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자인 일렉트로닉스에 모인 사원들의 열정을 이야기한 칼럼과 스토리, 또,
지금까지 고객이 평가한 솔루션의 일부를 소개합니다.

개발 칼럼 NEW

폭넓은 용도로 손쉽게 사용할 수 있는 8B10B Serial Transceiver, 양방향 데이터 통신의 간결한 배선이나 장거리화, 광통신화, 무선화에 적합

「조금 길어진 생산 라인을 카메라로 모니터 하기 위해, 고속 인터페이스의 전송 거리를 늘리고 싶다」「소형 단말기를 기기 본체로부터 착탈할 수 있도록, 고속 인터페이스를 무선화하고 싶다」「1km정도 떨어진 거점을 카메라로 감시하기 위해, 고속 인터페이스를 광통신화하고 싶다」・・・ 최근 들어 산업기기나 OA기기, 보안/감시기기 등의 용도에서는 이런 요구가 늘고 있다고 한다. 배경에는, CMOS 이미지 센서를 채용한 카메라를 간편하게 사용할 수 있게 되었다는 것과 IoT(Internet of Things) 대처의 강화에 따른 다종다양한 센서로 다지점을 계측하는 용도가 늘어나고 있는 것 등을 들 수 있을 것이다.

손쉽게 사용할 수 있는 Transceiver

자인 일렉트로닉스는, 이런 요구에 비교적 간단하게 대응할 수 있는 Transceiver IC「THCS251」을 개발하여, 이미 판매를 시작했다. 당사는 「Serial Transceiver」, 또는 「8B10B Transceiver」라고 부른다.

이 Serial Transceiver IC는, Transmitter(송신기)와 Receiver(수신기)를 1Chip에 집적한 것. 1세트의 IC간을 접속하는 전송 라인은 2세트의 차동 라인만으로 이것이 Uplink(상향)와 Downlink(하향)로서 기능한다(그림1).
 
그림1 THCS251을 사용한 전송 시스템

데이터 전송 속도는 상향하향 합쳐서 최대 4.67Gbps로 높다. Frame Rate가 30fps까지면, Full HD(1920×1080 화소)의 영상을 보낼 수 있다. 게다가 Uplink와 Downlink는 동시에 데이터를 주고 받을 수 있다. 즉, 1개의 전송 라인을 사용하여 송수신을 번갈아 처리하는 반이중 통신이 아닌, 전이중 통신을 실현할 수 있게 된다.

이 Serial Transceiver IC는 어떻게 사용할까? 최대 35Bit의 패럴렐 입출력(I/O) 단자를 갖추고 있어 이를 통해서 12Bit의 영상신호나 카메라용 제어신호 등을 입력한다. 또 I2C 버스신호를 입력할 수도 있다. 즉, 고속의 영상신호나 저속의 제어신호, I2C 버스신호 등을 단순히 입력하는 것만으로 내장된 Serializer(8B10B 부호화 회로)가 자동적으로 시리얼화하여 2세트의 차동 라인으로 송수신한다.
 
사용자가 해야 할 작업은 단자 설정 정도 밖에 없다. 소프트웨어의 개발은 일절 불필요하다. 게다가 사용하는 것은 2개의 Serial Transceiver IC 뿐이다. 이것들을 각각 양방향으로 데이터를 주고 받고 싶은 보드에 실장하기만 하면 된다. 다른 IC를 외장으로 준비할 필요가 없다.

이 Serial Transceiver IC를 사용하는 것만으로 양방향 데이터 통신의 전송거리를 15m 이상 늘릴 수 있다. 광통신화와 무선화도 매우 간단하다. 마스터 측에서는 Serial Transceiver IC의 후단에, 슬레이브 측에서는 전단에, 광통신 Transceiver 모듈을 접속하면 광통신화를 실현할 수 있으며, 무선통신 모듈을 접속하면 무선화를 실현할 수 있다.

있는 듯 없었던 Transceiver IC

양방향 데이터 통신의 간결한 배선이나 장거리화, 광통신화/무선화를 간단하게 실현할 수 있는 Serial Transceiver IC. 특별히 난이도가 높은 기술을 이용하는 것은 아니다. 기존에 알려진 8B10B 부호화/복호화 기술을 이용했을 뿐이다. 그런데 지금까지 동일한 컨셉의 제품은 넓게 실용화되지 않았다. 당사에 의하면 「아마 이유는 2가지」라고 한다.

하나는 기존의 고속 인터페이스용 Transceiver IC, 또는 Transmitter IC/Receiver IC는 대상이 되는 어플리케이션이 명확했다는 점이다. 즉, ASSP(Application Specific Standard Produce)의 색채가 짙었던 것이다. 이 때문에, 이번처럼 「어떤 용도로도 사용할 수 있는 범용품」이라는 발상이 거의 없었다.

다른 이유는, 지금까지는 전송 라인의 삭감을 중시했던 것이다. 반이중 통신이라면 1세트의 차동 라인(2개의 전송 라인)으로 줄일 수 있지만, 전이중 통신은 2세트의 차동 라인(4개의 전송 라인)이 필요하다. 거기서 기존에는 전송 라인의 갯수가 적은 반이중 통신이 즐겨 사용되었다. 그런데 반이중 통신은 광통신화/무선화가 곤란한 것과 저속 제어신호의 실시간 송신이 어려운 것 등의 문제가 있다. 그래서 이번에는 전송 라인의 삭감은 포기하고, 문제 해결을 우선시했다.

기존에는 많은 노력과 시간이 필요했다

물론, 양방향 데이터 통신의 간결한 배선화나 장거리화, 광통신화/무선화의 요구는 지금까지도 있었따. 지금 비롯된 이야기는 아니다. 기존에는 어떻게 대응하고 있었을까?

실현 방법은 크게 2가지이다. 하나는 FPGA를 사용하는 방법이다. FPGA를 사용하면, 기본적으로 어떤 요구에도 대응할 수 있다. 그러나, 당연히 하드웨어 설계와 소프트웨어 설계라는 작업이 필요하게 된다. 양방향 데이터 통신의 장거리화라는 요구에 대해서는 프로토콜 처리 회로나 물리층 회로 등의 하드웨어나 입출력 설정, 스크램블 처리 등의 소프트웨어 개발이 요구된다. 게다가 장거리 전송을 위하여, Equalizer 기능을 하드웨어, 또는 소프트웨어에 실장할 필요가 있다. 이런 작업을 모두 실행하려면 많은 노력과 긴 시간이 걸린다.

다른 하나는, 고속 인터페이스에 대응하는 시판 칩을 채용하는 방법이다. 예를 들면, 자인 일렉트로닉스의 제품이라면 「V-by-One® HS」 대응 Transmitter IC와 Receiver IC를 2개씩 사용하면 상기와 같은 요구에 대응할 수 있다(그림2(a)). 구체적으로는, 마스터 측과 슬레이브 측에 각각 Transmitter IC와 Receiver IC를 실장하고, 2세트의 차동 라인으로 접속한다. 이렇게 하면 전이중 통신으로 영상신호와 제어신호를 보낼 수 있다.

다만, 이 차동 라인에서는 I2C 보스신호는 보낼 수 없다. 저속 양방향 통신에 대응하는 Sub-Link(1세트의 차동 라인)기능을 탑재한 디바이스를 적용하는 선택지도 있지만, Sub-Link는 반이중 통신이기 때문에 장거리화에는 대응할 수 있어도 광통신화와 무선화는 쉽지 않다(그림2(b)). 그러므로, 2번째의 대응 방법으로는 요구에 완전히 대응할 수 없다.
 
그림2 「V-by-One® HS」대응 Transmitter IC/Receiver IC를 사용한 시스템 구성

덧붙여 자인 일렉트로닉스 외에도 복수의 아날로그 반도체 업체가 이러한 양방향 데이터 통신에 대응하는 Transmitter IC/Receiver IC를 제품화하고 있다. 모두 기본 구성은 동일하고, 같은 문제를 안고 있다.

그 외, 저속 대응 Transmitter IC를 사용한다는 선택지도 없는 것은 아니다. 이것이라면, THCS251과 마찬가지로 마스터 측과 슬레이브 측에 1Chip씩 실장하는 것만으로 구성할 수 있다. 그러나, 영상신호는 보낼 수 없다. 데이터 전송 속도는 기껏해야 1Mbps 정도에 불과하기 때문이다. 그러므로, 이 선택지로는 사용자의 요구에 대응할 수 없다.

전송거리 연장 데모를 준비

자인 일렉트로닉스에서는, Serial Transceiver IC 「THCS251」의 유용성을 주지하기 위하여, 데모를 준비하고 있다. 이번에는 그 중 하나를 소개한다.

FA용도를 상정한 데모이다. 로봇 암의 선단에 카메라를 설치하고, 떨어진 장소에 있는 오퍼레이터가 그 영상을 보면서 로봇 앞을 제어한다(그림3). 마스터 측과 슬리브 측의 보드에는 모두 THCS251을 탑재. 각각의 보드는 2세트의 차동 라인(4개의 전송 라인)으로 연결했다(그림4).
그림3 데모 모습
 
그림4 데모 시스템 구성

슬레이브 측의 보드는 로봇 암과 접속되어 있다. 카메라로 촬영한 영상신호는 THCS251에서 시리얼화 되고, 1세트의 차동 라인(Downlink)을 통하여 마스터 측의 보드로 보낸다. 마스터 측의 보드에서는 영상 신호를 THCS251로 수신하고 Deserialize한 후에 Arduino Board를 통해 PC에 보내고 모니터에 표시한다.

한편, 영상을 보고 로봇 암의 제어가 필요하다고 판단한 오퍼레이터는 PC상의 소프트웨어에 제어 명령을 입력한다. 그러면, 그 제어신호는 USB 인터페이스를 통하여 Arduino Board로 보내고, I2C 신호로 변환한 후에 마스터 측의 보드로 송신하여 THCS251에 입력된다. 그리고 1세트의 차동 라인(Uplink)을 통해 슬레이브측 보드의 THCS251에 보내고, Deserialize되어 로봇 암의 드라이브 컨트롤러에 입력된다. 이렇게 로봇 암의 동작을 제어한다.

데모에서는, 마스터 측의 보드와 슬레이브 측의 보드를 10m의 케이블로 연결하고 있다. 10m의 케이블을 사용해도 전이중 통신이 가능하기 때문에, PC에 입력한 제어신호는 거의 실시간으로 로봇 암으로 보내 동작을 제어할 수 있다. 떨어진 장소에서도 영상을 보면서 실시간으로 로봇 암의 움직임을 세밀하게 조정할 수 있게 된다.

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