THine Value FPGA를 사용하지 않고도 I/O 문제를 간단하게 해결 GPIO와 I2C를 하나로 묶어 보내는 시리얼 트랜시버 등장
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그러나 한편으로는 설계의 난이도가 높아지는 문제에 봉착한다. 예를 들어, '생산라인이 길어 전체 라인을 카메라로 감시하려고 하는데 영상 데이터의 전송 거리가 부족하다', '각종 센서에서 취득한 데이터를 전송하는 케이블이 너무 많아 전자기기 본체의 무게가 증가한다', '멀리 떨어진 곳을 카메라로 감시해야 하므로 영상 데이터 전송 거리를 1km 정도로 늘리고 싶다' , "산업기기의 설치환경이 열악하여 센서와 연결되는 고속 전송로를 방진 대응하거나 쉽게 탈부착 할 수 있도록 하고 싶다" 등이다. 이러한 문제를 해결하면서 카메라 모듈과 각종 센서를 필요에 따라 채택해 전자기기의 기능과 성능, 사용 편의성을 향상시킨다. 이것이 현재 산업기기 개발자들이 안고 있는 과제다.
Parallel전송을 Serial전송으로 대체
이러한 문제를 해결하기 위해 자인 일렉트로닉스는 새로운 시리얼 트랜시버 IC 'THCS253/THCS254'를 출시했다. 신제품의 닉네임은 'IOHA:B'(아이오허브로 발음) 이다.
신제품은 송신기(송신회로, 시리얼라이저)와 수신기(수신회로, 디시리얼라이저)를 하나의 칩에 집적했다. 이 때문에 SerDes 트랜시버 IC라고도 불린다. 신제품 2개를 준비해 한쪽을 1차 칩으로, 다른 한쪽을 2차 칩으로 단자를 설정하여 사용한다. 이들 사이를 2페어의 차동 라인으로 연결하여, 한쪽을 업링크, 다른 한쪽을 다운링크로 한다. 즉, 업링크와 다운링크 신호라인을 각각 따로 준비해서 송수신을 동시에 하는 전이중 통신방식을 구현할 수 있다. 수많은 신호 라인으로 구성된 Parallel전송을 단 2페어의 차동 라인에 의한 시리얼 전송으로 대체하는 등의 용도를 상정한다. (그림 1).
그림1 Parallel전송을 Serial전송으로 대체하는 방법
구체적인 응용 분야는 전자기기의 기기 간 또는 그 내부의 보드 간 데이터 전송이다. 기기 간 또는 보드 간을 연결하는 30개가 넘는 수많은 신호 라인을 단 2페어의 차동 라인(4개의 신호 라인)으로 묶을 수 있기 때문에, 배선 케이블의 감소 및 중량 감소와 더불어 전송 거리 연장 등이 실현 가능하다. 즉, 앞서 소개한 과제를 모두 해결할 수 있는 것이다.
사실 자인일렉트로닉스는 이미 2019년 말 거의 동일한 사용법이 가능한 시리얼 트랜시버 IC의 기존 제품 THCS251/THCS252 '를 제품화한 바 있다. 이번에 출시한 신제품 THCS253/THCS254는 기존 제품의 후속 버전에 해당한다. 신제품은 기존 제품이 가지고 있던 기본 기능을 그대로 계승하면서 새롭게 큰 변화를 주었다. 그 변화는 묶을 수 있는 신호 라인으로 여러 개의 GPIO(범용 입출력) 외에 1계통 또는 2계통의 I2C를 추가한 것. THCS253은 GPIO를 최대 32개, THCS254는 최대 20개까지 제공하며, 이 외에도 두 제품 모두 1계통의 I2C를 기본 탑재하고 있다. 또한 사용자가 소정의 설정을 하면 2개의 GPIO를 I2C에 할당할 수 있다. 즉, 최대 2개의 I2C를 GPIO와 함께 묶어 시리얼로 전송할 수 있다.
Optic화/무선화에도 쉽게 대응
이번 신제품은 기존 제품인 THCS251/THCS252의 장점은 그대로 유지하면서 새로운 장점을 사용자에게 제공할 수 있다. 먼저 기존 제품에서 계승한 장점을 살펴 보자. 장점은 크게 6가지다.
첫 번째는 Parallel전송을 Serial전송으로 대체할 수 있기 때문에 배선 케이블 수를 줄일 수 있다는 점이다. 예를 들어, 이번 신제품인 THCS253의 경우 34개(GPIO 32개 + 1계통의 I2C) 신호라인을 불과 차동 2페어(4개)으로 줄일 수 있다. 즉, 배선 케이블 수를 최대 88%까지 줄일 수 있다는 계산이 나온다. 그 결과 34개의 배선 케이블이 통과할 수 없었던 좁은 틈새도 통과할 수 있게 된다. 예를 들어, 잉크젯 프린터 등 전자기기의 소형화에 기여할 수 있다.
두 번째는 배선 케이블의 총 중량을 줄일 수 있다는 것이다. 배선 케이블의 개수를 크게 줄일 수 있기 때문이다. 이 효과는 크다. 예를 들어, 드론 본체를 경량화할 수 있기 때문에 배터리 구동 시간을 늘릴 수 있고, 더 오랜 시간 비행이 가능해진다.
세 번째는 배선 케이블 연결 작업을 간소화할 수 있다는 것이다. 연결해야 하는 케이블 수가 줄어들기 때문이다. 결론적으로 배선미스를 줄이고 작업 효율을 높일 수 있다.
네 번째는 신호 품질(신호 Integrity)을 유지하면서 전송 거리를 늘릴 수 있다는 것이다. 병렬 전송에서는 클럭 주파수가 100MHz일 때 전송 가능한 거리가 기껏해야 1m 정도다. 반면, 시리얼 전송은 수신 회로에 전송된 신호의 주파수 특성을 보상하고 파형을 정형화하는 CTLE(Continues Time Linear Equalizer)를 수신단에 탑재했기 때문에 전송 거리는 배선 케이블의 품질에 따라 달라지겠지만, 클록 주파수가 100MHz 인 경우(전송속도는 3.0Gbit/sec)에 약 10m까지 연장할 수 있다.
다섯번째, 전자기 노이즈(EMI: Electro-Magnetic Interference)의 방사 레벨을 억제할 수 있다. 그 이유는 두 가지인데, 하나는 클록신호 내장형 SerDes 회로를 채택하고 있기 때문이다. 또 하나는 전송 매체가 두 개의 신호 라인으로 구성된 차동 케이블이기 때문이다. 각각의 신호 라인에서 방사되는 노이즈는 상쇄된다.
여섯 번째는 설계의 공통화가 가능하다는 점이다. 기존 제품인 THCS251은 GPIO를 최대 35개까지 제공하고 있지만, 이를 모두 사용하는 사례는 거의 없다. 남는 단자(빈 단자)가 발생한다. 이를 유효하게 활용하면 설계를 공통화할 수 있다. 예를 들어, 남는 단자를 이용해 사전에 Micom/FPGA와 커넥터 사이를 연결해 둔다. 이렇게 하면 여러 기종에서 기능이 약간 다르더라도 신호 전송로 등의 하드웨어 설계는 그대로 유지하면서 남은단자에 새로운 신호를 할당하는 것만으로 기능 차이를 흡수할 수 있다. 게다가 기존 제품인 THCS251/THCS252는 범용 입력(GPI)과 범용 출력(GPO)의 개수 비율을 4단계로 설정할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 이를 통해 기능의 차이를 흡수할 수 있는 범위를 넓힐 수 있다. 즉, 하나의 하드웨어 설계만으로 여러 기종을 구현하는 설계의 공통화가 가능했던 것이다.
이러한 장점 외에도 또 하나의 큰 특징이 있다. 바로 Optic화와 무선화가 용이하다는 점이다. 앞서 언급했듯이 신제품은 다운링크와 업링크 전송로를 각각 마련한 전이중 통신 방식을 채택하고 있다. 따라서 각각 광전변환 디바이스 또는 근거리 무선통신 장치(밀리미터파 통신디바이스)를 연결하기만 하면 기기 간 또는 보드 간 연결을 Optic화 또는 무선화할 수 있다. 그 결과 응용 범위가 크게 넓어진다. Optic화하면 두 전자기기의 거리가 수십~수백미터 까지 크게 떨어져 있는 용도나 노이즈 환경이 열악한 용도, 전기적 절연이 요구되는 용도에도 적용할 수 있게 된다. (그림 참조).
한편, 무선화를 채택하면 공장 등에서 방진이 요구되는 용도나 전기적 절연이 요구되는 용도에 사용할 수 있게 된다(그림 참조).
갑작스러운 기능 추가에도 하드웨어 재설계가 필요 없다.
이와 같이 자인 일렉트로닉스의 시리얼 트랜시버 IC는 기존 제품에서도 위와 같은 여러 장점을 누릴 수 있다. 이에 더해 신제품 THCS253/THCS254는 I2C 대응으로 I/O(입출력 인터페이스) 부분의 설계 자유도를 크게 높일 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로 전자기기 개발 현장에서는 설계에 착수한 후 갑자기 설계변경을 하는 경우가 적지 않다. 예를 들어, 새로운 기능의 추가 등이다. 이 경우, 추가되는 기능에 따라 다르겠지만, 서브보드 등과 주고받는 신호 라인이 늘어나게 되어, 신호 전송로 등과 같은 하드웨어 설계를 변경해야 하는 경우가 있다. 물론 재설계를 하게 되면 그만큼 공수와 기간, 비용 등이 늘어나는 것은 당연하다.
가급적이면 급격한 설계 변경이 발생하더라도 하드웨어의 재설계만큼은 피하고 싶다. 이런 경우에 이번 신제품은 큰 효과를 발휘한다. 왜냐하면 I2C를 지원하기 때문에 이를 통해 내부 레지스터에 접근하여 데이터를 다시 Write함으로써 단자 하나하나를 자유롭게 커스터마이징 할 수 있기 때문이다. 즉, 신호 전송로 등과 같은 하드웨어 설계는 그대로 두고, 내부 레지스터를 Write하는 것만으로 기능 추가에 대한 유연한 대응을 할 수 있게 된다. (그림 4).
기존 제품인 THCS251/THCS252도 앞서 언급한 바와 같이 GPI와 GPO개수 비율을 4단계로 설정할 수 있는 기능을 탑재하고 있어, 이를 활용하면 급격한 설계 변경에 어느 정도 대응할 수 있었다. 하지만 커스터마이징할 수 있는 범위는 신제품이 압도적으로 넓다. 따라서 신제품을 사용하면 기존 제품에 비해 설계 변경 시 하드웨어 재설계가 발생할 확률을 크게 낮출 수 있다.
그렇다면 이번 신제품이 나오기 전에는 하드웨어 재설계를 방지할 수 있는 효과적인 대응책이 없었을까? 물론 FPGA를 사용하면 가능했다. 하지만 큰 단점이 있었다. FPGA 내부 회로 설계, PCB 레이아웃 설계 등의 수정작업이 발생해 설계의 번거로움이 늘어난다는 것이다. 게다가 비용도 늘어난다. 설계에 착수한 후 기능 추가 등 변경 가능성이 있다는 이유만으로 I/O 부문에 미리 FPGA를 도입하는 판단을 내리기는 어렵다고 할 수 있기 때문이다.
그러나 신제품은 I2C를 통해 커스터마이징 하는 회로를 하나의 칩에 집적했기 때문에 FPGA와 달리, 설계의 번거로움이 거의 없다. 기능 추가가 발생할 경우 내장 레지스터를 Write하는 것만으로 대응할 수 있어 신호 전송로의 하드웨어 재설계는 전혀 필요가 없다.
본고(전편)에서는 신제품 THCS253/THCS254가 기존 제품 대비 변경된 점, 즉 GPIO 외에 I2C에 대응한 점을 설명하고, 그 장점으로 높은 자유도로 I/O부를 커스터마이징할 수 있게 된 점을 소개하였다. (그림 5).
추후 공개될 후편에서는 이 변경 사항에 대한 자세한 설명과 함께 또 다른 변경 점인 '동기/비동기 모드의 도입'에 대해 설명할 예정이다.