THine Value 손쉽게 사용할 수 있는 8B10B 시리얼 트랜시버의 새로운 활용법, 산업용 등을 위한 링형 네트워크 제안
2021.01.20
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폭넓은 용도로 간편하게 사용할 수 있는 시리얼 트랜시버―――. 이러한 슬로건으로 자인일렉트로닉스가 2019년 11월에 출시한 것이 트랜시버 IC ‘THCS251’이다. ‘8B10B 트랜시버’라고도 부른다.
이 트랜시버 IC는 송신기(트랜스미터)와 수신기(리시버)를 1개의 칩에 집적시킨 것이다. 2개의 트랜시버 IC를 마스터 측과 슬레이브 측에 탑재하고, 이들 사이를 2쌍의 차동 라인으로 연결한다. 2쌍의 차동 라인을 각각 업링크(상향)와 다운링크(하향)로 사용함으로써 전이중 통신을 실현할 수 있다
(그림 1).
그림 1 THCS251을 사용한 피어 투 피어 전송 시스템
가장 큰 특징은 광고 문구대로 ‘다양한 용도로 간편하게 사용할 수 있다’는 점이다. 이 트랜시버 IC는 35비트 분량의 병렬 입출력(I/O) 단자를 갖추고 있다. 마스터 측에서는 이 병렬 I/O 단자에 전송하고자 하는 데이터를 입력한다. 예를 들어, 12비트 영상 신호나 저속 제어 신호 등이다. 그러면 내장된 시리얼라이저 (8B10B 부호화 회로)가 입력된 데이터를 자동으로 시리얼화하여 한 쌍의 차동 라인으로 전송한다. 한쪽의 슬레이브쪽에서는 수신한 신호를 디시리얼라이저 (8B10B 복호화 회로)를 통해 자동으로 원래 형태로 되돌리고, 영상 신호나 제어 신호등으로 분할하여 Parallel I/O 단자를 통해 출력한다.
즉, 사용자가 수행해야 할 작업은 단자 설정 정도뿐이다. 소프트웨어 개발은 전혀 필요하지 않다. 게다가 사용하는 것은 마스터 측과 슬레이브 측 보드에 실장하는 2개의 트랜시버 IC뿐이다. 이 외의 IC는 필요하지 않다.
이 외에도 자인 일렉트로닉스가 “폭넓은 용도로 간편하게 사용할 수 있다”고 강조하는 이유가 있다. 바로 무선 통신화나 광통신화가 매우 간단하다는 점이다. 마스터 측에서는 트랜시버 IC 뒤에, 수신기 측에서는 트랜시버 IC 앞에 광 트랜시버 모듈을 연결하기만 하면 광통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 근거리 무선 장치를 연결하면 ‘탈부착 가능한 모듈과 데이터 통신이 가능한 시스템을 구축하고 싶다’, ‘무선화를 통해 유지보수 공수를 획기적으로 줄일 수 있는 시스템을 구축하고 싶다’는 요구에 매우 간단하게 대응을 할 수 있다.
이 트랜시버 IC는 송신기(트랜스미터)와 수신기(리시버)를 1개의 칩에 집적시킨 것이다. 2개의 트랜시버 IC를 마스터 측과 슬레이브 측에 탑재하고, 이들 사이를 2쌍의 차동 라인으로 연결한다. 2쌍의 차동 라인을 각각 업링크(상향)와 다운링크(하향)로 사용함으로써 전이중 통신을 실현할 수 있다
(그림 1).
그림 1 THCS251을 사용한 피어 투 피어 전송 시스템
가장 큰 특징은 광고 문구대로 ‘다양한 용도로 간편하게 사용할 수 있다’는 점이다. 이 트랜시버 IC는 35비트 분량의 병렬 입출력(I/O) 단자를 갖추고 있다. 마스터 측에서는 이 병렬 I/O 단자에 전송하고자 하는 데이터를 입력한다. 예를 들어, 12비트 영상 신호나 저속 제어 신호 등이다. 그러면 내장된 시리얼라이저 (8B10B 부호화 회로)가 입력된 데이터를 자동으로 시리얼화하여 한 쌍의 차동 라인으로 전송한다. 한쪽의 슬레이브쪽에서는 수신한 신호를 디시리얼라이저 (8B10B 복호화 회로)를 통해 자동으로 원래 형태로 되돌리고, 영상 신호나 제어 신호등으로 분할하여 Parallel I/O 단자를 통해 출력한다.
즉, 사용자가 수행해야 할 작업은 단자 설정 정도뿐이다. 소프트웨어 개발은 전혀 필요하지 않다. 게다가 사용하는 것은 마스터 측과 슬레이브 측 보드에 실장하는 2개의 트랜시버 IC뿐이다. 이 외의 IC는 필요하지 않다.
이 외에도 자인 일렉트로닉스가 “폭넓은 용도로 간편하게 사용할 수 있다”고 강조하는 이유가 있다. 바로 무선 통신화나 광통신화가 매우 간단하다는 점이다. 마스터 측에서는 트랜시버 IC 뒤에, 수신기 측에서는 트랜시버 IC 앞에 광 트랜시버 모듈을 연결하기만 하면 광통신을 구현할 수 있다. 예를 들어, 근거리 무선 장치를 연결하면 ‘탈부착 가능한 모듈과 데이터 통신이 가능한 시스템을 구축하고 싶다’, ‘무선화를 통해 유지보수 공수를 획기적으로 줄일 수 있는 시스템을 구축하고 싶다’는 요구에 매우 간단하게 대응을 할 수 있다.
링형 네트워크 구축 검토
이처럼 트랜시버 IC ‘THCS251’을 사용하면 두 지점을 연결하는 고속 데이터 전송, 즉 ‘피어 투 피어(Peer to Peer) 연결’을 매우 간단하게 구현할 수 있다. 예를 들어, PC가 연결된 마스터 보드 측과 카메라가 장착된 로봇을 연결 한 슬레이브 보드를 THCS251로 피어 투 피어 연결하면, 카메라로 촬영한 영상을 보면서 PC에서 로봇을 제어하는 등의 손쉬운 사용법을 구현할 수 있게 된다.
그러나 이 트랜시버 IC로 구현할 수 있는 통신(네트워크) 구성은 피어 투 피어 연결뿐만이 아니다. 사실 링형 네트워크 구축도 가능하다. 자인일렉트로닉스에서는 마스터 보드 1장과 슬레이브 보드 5장을 사용한 링형 네트워크를 이미 개발했다(그림 2).
링형 네트워크의 구체적인 구축 방법은 다음과 같다. 트랜시버 IC는 마스터 보드와 슬레이브 보드에 각각 1개씩 탑재한다. 마스터 보드에서 출력된 데이터는 버킷 릴레이처럼 5개의 슬레이브 보드를 순서대로 통과하여, 최종적으로 마스터 보드로 돌아온다.각 슬레이브 보드에서는 탑재된 트랜시버 IC가 수신한 데이터를 Parallel I/O 단자를 통해 보드로 출력하는 동시에, 그 데이터를 Parallel I/O 단자에 다시 입력하여 인접한 슬레이브 보드로 전송한다. 이렇게 하여 링형 네트워크를 구축했다.
여기서 마스터 보드와 슬레이브 보드의 차이에 대해 의문을 갖는 분도 계실지 모른다. 사실 마스터 보드와 슬레이브 보드 모두 트랜시버 IC를 탑재하고 있어, 이 점에서는 양자 간에 차이가 없기 때문이다. 차이는 클럭 신호에 있다. THCS251은 외부에서 공급된 클럭 신호로 구동할 수 있을 뿐만 아니라, IC 내부에 집적된 발진기로 생성된 클럭 신호로도 구동할 수 있다. 개발한 링형 네트워크에서는 내부 클럭 신호로 구동하는 방식을 채택하여, 마스터 보드의 트랜시버 IC에서 생성된 내부 클럭 신호를 각 슬레이브 보드에 분배하고 있다. 즉, 클럭 신호를 내부에서 생성하는 트랜시버 IC를 탑재한 보드가 마스터가 되고, 그 클럭 신호를 분배받는 보드가 슬레이브가 되는 것이다.
그러나 이 트랜시버 IC로 구현할 수 있는 통신(네트워크) 구성은 피어 투 피어 연결뿐만이 아니다. 사실 링형 네트워크 구축도 가능하다. 자인일렉트로닉스에서는 마스터 보드 1장과 슬레이브 보드 5장을 사용한 링형 네트워크를 이미 개발했다(그림 2).
그림 2 링형 네트워크의 구성
링형 네트워크의 구체적인 구축 방법은 다음과 같다. 트랜시버 IC는 마스터 보드와 슬레이브 보드에 각각 1개씩 탑재한다. 마스터 보드에서 출력된 데이터는 버킷 릴레이처럼 5개의 슬레이브 보드를 순서대로 통과하여, 최종적으로 마스터 보드로 돌아온다.각 슬레이브 보드에서는 탑재된 트랜시버 IC가 수신한 데이터를 Parallel I/O 단자를 통해 보드로 출력하는 동시에, 그 데이터를 Parallel I/O 단자에 다시 입력하여 인접한 슬레이브 보드로 전송한다. 이렇게 하여 링형 네트워크를 구축했다.
여기서 마스터 보드와 슬레이브 보드의 차이에 대해 의문을 갖는 분도 계실지 모른다. 사실 마스터 보드와 슬레이브 보드 모두 트랜시버 IC를 탑재하고 있어, 이 점에서는 양자 간에 차이가 없기 때문이다. 차이는 클럭 신호에 있다. THCS251은 외부에서 공급된 클럭 신호로 구동할 수 있을 뿐만 아니라, IC 내부에 집적된 발진기로 생성된 클럭 신호로도 구동할 수 있다. 개발한 링형 네트워크에서는 내부 클럭 신호로 구동하는 방식을 채택하여, 마스터 보드의 트랜시버 IC에서 생성된 내부 클럭 신호를 각 슬레이브 보드에 분배하고 있다. 즉, 클럭 신호를 내부에서 생성하는 트랜시버 IC를 탑재한 보드가 마스터가 되고, 그 클럭 신호를 분배받는 보드가 슬레이브가 되는 것이다.
최대 8개의 슬레이브를 연결할 수 있다.
링크형 네트워크의 전송 거리는 최대 5m 정도이며, 슬레이브 보드를 최대 8장까지 연결할 수 있다.
이러한 제한이 발생하는 이유는 클럭 신호에 있다. 즉, 각 슬레이브 보드의 트랜시버 IC에서 시리얼 라이즈 및 디시리얼 라이즈와 같은 처리를 반복하는 과정에서 클럭 신호의 지터 성분이 축적되기 때문이다. 이것이 전송 거리나 슬레이브 보드의 연결 가능 개수를 제한하게 한다. 따라서 지터 성분을 제거하는 클리닝 기능을 활용하면 전송 거리를 대폭 늘릴 수 있다. 그러나 이번에 채택한 트랜시버 IC에는 클리닝 기능이 탑재되어 있지 않다.
개발한 링형 네트워크는 20MHz의 내부 클럭 신호로 구동된다. 인접한 보드에 데이터를 전송할 때의 비트 폭은 18비트이므로, 실효 전송 속도는 20MHz × 18비트 = 360M비트/초가 된다.각 보드를 연결하는 것은 마이크로 USB 커넥터와 USB 케이블 1개이다. USB 케이블에는 한 쌍의 차동 라인과 전원 라인, 접지 라인이 포함되어 있으므로 슬레이브 보드에는 외부에서 전원을 공급할 필요가 없다.
실효 전송 속도의 경우, 최대 80MHz의 내부 클럭 주파수를 선택하거나 외부 클럭 신호를 이용하여 최대 133.3MHz로 구동함으로써 더욱 높일 수도 있다. 하지만 이 경우에는 케이블 및 커넥터 선정에 기술적인 고려가 필요할 뿐만 아니라, 앞서 언급한 지터 누적 등의 이유로 최대 접속 슬레이브 수에 제약이 발생한다. 이 점은 현행 트랜시버 IC의 과제이다.
이러한 제한이 발생하는 이유는 클럭 신호에 있다. 즉, 각 슬레이브 보드의 트랜시버 IC에서 시리얼 라이즈 및 디시리얼 라이즈와 같은 처리를 반복하는 과정에서 클럭 신호의 지터 성분이 축적되기 때문이다. 이것이 전송 거리나 슬레이브 보드의 연결 가능 개수를 제한하게 한다. 따라서 지터 성분을 제거하는 클리닝 기능을 활용하면 전송 거리를 대폭 늘릴 수 있다. 그러나 이번에 채택한 트랜시버 IC에는 클리닝 기능이 탑재되어 있지 않다.
개발한 링형 네트워크는 20MHz의 내부 클럭 신호로 구동된다. 인접한 보드에 데이터를 전송할 때의 비트 폭은 18비트이므로, 실효 전송 속도는 20MHz × 18비트 = 360M비트/초가 된다.각 보드를 연결하는 것은 마이크로 USB 커넥터와 USB 케이블 1개이다. USB 케이블에는 한 쌍의 차동 라인과 전원 라인, 접지 라인이 포함되어 있으므로 슬레이브 보드에는 외부에서 전원을 공급할 필요가 없다.
실효 전송 속도의 경우, 최대 80MHz의 내부 클럭 주파수를 선택하거나 외부 클럭 신호를 이용하여 최대 133.3MHz로 구동함으로써 더욱 높일 수도 있다. 하지만 이 경우에는 케이블 및 커넥터 선정에 기술적인 고려가 필요할 뿐만 아니라, 앞서 언급한 지터 누적 등의 이유로 최대 접속 슬레이브 수에 제약이 발생한다. 이 점은 현행 트랜시버 IC의 과제이다.
시계 방향과 반시계 방향으로 중복성을 향상
이 링형 네트워크는 어떤 방식으로 활용할 수 있을까? 자인일렉트로닉스가 공개한 데모를 바탕으로 설명해 보겠다(그림 3).
데이터를 입력하는 장치로는 조이스틱과 자기 센서, 포토인터럽터를 준비했고, 데이터를 출력하는 장치로는 LED를 이용했다. 예를 들어, 마스터 보드에 장착된 조이스틱을 조작하면 5개의 슬레이브 보드에 탑재된 LED가 그 조작 방향을 나타내도록 일제히 점등한다. 또한, 슬레이브 보드 1에 탑재된 자기 센서에 자석을 가까이 대면, 이를 감지한 결과로 마스터 보드에 장착된 LED가 점등된다.
이처럼 마스터와 슬레이브를 불문하고 데이터를 입력하여, 해당 데이터가 필요한 보드에 데이터를 출력하는 방식의 사용이 가능해진다. 또한, 이번 데모에서는 시계 방향의 링형 네트워크만 준비했으나, 여기에 반시계 방향의 링형 네트워크를 추가하면 중복성을 높여 네트워크의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
구체적인 용도로는 산업용 네트워크를 상정하고 있다. 물론, 공장 전체나 제조 라인 전체를 감시·제어하는 네트워크로는 CC-Link나 EtherCAT, PROFINET 등의 필드버스가 이미 널리 보급되어 있다. 이러한 네트워크 기술과 경쟁할 생각은 전혀 없다. 자인일렉트로닉스가 염두에 두고 있는 것은, 그러한 필드버스보다 계층이 한 단계 낮은 산업용 네트워크이다. 예를 들어, 공장 등에 설치되는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 수납된 제어반 내부의 배선이다. 이러한 장치의 내부에는 수많은 배선 라인이 사용되고 있어, 배선이 복잡한 경우가 적지 않다. 여기에 이번에 소개한 트랜시버 IC를 활용한 링형 네트워크를 적용하면, 배선을 대폭 간소화할 수 있을 것이다.
그림 3 링형 네트워크의 외관
데이터를 입력하는 장치로는 조이스틱과 자기 센서, 포토인터럽터를 준비했고, 데이터를 출력하는 장치로는 LED를 이용했다. 예를 들어, 마스터 보드에 장착된 조이스틱을 조작하면 5개의 슬레이브 보드에 탑재된 LED가 그 조작 방향을 나타내도록 일제히 점등한다. 또한, 슬레이브 보드 1에 탑재된 자기 센서에 자석을 가까이 대면, 이를 감지한 결과로 마스터 보드에 장착된 LED가 점등된다.
이처럼 마스터와 슬레이브를 불문하고 데이터를 입력하여, 해당 데이터가 필요한 보드에 데이터를 출력하는 방식의 사용이 가능해진다. 또한, 이번 데모에서는 시계 방향의 링형 네트워크만 준비했으나, 여기에 반시계 방향의 링형 네트워크를 추가하면 중복성을 높여 네트워크의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
구체적인 용도로는 산업용 네트워크를 상정하고 있다. 물론, 공장 전체나 제조 라인 전체를 감시·제어하는 네트워크로는 CC-Link나 EtherCAT, PROFINET 등의 필드버스가 이미 널리 보급되어 있다. 이러한 네트워크 기술과 경쟁할 생각은 전혀 없다. 자인일렉트로닉스가 염두에 두고 있는 것은, 그러한 필드버스보다 계층이 한 단계 낮은 산업용 네트워크이다. 예를 들어, 공장 등에 설치되는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 수납된 제어반 내부의 배선이다. 이러한 장치의 내부에는 수많은 배선 라인이 사용되고 있어, 배선이 복잡한 경우가 적지 않다. 여기에 이번에 소개한 트랜시버 IC를 활용한 링형 네트워크를 적용하면, 배선을 대폭 간소화할 수 있을 것이다.
사용자의 의견을 반영하여 기능을 최적화합니다
다만 이번에 개발한 링형 네트워크에는 아직 해결해야 할 과제가 남아 있는 것도 사실이다. 그 이유는 피어 투 피어 전송을 위한 트랜시버 IC를 링형 네트워크에 다소 억지로 적용했기 때문이다. 이 때문에 어쩔 수 없이 링형 네트워크에 최적화되지는 못했으며, 그 부분이 과제로 남아 있다.
현재의 과제는 크게 세 가지로 나눌 수 있을 것이다.
첫 번째 과제는 데이터를 전송하는 보드를 적절히 변경할 수 없다는 점이다. 앞서 언급한 데모에서는 미리 정해 둔 보드로만 데이터를 전송할 수 있다. 특정 시점에는 슬레이브 보드 0으로, 다음 시점에는 슬레이브 보드 1로 전환하여 데이터를 전송하는 등의 운용은 현재로서는 불가능하다.
두 번째 과제는 슬레이브 보드에서 수신한 신호를 Parallel I/O 단자에서 일단 꺼낸 뒤, 다시 Parallel I/O 단자에 입력하여 전송하는 절차를 거치기 때문에 Parallel I/O 단자를 불필요하게 소비하게 된다는 점이다. 이로 인해 송수신 가능한 데이터량(비트 수)이 줄어들게 된다.
세 번째는, 이미 본고에서 언급했듯이 트랜시버 IC에 지터 클리닝 기능이 탑재되어 있지 않아, 전송 가능한 거리나 연결할 수 있는 슬레이브 보드의 매수가 제한된다는 점이다. 이로 인해 용도가 제한될 우려가 있다.
여기서 언급한 과제는 모두 중요한 요소이며, 해결해야 할 문제들이다. 이러한 과제를 해결할 수 있다면, 제어하는 측과 제어받는 측의 위치 관계에 구애받지 않는 위치 자유형 데이터 전송 시스템을 구축하는 트랜시버 IC로서 진정한 가치를 제공할 수 있을 것으로 생각한다.
앞으로 자인일렉트로닉스는 링형 네트워크에 최적화된 트랜시버 IC의 네트워크 구성 및 기능, Parallel I/O 단자 수 등에 대한 검토에 착수할 예정이다. 잠재적 사용자의 의견을 폭넓게 수렴함으로써, 링형 네트워크용 트랜시버 IC의 성능과 기능을 최적화하고, 사용자가 안고 있는 과제와 고민을 조속히 해결하는 데 기여할 계획이다.
이상
현재의 과제는 크게 세 가지로 나눌 수 있을 것이다.
첫 번째 과제는 데이터를 전송하는 보드를 적절히 변경할 수 없다는 점이다. 앞서 언급한 데모에서는 미리 정해 둔 보드로만 데이터를 전송할 수 있다. 특정 시점에는 슬레이브 보드 0으로, 다음 시점에는 슬레이브 보드 1로 전환하여 데이터를 전송하는 등의 운용은 현재로서는 불가능하다.
두 번째 과제는 슬레이브 보드에서 수신한 신호를 Parallel I/O 단자에서 일단 꺼낸 뒤, 다시 Parallel I/O 단자에 입력하여 전송하는 절차를 거치기 때문에 Parallel I/O 단자를 불필요하게 소비하게 된다는 점이다. 이로 인해 송수신 가능한 데이터량(비트 수)이 줄어들게 된다.
세 번째는, 이미 본고에서 언급했듯이 트랜시버 IC에 지터 클리닝 기능이 탑재되어 있지 않아, 전송 가능한 거리나 연결할 수 있는 슬레이브 보드의 매수가 제한된다는 점이다. 이로 인해 용도가 제한될 우려가 있다.
여기서 언급한 과제는 모두 중요한 요소이며, 해결해야 할 문제들이다. 이러한 과제를 해결할 수 있다면, 제어하는 측과 제어받는 측의 위치 관계에 구애받지 않는 위치 자유형 데이터 전송 시스템을 구축하는 트랜시버 IC로서 진정한 가치를 제공할 수 있을 것으로 생각한다.
앞으로 자인일렉트로닉스는 링형 네트워크에 최적화된 트랜시버 IC의 네트워크 구성 및 기능, Parallel I/O 단자 수 등에 대한 검토에 착수할 예정이다. 잠재적 사용자의 의견을 폭넓게 수렴함으로써, 링형 네트워크용 트랜시버 IC의 성능과 기능을 최적화하고, 사용자가 안고 있는 과제와 고민을 조속히 해결하는 데 기여할 계획이다.
이상