[논문]K56 탄약운반장갑차용 제어기 간 통신 오류 개선에 관한 연구

박주영; 김성훈; 노상완; 박영민; 김경환

doi:10.5762/kais.2021.22.2.781

K56 탄약운반장갑차용 제어기 간 통신 오류 개선에 관한 연구
A Study on improvement of communication error between controllers for K56 ammunition transport vehicle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.781 - 788

박주영 (국방기술품질원) , 김성훈 (국방기술품질원) , 노상완 (국방기술품질원) , 박영민 (국방기술품질원) , 김경환 (한화디펜스)

초록
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본 논문은 K56 탄약운반장갑차의 주제어기와 서보제어기간의 통신에서 발생하는 통신오류를 개선하기 위한 설계에 관한 연구이다. K56 탄약운반장갑차는 K-55A1 자주포의 탄약 보급 및 적재를 자동화하여 운용을 보조하기 위한 장비이다. 탄약운반차의 캔통신보드는 주제어기의 내부에 탑재되어 서보제어기와의 통신을 위해 장착되는 핵심적인 기능품이다. 기존의 캔통신보드에서 정의되지 않은 오류가 간헐적으로 발생하는 문제점이 확인되었으며, 이로 인하여 탄적재 과정 중 탄약보급시스템 운용 중단 현상이 발생한 바가 있다. 본 논문은 발생된 문제를 해결하기 위하여 주제어기, 서보제어기간의 통신신호의 분석 및 기능시험을 통하여 고장 원인을 식별하였다. 또한 Read/Write 알고리즘 개선을 통한 재설계를 수행하여 오류 발생 현상을 해소하였다. 마지막으로, 제안된 원인 분석 및 설계의 유효성을 캔통신보드 단품 시험을 통하여 입증하였다. 이 연구가 캔통신보드의 신뢰성 향상을 통한 방위력 증진과 더불어, DPRAM을 이용하는 전자장치 전반의 신뢰성 향상에도 참고자료가 될 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is the study of a design to eliminate the communication error that occurs between the main controller and the servo controller of the K56 ammunition-carrying armored vehicle. The K56 assists in the operation of the K-55A1 self-propelled gun by automating the supply and loading of ammunition. The CAN communication board of the ammunition carrier is a key-function product mounted inside the main controller and installed for communication with the servo controller. It was confirmed that an undefined error would occur intermittently in the existing CAN communication board, interrupting the operation of the ammunition supply system during the loading process. In this paper, in order to solve the problem, the cause of the failure is identified through analysis and a functional test of the communication signal between the main controller and the servo controller. The error was resolved by redesigning and improving the Read/Write algorithm. Finally, the proposed cause analysis and design effectiveness were verified through the CAN communication board single item test and a system equipment application test. It is expected that this study will serve as a reference for improving defense capabilities through improving the reliability of CAN communication boards and by improving the reliability of the overall electronic equipment using DPRAM.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. The rough work breakdown structure of K56
그림 Fig. 2. Ammunition supply control system
그림 Fig. 3. Procedure of cause ananysis on communication error
그림 Fig. 4. Conceptual diagram of causes of control system errors
그림 Fig. 5. Undefined command processing flow Chart
그림 Fig. 6. Resend action command processing Flow Chart
그림 Fig. 7. Corrupted command processing flow Chart
그림 Fig. 8. Visual inspection
그림 Fig. 9. CAN Board processing structure
표 Table 1. Repeated test results
그림 Fig. 10. DPRAM Data Read/Write procedure
그림 Fig. 11. DPRAM R/W busy measurement Signal
그림 Fig. 12. Data change measurent
그림 Fig. 14. Dpram Access Timing Diagram
그림 Fig. 15. Functional Operation of DPRAM Access
그림 Fig. 13. DPRAM R/W busy measurement signal
표 Table 2. DPRAM R/W busy measurement data
그림 Fig. 16. Inspection Results
표 Table 3. Memory R/W conceptual diagram
표 Table 4. Test result for application of inspection SW

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 K56 탄운차의 캔통신보드에서 발생하는 통신오류를 개선하기 위한 소프트웨어 알고리즘 변경에 관하여 연구하였다. 통신보드의 주요 부분품인 DPRAM의 R/W 알고리즘을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

DPRAM Access 관련 신호 측정을 진행하였다. 특이한 파형의 노이즈 등은 발생되지 않았으며, 기타 특이사항 또한 발견되지 않았다.
DPRAM Access 관련 신호 타이밍 측정을 진행하였다. 데이터시트의 값과 측정값을 비교하였고 특이사항은 발견되지 않았다.
DSP/PIC9030 Controller 관련 발진 신호 측정을 진행하였다. 특이사항은 발견되지 않았다.
SW 개선을 진행 후 양방향 R/W 테스트를 진행하였다. 적용 시험 세부 결과는 Table 4와 같다.
납 상태, 코팅 상태, 이물 유무 등의 확인을 진행하였다. Fig 8과 같이 확인한 결과에서 특이사항은 발견되지 않았다.
다음으로 동작명령 수행 중 동작명령을 재전송한 경우에 대한 검증을 실시하였다. 이 경우에 대한 처리 흐름도는 Fig 6과 같다.
마지막으로 주 제어기가 캔통신 데이터 분석 중 명령데이터가 손상된 경우에 대한 검증을 실시하였다. 이 경우에 대한 처리 흐름도는 Fig 7과 같다.
통신오류 원인 분석은 통상적으로 기능검사, 육안검사, 신호검사로 구성된다. 본 연구에서는 Fig 3 과 같이 고장분석을 수행하였으며, 그 중에서도 DPRAM의 신호분석에 중점을 두어 연구를 진행하였다.[4]
본 연구에서는 K56 탄운차의 탄약 보급 및 적재 중 발생한 제어시스템 오류의 고장분석을 수행하였으며, 현재 사용중인 DPRAM 접근 알고리즘에 문제가 있음을 입증하였다, 또한 고장원인인 알고리즘을 개선하는 설계 방안을 도출하여 적용하였다. 마지막으로 단품시험, 환경시험, 체계부착시험으로 개선된 개선품에서는 동일한 유형의 고장이 발생하지 않음을 확인하였다.
신호선 노이즈 유무 검사, 신호 처리 기능 검사, 발진회로 검사, 전원회로 검사의 네 가지 설계오류 검사 항목을 설정하였고, 확인시험을 진행하였다.
우선, 주 제어기에서 서보제어기로 정의되지 않은 명령을 전송한 경우에 대한 검증을 실시하였다. 이 경우에 대한 처리 흐름도는 Fig 5와 같다.
데이터에서 변화가 발생함을 확인하였다. 이 현상의 개선을 위해서 섀도우 페이징 기법을 응용하였으며 소프트웨어 개선 방안에 참조하여 통신 수행에 문제가 없도록 하였다.[5, 6]
이 방식은 별도의 검증 과정 없이 데이터를 처리하도록 설계 되어 있다. 이에 따른 개선안으로 섀도우 페이징의 기본 원칙인 쓰기 시 복사(Copy On Write, COW) 방식을 응용하여 아래와 같은 개념도를 작성하였으며 이에 맞춘 검사용 SW를 설계하여 검증을 실시하였다. COW 방식은 CAN 통신보드가 쓰기 처리를 할 때 추가로 복사본을 생성하는 방식으로, 메모리의 2개 번지에 같은 데이터를 중복하여 쓰기 작업을 수행한다.
제어기간의 명령오류 발생 가능 요인은 Fig 4와 같이 크게 미정의 명령 전송, 동작 수행 중 명령 재전송, 명령데이터 손상 정도로 유추할 수 있으며 케이스를 분류하여 각각의 케이스에 대응하는 검증을 실시하였다.
제어시스템 점검 오류 원인 파악을 위하여 통신오류 원인 분석을 실시하였다. 통신오류 원인 분석은 통상적으로 기능검사, 육안검사, 신호검사로 구성된다.
체계장비 적용 시험에 앞서 주제어기와 캔보드DSP에 대응하는 시험용 SW를 설치하여 데이터의 정상 유무를 확인하였다. 데이터 R/W 절차는 Fig 10과 같으며, 두 개의 점검용 SW에서 동시에 R/W를 반복하여 DPRAM 데이터의 정상 유무를 확인하였다.
체계장비의 동작조건에서 캔통신보드의 DPRAM R/W를 점검하여 양방향에서 동시에 R/W를 수행할 시의 중첩 발생 여부를 검증하였다. 각 동작 조건별 R/W 동시 접속 빈도수는 Table 2와 같으며, 시험 결과 DPRAM R/W 중첩 현상이 빈번하게 발생함을 Fig 13과 같이 확인하였다.
캔통신보드에서 통신 데이터를 처리하는 주요 부품에 대한 신호선의 노이즈 유무, 데이터 R/W 기능처리, 발진 신호 및 전원 검사를 통한 설계의 타당성을 검증한다. 신호선 노이즈 유무 검사, 신호 처리 기능 검사, 발진회로 검사, 전원회로 검사의 네 가지 설계오류 검사 항목을 설정하였고, 확인시험을 진행하였다.

성능/효과

1. 탄 적재 중 발생한 280 제어시스템 점검 오류 중 기존에 정의된 오류가 아닌 미정의된 오류 현상이 발생함을 확인하였다.
2. 캔통신보드 조립체의 DPRAM Read/Write 중첩시험 결과, 양방향에서 동시에 Read /Write 수행 시 데이터 왜곡이 발생함을 확인하였고, 처리 알고리즘을 개선함으로써 데이터 왜곡에 의한 영향을 제거하도록 설계하였다.
3. 개선된 알고리즘을 점검용 SW에 구현하여 시험 한 결과 데이터 왜곡이 발생하지 않음을 확인하였다. 캔 통신보드 단품에 대한 SW 수정을 완료하였으며 단품 시험 및 체계장비 적합성 시험에서의 정상 작동을 확인하여 신뢰성을 확보하였다.
장비이다.[1] 기존의 5톤 탄약운반차량이 야지 기동성과 생존성이 취약하고, 병력들의 전투피로도가 높아 K-55 자주포 성능개량 특성발휘가 제한됨에 따라 전투력발휘의 극대화를 위해 자동화된 탄약 보급장치와 생존성이 향상된 탄약 운반차를 개발하였으며, 이로 인하여 군의 작전 수행 능력을 월등히 향상시키는 데 기여하였다.[2] 따라서 K56 탄운차의 주 기능은 탄약 및 장약을 적재하고 보급하는 시스템의 운용에 있으며, 특히 제어장치는 Fig 1에서 확인 가능하듯이 주제어기와 서보제어기와의 컨트롤러 기반통신을 통하여 탄운차의 탄약보급 자동화 시스템을 제어 및 통제하고, 탄약 및 장약의 데이터베이스 관리, 주요 시스템의 이상 여부를 전시하는 등의 중요한 역할을 수행한다.
데이터 R/W 절차는 Fig 10과 같으며, 두 개의 점검용 SW에서 동시에 R/W를 반복하여 DPRAM 데이터의 정상 유무를 확인하였다.
두 케이스를 배제한 상태에서 제어시스템 점검 오류 발생시 SW 시퀀스를 확인한 결과 주제어기와 서보제어기의 통신 중 명령 데이터가 손상된 경우 오류코드가 정의되지 않은 오류가 발생함을 확인하였고, 데이터 손상이 제어시스템 점검 오류의 원인일 수 있음을 추정하였다.
도출하여 적용하였다. 마지막으로 단품시험, 환경시험, 체계부착시험으로 개선된 개선품에서는 동일한 유형의 고장이 발생하지 않음을 확인하였다.
앞의 SW 분석에 따라, 현재 CAN 통신보드의 DPRAM Read/Write 알고리즘은 양방향 동시 R/W 상황을 고려하지 않았으며, 실험 결과 양방향 동시 R/W 시에 데이터에서 변화가 발생함을 확인하였다. 이 현상의 개선을 위해서 섀도우 페이징 기법을 응용하였으며 소프트웨어 개선 방안에 참조하여 통신 수행에 문제가 없도록 하였다.
약 1000만회의 R/W 테스트를 실시한 결과 Fig 16에서 확인할 수 있듯이, Busy 신호 발생 빈도에 변화는 없으나 데이터의 왜곡 현상은 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
확인할 수 있다. 측정 결과 양방향 DPRAM 데이터 R/W 중첩은 약 160회/초 발생되었으며, 29203회 수행시 데이터 변화 발생을 Fig 12와 같이 확인하였다. 이를 근거로 Read/Write가 동시에 이루어질 때 문제가 있는 것으로 판단하였다.
개선된 알고리즘을 점검용 SW에 구현하여 시험 한 결과 데이터 왜곡이 발생하지 않음을 확인하였다. 캔 통신보드 단품에 대한 SW 수정을 완료하였으며 단품 시험 및 체계장비 적합성 시험에서의 정상 작동을 확인하여 신뢰성을 확보하였다.

참고문헌 (6)

M. J. Lee et al., "The Report on Results of Quality Assurance Activities for the Initial Product of K56" DTaQ Technical Reports, 2015
C. Y. Jung, J. M. Lee, J. Y. Lee, Y. K. Park, "Operational Effectiveness Analysis of Field Artillery Ammunition Support Vehicle for K-55 Self-Propelled Artillery Using Simulation" Journal of The Korea Society for Simulation, Vol.20, No.3 pp.11-18, 2011 DOI : http://dx.doi.org/10.9709/JKSS.2011.20.3.011

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H. J. Kang, S. Y. Choi, "The Report on the Quality Assurance Activities for Main Controller of Equipped in 155mm Ammunition, Automated Resupply K56" DTaQ Technical Reports, 2015
N. S. Ahn. "Suggestion for Change in Risk Management Based Government Quality Assurance Activities of Military Supplies" Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. Vol.16, No.9 pp. 5914-5923, 2015 DOI : http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.9.5914

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S. T. Ryu, H. J. Kim, H. S. Han, "Analysis on File Write Performance of Reliability Techniques for Non Volatile Memory File System" The Korean Institute of Information Scientiests and Engineers. Vol 6. pp 91-93, 2013
F. Muehlegg, A. Schuetz, " A Highly Flexible DUAL-PORT-RAM Compiler" , Euro ASIC '90 , Paris, France, 1990, pp. 277-281.

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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