6. 복잡도가 낮은 이더넷 노드 예제

지금까지 이더넷 노드의 일반적인 아키텍처와 전력, 면적 및 비용을 줄이기 위해 노드를 확장하는 경우의 고려 사항에 대해 설명했고, 여기에서는 이 모든 사항을 예시로 살펴본다.

온도 송신기는 자동화 시스템에서 면적과 전력에 제약을 가장 많이 받는 장치다. 이 장치는 온도 프로브에서 신호를 받아 프로브의 정보를 4-20mA 신호로 변환하여 자동화 시스템으로 온도를 전송한다.

또한 HART를 4-20mA 신호에 오버레이(Overlaid)하여 설정 지점을 제어하거나, 보정 변수를 변경하고 진단 정보를 수신할 수 있다. 온도 송신기는 이더넷을 통해서도 할 수 있지만, 이더넷을 제한된 환경에 두는 것은 문제가 있다. 브라운필드 케이블을 사용하고자 하는 욕구와 관련된 문제도 있지만, 이는 본고의 주제가 아니다. IEEE의 10SPE 태스크 그룹 또는 독일의 APL Group과 같은 다른 그룹은 이 문제를 다루고 있다.
이더넷을 온도 송신기에 연결하는 방법이 있다고 가정할 때, 이더넷을 송신기 안에 넣을 수 있는 저전력, 감소된 면적, 비용 효율적인 방법이 필요하다. 그림 5는 오늘날 온도 송신기가 4-20mA 기술과 통신하는 방법과 이더넷을 사용하는 방식을 비교한 것이다.
 
온도 송신기의 아키텍처는 그림 6과 같이 온도 교정, 제어 및 진단을 위한 마이크로컨트롤러와 통신을 위한 마이크로컨트롤러를 사용하고 있다. 그림 상단에서 통신 측의 마이크로컨트롤러는 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 통해 4-20mA 인터페이스에 연결된다. HART가 사용되는 경우, HART 모뎀은 마이크로컨트롤러 및 DC에도 연결된다. 통신에 사용되는 마이크로컨트롤러는 온도 교정, 제어 및 진단을 수행하는 마이크로컨트롤러에도 연결된다. 통신 경로는 양측이 전기적으로 독립되도록 격리를 통해 수행된다.
앞에서 설명한 방식으로 이더넷을 확장하면 통신에 사용되는 마이크로컨트롤러와 DAC, HART 모뎀 및 EE PROM을 PHY가 있는 복잡도가 낮은 이더넷 디바이스(LED)로 대체할 수 있다. 이더넷 네트워크의 토폴로지에 따라 1포트 또는 2포트 장치가 될 수 있다. 그리고 메인 마이크로컨트롤러에 대한 LED 인터페이스는 SPI이기 때문에 쉽게 분리되고 널리 사용된다.

또 온도 송신기 통신 변수의 낮은 복잡성을 고려할 때, EtherNet/IP 통신은 암시적 메시지 1개와 명시적 메시지 3개로 축소할 수 있다. 그리고 마이크로컨트롤러에서 실행되는 최소 TCP/IP 스택 구현과 함께 공간에 최적화된 버전의 EtherNet/IP 스택을 사용함으로써 128K 바이트의 플래시와 64K 바이트의 RAM의 순서로 통신 소프트웨어를 위한 소프트웨어 설치 공간을 확보할 수 있다.

7. 요 약

낮은 복잡도 이더넷의 개념은 단순한 EtherNet/IP 장치를 위한 비용 효율적이고, 저전력이며, 영역 연결성이 감소한다는 가능성을 가지고 있다. 이러한 개념의 차세대 이더넷 MAC 및 이더넷 스위치의 고급 기능과 함께 개방형 방식으로 구현될 수 있다.

본고에 설명한 대로 장치의 통신 소프트웨어를 확장함으로써 소프트웨어 설치 공간을 최소화하면서 EtherNet/IP 시스템의 연결 요구사항을 충족할 수 있다. 이러한 확장을 통해 플래시 및 RAM 하드웨어 요구사항을 줄임으로써 메모리가 포함된 단일 칩 프로세서를 필드 디바이스 설계에 사용할 수 있다. 또한 차세대 이더넷 MAC 및 이더넷 스위치의 고급 기능을 활용하고, 프로세서에서 PHY로 이더넷 기능을 재할당하여 저복잡도 이더넷 장치를 만들 수 있다.

이러한 장치는 프로세서에 이더넷 네트워크에 대한 간단한 SPI 인터페이스를 제공한다. SPI 인터페이스는 설계의 다른 회로로부터 전기적 분리가 더 쉽다는 장점이 있을 뿐 아니라, 컨트롤러가 더 이상 네트워크로부터 모든 이더넷 메시지를 처리할 필요가 없기 때문에 사용자의 요구사항도 완화한다.
응용 프로그램과 네트워크 소프트웨어를 실행하기 위해 A클래스 ARM 프로세서가 필요하기보다는, 메모리가 있는 단일 칩 프로세서가 단순하고 저렴한 M클래스 컨트롤러가 될 수 있다. 하드웨어 파티셔닝과 소프트웨어 맞춤의 조합을 통해 EtherNet/IP를 에지까지 끌어올리고, 개념을 달성할 수 있다.

<참고문헌>

6. HART information – https://www.fildcommgroup.org
7. Industrial Temperature Measurement Basics and Practice, ABB, https://library.e.abb.com/public/c037f06cf0fe45d1c1257bf600344ae9/03_TEMP_EN_D.pdf

<약어 리스트>

• APL : Advanced Physical Layer
• ARP : Address Resolution Protocol
• BOOTP : Boot Protocol
• DAC : Digital-to-Analog Converter
• DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol
• DMA : Direct Memory Access
• EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
• ESD : Electro-Static Discharge
• FIFO : First In First Out
• GMII : Gigabit Media Independent Interface
• HART : Highway Addressable Remote Transducer
• HMI : Human Machine Interface
• HTTP : Hyper Text Transfer Protocol
• ICMP : Internet Control Message Protocol
• IEEE : Institute for Electrical and Electronic Engineers
• IP : Internet Protocol
• LED : Low-complexity Ethernet Device
• LLDP : Link Layer Discovery Protocol
• MAC : Media Access Controller
• MII : Media Independent Interface
• PHY : Physical Layer Device
• PLC : Programmable Logic Controller
• PTP : Precision Time Protocol
• RAM : Random Access Memory
• RGMII : Reduced Gigabit Media Independent Interface
• RMII : Reduced Media Independent Interface
• RSTP : Rapid Spanning Tree Protocol
• SPI : Serial Peripheral Interface
• SNMP : Simple Network Management Protocol
• SSL : Secure Socket Layer
• TCP : Transmission Control Protocol
• TLS : Transport Layer Security
• UDP : User Datagram Protocol
• 10SPE : 10 Megabit Single Pair Ethernet