 상단은 과급압력(Bar), 냉각수온도(냉각수), 기어포지션(P), 락업클러치표시(GEAR POS.), 주유잔량 (%)로 표시하며 화면 중앙에 속도계(Km/h)와 엔진회전수(RPM)을 계기판에 표시 하였다.
CAN 메시지의 암호화 방식은 NRZ(Non-Return to Zero)이며, NRZ 암호화의 문제점인 연속된 비트가 전송될 때 동기비트를 설정할 수 없는 문제점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해서 5개 이상 연속된 비트열 다음에 동기용 비트 한 개를 추가해서 전송 후 수신시 동기 신호를 삭제하여 송신 비트열을 복원하는 방식으로 코딩한다. 이 때 추가되는 동기비트를 비트 채우기(Bit Stuffing)이라 한다[7,8].
17과 같으며, 메인메뉴에서 시스템 설정 모드를 선택하여 자동차의 환경설정을 할 수 있다. 자동차 메이커별, 디젤 또는 가솔린 연료 차량을 설정하며, 디젤의 경우 옐 관련 초기화를 위해서 ON설정여부 선택하며, 스포츠 모드 변속 알림 메뉴는 ON시에는 자동 변속기 모드에서 각 단별 변속 RPM구간에서 부저음 나도록 설정하고 OFF 시에는 알림음을 없게 설정하였다.
자동차 전압의 유동적 특성과 자동차 내부의 높은 온도에서 동작 환경을 고려하여 동작온도를 –40~125 ℃, DC 12V 입력, DC 5V 고정 출력전압, 800mA의 출력이 가능한 Low Dropout 레귤레이터를 사용하여 Fig. 8과 같이 설계 하였다.
통합 모듈에서는 외부 신호의 조작이나 운전자의 인터페이스(패드쉬프트) 등을 이용하여 자동차를 제어 할 때, H-CAN 버스를 통하여 수신된 각종 센서 및 자동차의 상태 데이터를 기반으로 주행 시 안전상황 및 각종 장치들 간의 현재 상태을 표시하여 자동차의 이상 현상에 미리 대비하여 안전운전에 도움을 줄 수 있는 장치를 개발하였다.
타겟 보드에 부트 로더가 상주 시키고 커널을 이식한후 자동차 정보 표시 장치에 리눅스를 포팅 한다. 포팅시 추가할 내용은 ARM 패치와 타겟 보드의 특성에 적합한 임베디드 리눅스 초기화 코드와 하드웨어에 있는 장치 드라이버를 추가하여 전용 커널을 제작하였다.
하드웨어의 설계와 제작 과정 후에 교차 개발환경을 구축 하였다. 교차 개발 환경이란 개발의 주체인 호스트 컴퓨터에 장치를 개발하기 위한 리눅스 환경을 구축하는 것이며, 부트 로더를 컴파일하여 프로그래밍된 소스코드를 플래쉬 메모리에 입력 시키고 부트로더를 수정하여 시스템의 기능 등을 구현하였다[15].
호스트 시스템에서 동작하는 JFLASH 프로그램으로 패러럴 포트를 이용하여 타겟 보드에서 필요한 JTAG 신호를 생성한다. 호스트 시스템에서 만들어진 JTAG 신호는 병렬 포트를 통하여 동글(Dongle)에게 전달된다.
호스트 시스템으로부터 타겟보드에 있는 스트라타(strata) 플래쉬에 부트로더를 쓰기 위해서 Fig. 5와 같이 JTAG를 이용한 플래쉬 메모리 퓨징 시스템을 구성하였다.
화면하단의 버튼은 TPMS모니터, Peak 모니터, 메인 메뉴로 설정하였다. TPMS모니터는 순정 TPMS값을 표시하며, Peak 모니터는 주행 중 각 수치의 최대값을 표시하였으며 DFP(Diesel Particulate Filter)는 디젤엔진 자동차의 공해 저감 장치로서 EURO4 이상 규격을 만족하는 차량에 장착 되어 있다.

대상 데이터

16비트 기반의 HX8347 TFT 드라이버와 4선 감압식 터치 스크린을 사용하였으며, 4선 감압식 터치 컨트롤러 ADS7846E를 적용하였다. TFT-LCD의 제어 및 데이터는 프로세서의 GPIO를 사용하였으며, ADS7846E는 SPI 인터페이스를 사용하여 Fig.

이론/모형

CAN은 다중 통신망(Multi Master Network)이며 CSMA/CD+AMP(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection with Arbitration on Message Priority)을 사용한다[9].
본 시스템 교차 개발과정에서는 부트로더를 플래쉬에 업로드 하기 위한 퓨징(fusing)시스템으로 JTAG(Joint Test Access Group)을 사용하였다.

성능/효과

차량의 계기판의 엔진상태 표시정보와 본 시스템의 정보를 비교한 결과 오차가 거의 발생하지 않고 엔진의 정보를 표시하여 운전자의 취향에 적합한 RPM에서의 변속 타이밍, 즉, 단별 RPM수를 지정이 가능함을 알 수 있었다.

후속연구

특히 디젤 차량의 경우 DPF 포집량이 일정량 이상이면 한번씩 주기적으로 제거해야 자동차의 상태를 우수하게 유지 할 수 있으며 매연으로 인한 환경오염방지 기여 할 수 있다. 향후 자동차 메이커에서 계기판에 DPF 포집량 상태를 숫자로 표시하는 기능이 추가 된다면 자동차의 관리에 효과적일 것이며 이에 대한 개발 및 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차와 임베디드 시스템은 어떻게 변화하고 있는가?	자동차와 임베디드 시스템이 중앙집중 제어형 시스템에서 분산다중 제어형 시스템으로 변화되고 있다. 중앙집중제어형 시스템은 시스템 구조가 복잡하고 배선이 복잡하며, 시스템의 확장 및 유지보수에 문제점이 많이 발생된다.
	디젤엔진 자동차의 문제점은 무엇인가?	타이어의 공기압을 측정하여 화면에 표시하여 안전운행에 도움을 줄 수 있으며, 자신의 취향에 맞도록 변속타이밍을 설정할 수 있는 모드를 제공한다. 특히 디젤엔진 자동차의 경우 매연으로 인한 문제는 자동차 성능과 환경오염에 악영향을 미칠 수 있으므로 시스템 화면에 DPF 포집량을 표시하여 환경오염 방지와 효율적인 자동차 관리를 할 수 있도록 시스템을 개발하였다.
	자동차 무게와 제작비용의 증가 원인을 해결하기 위한 방법은 무엇인가?	이 문제점을 해결하기 위한 방법은 모든 시스템들이 자동차 내부의 한 개의 공통 네트워크 버스에 연결하는 방법으로 전체적인 배선의 양을 줄일 수 있으며, 네트워크용 IC 가격도 표준화를 통하여 저렴하다면 자동차 제작비용 감소에도 도움이 된다.

참고문헌 (16)

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https://blog.naver.com/ahtz/20099345780
Y. J. Jun & H. G. Cho. (2009). Embedded Product Development Guide. Jinhan M&B.
https://ko.wikipedia.org/wiki/JTAG

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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