블루투스 저에너지 기술을 통해 차량에 차세대 PEPS 시스템 구현이 가능해졌다. 개발자들이 PEPS 요건을 충족하기 위해 필요한 최적의 노드 수 관련 문제를 해결함에 따라, 통신 버스 아키텍처는 솔루션에서 중요한 역할을 수행하게 되었으며, 개발자들은 LIN 또는 CAN의 통신 프로토콜을 선택하여 개발에 적용할 수 있다.
2002년 721kbps 전송 가능한 블루투스 1.0이 발표 후, 15년이 지난 현재 5.0 이 탑재된 제품을 쉽게 볼 수 있다. 블루투스 5.0은 현재 최대속도 초당 2.0Mbps 와 20dB 이상의 높은 전송 출력을 지원한다.
이번 기고에서는 자동차용 블루투스 저에너지 PEPS (Passive-entry-passive-start) 아키텍처를 위한 적합한 통신버스 아키텍쳐 선별에 관한 내용과 차량용 대표 통신 버스 아키텍쳐인 LIN과 CAN을 기반으로 차량 열쇠 대신 PEPS기술로 시동을 거는 예시를 다뤄본다.
아룬 T. 베무리(Arun T. Vemuri), TI 차체 전자 장치 및 조명 시스템 총괄 매니저
Bluetooth® 저에너지 기술을 사용하는
PEPS(passive-entry-passive-start, 패시브 탑승 패시브 시동) 기능의 자동차 시스템에서, 운전자는 차 키 대신 차량용 액세스 시스템과 통신하는 키 포브로 전기모터(또는 내연엔진의 경우, 엔진)의 시동을 걸 수 있다.
[그림 1]은 차량용 블루투스 저에너지 PEPS의 전형적인 아키텍처를 보여주고 있는데, 한 개의 중앙 스마트 키 모듈과 아홉 개의 위성 모듈로 구성된다.
이 때, 아홉 개 위성 모듈들은 가상의 개수이며, 실제로는 이보다 더 많거나 적은 수의 위성 모듈이 구현될 수 있다. 또한 [그림 1]을 보면, 통신 버스를 통해 모듈들이 서로 통신하는 것을 알 수 있다.
위성 모듈 --> 스마트 키 모듈 --> 통신 버스
[그림 1] 자동차 블루투스 저에너지 PEPS 아키텍처
위성 노드의 내부
그렇다면 위성 노드 내부는 어떨까?
[그림 2]는 블루투스 저에너지 위성 모듈의 전형적인 블록 다이어그램이며, TI의
SimpleLink™ CC2640R2F-Q1와 같은 블루투스 저에너지 시스템온칩(SoC), 전력 공급 장치, 그리고 통신 인터페이스(대체로 트랜시버)로 구성된다.
아래 [그림 2]에서는 스마트 키 모듈 뿐만 아니라 차체 컨트롤 모듈 등 PEPS 시스템에 포함되는 다양한 모듈들도 볼 수 있다.
[그림 2] 자동차 PEPS 시스템 블록 다이어그램
통신 버스 옵션
LIN(Local Interconnect Network)과
CAN(Controller Area Network)은 자동차 PEPS 시스템에서 중요한 통신 버스 아키텍처이며, CAN의 경우 CAN 버스 표준(Classical CAN) 또는
CAN FD(Flexible Data Rate)로 사용된다.
LIN과 CAN 모두 자동차 애플리케이션에서 널리 쓰이는 표준 통신 프로토콜이다. LIN 통신시스템의 최대 보드 속도는 19.2 Kbps이며, Classical CAN은 1 Mbps, CAN FD는 최대 5 Mbps까지의 속도를 제공한다.
LIN과 CAN은 메시지 프레임을 통신 프로토콜 구축 기준으로 사용하며, 데이터 필드는 최대 8바이트까지 전송할 수 있다. 8바이트를 전송하는 LIN의 메시지 프레임 거리는 124비트인 반면, 표준 CAN 프레임 또는 CAN 2.0 프레임의 경우 135비트까지 가능하다.
다만, 이는 인터프레임 공간까지 포함해 최악의 경우에서의 비트 스터핑을 가정했을 때의 경우다. 따라서 LIN 메시지 프레임의 전송 속도는 6.46 ms가 걸리지만, 표준 CAN 메시지 프레임은 단지135 µs로 전송 속도가 더 빠르다.
LIN과 CAN 중 어떤 것을 선택해야 할까
상기의 전송 속도를 기준으로, LIN 메시지 프레임이 CAN 프레임보다 더 많은 시간이 소요되기 때문에 빠른 전송 속도를 고려한다면 CAN 버스를 선택하게 될 것이다. 그렇지만 CAN 버스는 2 와이어 통신 버스이고, LIN 버스는 단일 와이어 통신 버스이다.
이는 CAN 버스 기반 시스템이 LIN 버스 기반 시스템보다 가격이 높다는 의미로, CAN 버스가 언제나 최상의 선택이 아닐 수도 있다.
그렇다면 이 두 개의 프로토콜 중 어떤 것을 선택해야 할까? 한 가지 방법으로는 전송에 필요한 총 바이트 수를 분석하는 것이다.
블루투스 저에너지 칩이 위성 노드에서 계산 알고리즘을 구현한다면, 전송이 필요한 바이트 수가 줄어들기 때문에 LIN 통신만으로도 충족시킬 수 있다.
반면, 블루투스 저에너지 칩이 아무런 계산 없이, 측정된 원시 데이터를 전부 전송한다면, 많은 바이트가 요구되어 CAN 아키텍처를 선택하는 것이 보다 적합하다.
또 한 가지 고려해볼 점은 전력 소비이다. 대개 LIN 버스 기반 노드는 모든 작동 모드에서 CAN 버스보다 전력을 적게 소비한다. 구체적인 전력소비 수치는 각각의 트랜시버 데이터 시트에서 확인 가능하다.
적용 사례
TI의 차량용 블루투스 저에너지 자동차 액세스 위성 노드 레퍼런스 디자인은 LIN 기반 위성 보드의 구현을 보여준다. 이 레퍼런스 디자인은 TI의 CC2640R2F-Q1을 블루투스 저에너지 SoC로, TLIN1029-Q1을 LIN 통신 버스 트랜시버로 사용하고 있다.
스마트 키 모듈과 블루투스 저에너지 위성 모듈 사이에서 많은 양의 데이터를 교환해야 할 때에는 CAN 버스 표준 또는 CAN FD 버스 아키텍처는 가장 적합하다.
CAN FD 컨트롤러와 트랜시버를 통합한 TI의 새로운
SBC(system -basis chip, 시스템 기반 칩)
TCAN4550-Q1을 통해 위성 노드에 CAN 통신 기능을 쉽게 추가할 수 있다. 통합 컨트롤러 및 트랜시버 외에도 SBC는 자체 공급되어 추가적인 전원 공급 장치가 필요 없다.
또한 SBC는 SoC(System on Chip, 시스템 온 칩) 모니터 역할로의 와치독 타이머도 가지고 있으며, 인쇄회로기판에서 추가적인 전원 컴포넌트을 위한 전압 소재를 제공한다.
[그림 3]은 이 디바이스의 기능들을 활용하는 TCAN4550-Q1을 통해 구현할 수 있는 위성 노드의 모습을 보여주고 있다.
[그림 3] CAN 통신을 위성 노드에 손쉽게 추가할 수 있도록 지원하는 TCAN4550-Q1
[그림 3]에서는 TCAN4550-Q1의 5V 출력은 TLV733P-Q1 낮은
VIN 선형 레귤레이터의 입력으로 사용되고 있다.
이 레귤레이터는
CC2640R2F-Q1 블루투스 저에너지 SoC에 필요한 3.3V를 생성하기 때문에 전력 공급을 위한 와이드 VIN 레귤레이터가 필요하지 않다.
3.3V 레귤레이터 출력은 TCAN4550-Q1을 위한 VIO으로도 사용되어 블루투스 저에너지 SoC와 TCAN4550-Q1 사이에서 전압 레벨 변환이 필요 없게 된다.
또한 TCAN4550-Q1의 와치독 타이머는 블루투스 저에너지 SoC 소프트웨어 실행을 모니터링 할 수 있다. 이와 같이 고도로 통합된 SBC를 통해 블루투스 저에너지 위생 노드에 비용 효율적인 솔루션 구현이 가능해졌다.
결론
이제, 블루투스 저에너지 기술을 통해 차량에 차세대 PEPS 시스템 구현이 가능해졌다.
개발자들이 PEPS 요건을 충족하기 위해 필요한 최적의 노드 수 관련 문제를 해결함에 따라, 통신 버스 아키텍처는 솔루션에서 중요한 역할을 수행하게 되었으며, 개발자들은 LIN 또는 CAN의 통신 프로토콜을 선택할 수 있다.
TI의 LIN 트랜시버와 새로 도입된 TCAN4550-Q1 SBC는 블루투스 저에너지 SoC 및 전력 관리 디바이스와 함께, 선택할 수 있는 디바이스 전체 포트폴리오 뿐만 아니라 자동차 플랫폼에 최적화된 솔루션 개발을 위한 유연성까지도 제공한다.
