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필드 네트워크를 위한 AS-Interface 통신 시스템(2)

제조 자동화의 고도화에서 말초 신경계에 해당하는 최하위 필드 레벨에서의 개방형 네트워크인 AS-Interface 통신은 1994년 실용화된 이후 수백만개의 AS-I 디바이스들이 설치되어 검증받았고, 2000년 IEC 표준 인증 및 2006년 KS 표준을 인증받았다.

4. 네트워크 구조

AS-Interface 네트워크의 토폴로지는 사용자의 편의를 위해 설계와 계획이 크게 단순화되었다. 즉 토폴로지는 국지적 조건에 맞추어 전체적으로 적응될 수 있으며, 단순한 전력 배분을 위한 일반적인 전기 설치처럼 성형, 링, 선 등 다양한 외관을 가질 수 있다. 스테이션은 케이블을 따라 혹은 그룹을 지어 고르게 분포된다. 케이블 종단 저항은 필요없다.

허용되는 구조는 다음과 같다.
– 100m 케이블과 그 끝의 AS-Interface 슬레이브

– 90m 케이블과 그 끝의 스타 구조의 62개 슬레이브

– 스타 구조의 62개 슬레이브와 마스터의 케이블 길이와 동일한 혹은 동일하지 않은 케이블

– 62개의 슬레이브가 케이블을 따라 균등하게 혹은 비균등하게 분산된 선 구조

– 위의 구성의 혼합 구조

AS-Interface에는 심지어 수동적인 링 구조도 가능하며, 이 구조는 예를 들어 최대 소비자가 전력 입력점으로부터 멀리 떨어져 있고 전압 강하를 최소화시킬 필요가 있을 때 적합하다.

지켜야 할 유일한 조건은 케이블 총 길이에 대한 100m 제한이다. 이 수치는 모든 케이블 길이를 합산한 것으로서 탭도 포함된다. 길이가 길어질수록 더 많은 리피터가 삽입되어야 한다.

5. 변조 과정

AS-Interface를 위한 적절한 변조 과정을 선택할 때 고려해야 할 많은 요구조건이 있는데, 그 중 가장 중요한 것을 여기에 설명한다. 센서와 액추에이터의 공급전압에 중첩된 메시지 신호는 직류분이 없어야 한다. 슬레이브의 송신기(그리고 가능한 경우 마스터의 송신기도 포함)는 간단한 방식으로, 즉 비용 절감적이고 공간 절약적인 방식으로 신호를 생성할 수 있어야 한다. AS-Interface 케이블은 주파수에 따라 임피던스가 크게 증가하므로(월간 ICN 2007년 6월호 50페이지 그림 4-1 참조) 메시지 신호의 대역은 상대적으로 좁아야 한다. 또한 허용치 이상의 전자기 노이즈를 방사하지 않아야 한다. 이용되고 있는 기존의 변조 방법 중에는 이 모든 요구조건을 만족시킬 수 있는 것이 없었다. 이에 AS-Interface가 새로운 방법을 개발하고 규정할 필요가 있었다.

그 결과 교류 펄스 변조(APM)가 개발되었다. 이 방법은 베이스 밴드 내의 직렬전송을 위한 것으로서, 그 기능성을 그림 7a와 7b를 참조하며 설명하겠다. 송신 비트 시퀀스는 우선 비트 시퀀스로 인코딩되며, 이 비트 시퀀스는 송신 신호가 변할 때마다 위상 변화를 수행한다. 그 결과, 송신 전류가 시스템 내의 단일 도체와 함께 미분을 사용하여 AS-Interface 케이블 상에 원하는 신호 전압 레벨을 생성한다.

따라서 송신 전류 내에서 상승이 일어날 때마다 음전압 펄스가 발생하고 양전압 펄스로의 강하가 일어난다. 이런 방식으로 슬레이브 내에서 실제 공급 전압보다 더 높은 전압을 가진 신호를 발생시키는 것이 매우 간단해진다. 이것은 즉 슬레이브 내에 도체가 필요 없음을 의미하므로 센서나 액추에이터에 통합되는 전자 장치를 소형의 저렴한 전자 장치로 유지할 수 있다. 수신기 측에서 이러한 전압 신호는 라인 상에서 검출되고 송신 비트-시퀀스로 다시 변환된다. 수신기는 처음으로 검출된 음펄스를 메시지의 시작 비트로 해석하고, 이 펄스에 자체를 동기화시킨다.

전압 펄스가 Sin2 펄스에 가까워지면, 하한 주파수와 낮은 노이즈 방출을 위한 요구조건들이 동시에 충족된다. 이것은 Sin2 펄스의 적분처럼 생성되는 송신 전류 펄스를 적합한 파형으로 변환함으로써 이루어진다. 그림 4-1(지난호 참조)은 전형적인 송신 펄스 시퀀스의 주파수 스펙트럼이다. 그림 4-2와 비교하여 보면, 감쇠 곡선과 신호 스펙트럼이 최적 정합됨을 볼 수 있다. 이 변조 과정과 사용 가능한 토폴로지를 사용하여 6㎳의 비트 타임을 획득할 수 있다. 이로 인해 167kBit/s의 총 전송률이 가능해진다.

비종단 케이블은 수신기가 처리해야 하는 AS-Interface 메시지의 진폭을 발생시키므로, 개별 텔레그램 뿐만 아니라 다양한 슬레이브로부터의 텔레그램들 사이에서도 그림 8과 같은 변동을 가질 수 있다. 메시지 내의 차이는 케이블 단말에서의 반사가 저주파 보다는 고주파에 영향을 미친다는 사실에서 (그럼으로써 Sin2 펄스의 밀도가 더 압축된다) 유래한다. 또한 울림(링잉)은 수신기에 영향을 미치지 않아야 한다. 이 진폭 공차를 관리함으로써 AS-Interface는 어떤 케이블 토폴로지에서도 극히 강건하다.

슬레이브 응답의 절대 크기는 토폴로지와 슬레이브의 위치에 따라 다르다. 슬레이브가 전원 공급 장치 가까이에 위치함으로써 케이블 종단기를 형성하면, 이 슬레이브는 최소 진폭을 가진 응답을 발생시킨다. 반면, 하나의 슬레이브만이 라인을 따라 고정된 지점에 위치한 스테이션(마스터)과 통신하는 경우에, 마스터는 케이블 전체에 걸쳐 모든 지점에서 발생하는 슬레이브 응답을 처리할 수 있어야 한다.

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데이터 링크 레이어

1. 액세스 절차

AS-Interface는 스타 방식의 2점 접속(전통적인 케이블 트리)을 대체하도록 설계되었기 때문에, 이 토폴로지를 재생하고 사전 정의된 응답 시간을 보장할 수 있는 버스 액세스 프러시저가 선택되었다(주기적 폴링을 이용한 마스터-슬레이브 액세스). 마스터는 특정 슬레이브 주소에서 수신된 텔레그램을 전송하고, 이 주소에서 접촉된 슬레이브는 정해진 시간 내에 응답한다(그림 9). 전송 시스템의 관점에서 보면, 한번에 하나의 마스터와 최대 62개의 슬레이브만이 관련될 수 있다.

AS-Interface 용으로 선택된 액세스 방법은 슬레이브의 구조를 매우 간단하고 비용절감적으로 만들며, 동시에 최대한의 유연성과 무결성을 구현할 수 있도록 한다. 예를 들어 라인 상에 잠깐의 외란이 발생하는 경우에 마스터는 응답을 수신하지 못했거나 무효인 응답을 수신한 텔레그램을 반복할 수 있다. 즉 주기 전체를 다시 반복할 필요가 없다.

싱글-마스터 액세스 방법은 제2 (스탠바이) 마스터의 동작을 배제하는 것은 아니다. 제2 마스터 또한 데이트 흐름을 읽고 제1 마스터가 고장나는 경우 통신을 책임진다.

2. AS-Interface 메시지

AS-Interface 메시지는 그림 3.12에 나타난 바와 같이 마스터 요청, 마스터 휴지기, 슬레이브 응답, 슬레이브 휴지기로 구성된다. 모든 마스터 요청의 길이는 정확히 14 비트 타임이고 모든 슬레이브 응답은 7 비트 타임이다. 1 비트 타임은 일률적으로 6㎳에 해당한다.

마스터 휴지기는 적어도 최소 2 비트 타임, 최대 10 비트 타임으로 허용된다. 슬레이브는 동기화되면 2 비트 시간이 끝나는 즉시 응답 전송을 시작할 수 있다.

만약 동기화되지 않으면, 폴을 유효한 것으로 수용하기 전에 추가적인 정보를 얻기 위해 마스터 휴지기를 모니터링하기 위한 2 비트 시간이 더 필요하다. 그러나 만약 마스터가 10 비트 타임 후 슬레이브 응답을 위한 시작 비트를 수신하지 않으면, 수신할 응답이 없다고 판단하고 다음 요청을 시작할 수 있다. 슬레이브 응답 종료와 그 다음 마스터 요청 사이의 휴지기(슬레이브 휴지기)의 길이는 1.5 비트 타임~2 비트 타임을 넘어서는 안 된다.

그림 9에 나타난 신호 시퀀스는 비트 시퀀스 00101010111011BIN을 나타내며, 이는 주소 21과 사용자 데이터 EHEX를 가지는 표준 슬레이브에 대한 데이터 요청을 의미한다. 슬레이브는 비트 시퀀스 0011001BIN로 응답하며 이에는 사용자 데이터 6HEX가 포함된다.

4 비트의 사용자 데이터는 마스터 요청 시에 포함되고 슬레이브 응답 시에 회송된다.
AS-Interface 규격 2.1 (1998)은 이전의 31개의 슬레이브에서 늘어난 62개의 슬레이브를 AS-Interface 네트워크에 연결시키는 가능성을 만들었다. 이로 인해 기존의 시스템과의 호환성을 잃지 않고도 추가적인 주소 비트를 정의해야 할 필요성이 생겼다. 이러한 이유로 다음과 같이, 소위“확장형 주소지정 모드”에서 동작되는, ID 코드“AHEX”를 가지는 모든 슬레이브들을 위한 마스터 요청의 정의가 합의되었다.

그림 9에 설명된 메시지 역시 확장된 주소지정 모드에서 슬레이브로 전송될 수 있다. 이 경우 메시지에는 주소 21A와 사용자 데이터 6HEX가 포함된다. 즉 이 모드에서는 슬레이브에 대한 마스터 요청 내에 단지 3비트의 사용자 데이터만이 포함된다는 것을 의미한다. 확장된 주소지정 모드에서의 슬레이브 응답은 변경된 사항이 없다.

3. 데이터 무결성과 오류 응답

신뢰도 높은 오류 인식은 AS-Interface 케이블(대부분이 쉴딩 처리되지 않음)을 통해 오류 없는 통신을 구현하기 위한 매우 중요한 기능이다. 오류 검출은“수신(RECEIVE)”상태에서 이루어진다.

AS-Interface에서의 데이터 확인은 대부분의 일반적인 버스 시스템에서 사용되는 원칙과 다른 원칙에 따라 이루어진다. 그 이유 중의 하나는 교환되는 텔레그램의 길이가 매우 짧다는 데에서 찾을 수 있다.

마스터 요청에는 확인될 데이터 11비트와 슬레이브 응답 4비트가 포함된다. 이를 확인하기 위해 기존의 방법인 4 해밍 거리 (HD=4)를 사용하면, 마스터 텔레그램을 위한 7비트와 슬레이브 텔레그램을 위한 4비트를 추가적으로 전송해야 한다. 이러한 경우에는 실현 가능한 네트워크 전송 속도가 크게 감소되는 단점이 있다.

따라서 그대신, AS-Interface는 비트 전송 자체에 확인 작업을 강화한다. 그러기 위해 코드의 중복과 텔레그램의 고정 길이에 대한 정보를 사용한다. 그 결과 다음과 같은 오류가 구별될 수 있다.

– 시작 비트 오류

– 교번 오류

– 중지 오류

– 정보 오류

– 패리티 오류

– 종료 비트 오류, 및

– 텔레그램 길이 오류

모든 마스터 요청과 슬레이브 응답은 각각 이 확인 과정을 거친다. 위에 언급된 오류 중 하나가 검출되면 요청은 오류가 있는 것으로 간주된다. 확인 작업은 간단히 몇몇 논리 연산을 통해 수행될 수 있으며, 처리 시간에 거의 영향을 주지않는다. 이 작업은 [14]에서 보는 바와 같이 매우 효율적이다.

만약 슬레이브가 마스터 요청을 수신하고, 수신된 비트 시퀀스의 확인 결과 오류가 검출되면, “비동기(ASYNCHRONOUS)”상태로 들어가서 다음 휴지기를 기다려, 그 다음 마스터 요청을 “수신(RECEIVE)” 상태에서 판독한다.(그림 3.19 참조). 이 경우 슬레이브는 응답 텔레그램을 발생시키기 않는데, 그 이유는 오류가 텔레그램의 주소 범위에 있을 수도 있고, 텔레그램이 처음부터 다른 슬레이브를 향한 것일 수도 있기 때문이다. 마스터는 마스터 휴지기 모니터링을 통해 슬레이브 응답이 도달하지 않았음을 판단하고 필요한 경우 요청을 반복할 수 있다. 만약 마스터 요청이 오류 없이 수신되었으나 정확한 주소가 아니거나 인식되지 않은 명령 코드를 가진 경우, 슬레이브는“동기(SYNCHRONOUS)”상태로 들어가고 슬레이브 응답을 발생시키지 않는다.

명령이 실제로 슬레이브에서 응답을 트리거하는 경우에만 슬레이브 응답이 발생되고 정상적인 확인으로 마스터에 회송된다. 이 응답이 마찬가지로 오류 없이 수신된 경우에는 메시지는 성공적으로 교환된 것으로 간주된다. 그러나 슬레이브가 이미 명령을 정확히 수행한 경우에도 여전히 마스터가 응답에서 오류를 검출하고 요청을 반복하는 경우가 생길 수 있다.

이 확인 원칙에 대한 예외는 동보 통신 명령(다음 섹션 참조)이다. 여기서도 물론 슬레이브는 응답을 발생시키도록 허용되지 않는다. AS-Interface의 총 전송률은 167kBit/s로서, 다양한 기능을 위해 필요한 모든 휴지기를 포함해 최대 53.5kBit/s의 순 통신 속도가 가능하다. 그 결과인 사용자 데이터 전송 효율은 32%로 계산될 수 있다. 이 값은 다른 버스 시스템과 비교해 뛰어난 성능을 입증하는 수치이다.

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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