Cortex-R 기반 RM57L843 마이크로프로세서를 이용한 임베디드 시스템 하드웨어 설계 및 제작

2.1 ARM Cortex-R

ARM Cortex-R은 ARM9E 기반으로 개발된 리얼타임 프로세서 코어 아키텍쳐로 실시간 성능이 민감하게 요구되는 임베디드 시스템 어플리케이션에 초점을 맞춰 설계되어 안정적인 동작을 보장한다.

높은 신뢰성 기반의 고성능 동작이 요구되는 임베디드 어플리케이션을 위한 오류 관리, 중복 되는 프로세서를 같은 방식으로 동작하게 두 개의 프로세서를 사용하는 듀얼 코어 시스템, 모든 외부 버스상에서의 ECC(Error Correcting Codes, 오류정정코드) 적용 등 일련의 안전관련 기능을 제공하도록 설계되었다.

2.2 RM57L843 마이크로프로세서

ARM Cortex-R 기반 RM57L8X 계열의 마이크로프로세서는 실시간 성능에 대한 신뢰성을 기반으로 하는 고성능 어플리케이션에 최적화된 마이크로프로세서로써, 빠른 응답성, 고 가용성, 내결함성과 실시간 응답이 필요한 임베디드 시스템 용 고성능 컴퓨팅 솔루션을 제공한다.

그림 1은 RM57L843 마이크로프로세서 서브시스템 각각에 대한 구조를 나타낸다. 최대 330MHz 클럭 성능의 코어를 기반으로 높은 수준의 하드웨어 진단 범위를 제공하는 기능을 탑재하고, 가장 일반적인 안정성 제어인 Lockstep 모드로 동작하는 단일 채널 진단 기능이 내장된 1oo1D(1 out of 1) 아키텍처로 구성되어 있다.

Fig. 1.

Block diagram of RM57L843 microprocessor [8]

ECC가 내장된 플래시 메모리와 RAM(Random Access Memory)이 내장되어 있고, N2HET(Next Generation High End Timer) Co-Processor를 비롯한 다양한 타이머 인터페이스를 지원한다.

이더넷(Ethernet)을 기반으로하는 통신 프로토콜의 물리계층 패킷 데이터의 흐름을 제어하는 EMAC(Ethernet Media Access Control) 모듈과 물리계층 구성 및 상태 모니터링을 제어하는 MDIO(Management Data Input Output interface) 모듈을 지원하여, 산업용 통신 프로토콜의 효율적인 운용을 위한 인터페이스의 구성이 가능하다[8].

또한, RM57L843 프로세서는 뛰어난 주변장치 확장 성능을 자랑하는데 10/100Mbps 이더넷, 4채널 CAN 통신 인터페이스, 6채널 직렬 통신 인터페이스, 7채널 ePWM(enhanced-PWM), 5채널의 SPI(Serial Peripheral Interface) 버스 인터페이스, 2채널의 I2C 인터페이스 및 GPIO외 12bit ADC 등을 주변장치 확장에 이용할 수 있다.

3.1 하드웨어 구성

임베디드 시스템 하드웨어의 구성은 그림 2에 도시된 바와 같다. 24V DC 전원을 인가받아 프로세서 및 주변장치, 모터 드라이브 보드 구동에 필요한 전원을 공급할 수 있도록 전원부를 구성하였다. 또한, 효율적으로 각각의 인터페이스 부로 공급되는 전원을 관리할 수 있도록 별도의 전원관리 IC소자를 전원부에 배치하였으며 이러한 시스템 구성에 따라 설계된 PCB 레이아웃은 그림 3과 같다.

Fig. 2.

Hardware block diagram of embedded system

Fig. 3.

Designed PCB layout

프로세서의 EMIF(External Memory Interface) 인터페이스를 이용해 산업용 통신 프로토콜의 슬레이브 모듈 확장이 가능하도록 핀을 구성하였으며, 추가적인 비동기 신호를 통해 서보 모터의 엔코더 신호를 연산하는 별도의 FPGA 칩 간의 통신인터페이스를 구축 하였다.

RM57L843 마이크로프로세서를 위한 디버그 환경을 구축하기 위해 ARM 14핀 JTAG 인터페이스를 구성하였으며, LED 및 8bit Digit Display 확장을 위해 Link action LED on Display Module 인터페이스를 구성하였다.

HMI(Human Machine Interface) 또는 범용 PC를 통해 시스템 모니터링 및 제어가 가능하도록 하기 위해 MDIO, RMII(Reduced Media Independent Interface) 인터페이스를 이용한 이더넷 인터페이스및 프로세서의 SPI 버스 인터페이스와 FTDI(Future Technology Devices International) USB Bridge Solution 칩을 결합하여 USB 통신 인터페이스부를 설계하였다.

그 외 모터 제어를 위한 파워 단 간의 연결 인터페이스, 범용 엔코더 간의 호환을 위한 외부 스케일 인터페이스, 12bit DAC(Digital to Analog Converter) 인터페이스 및 파워단 전원 인가를 위한 외부 24V 입출력 인터페이스를 구성하였다.

3.2 하드웨어 세부 설계

전원부는 220VAC to 24VDC Converter, 24VDC to ±15VDC Converter, 24VDC to 5VDC Converter, 5VDC to 3.3VDC Converter, 3.3VDC to 1.2VDC Converter로 구성되어 있다. 5VDC의 경우 별도의 필터를 이용하여 디지털 전압원과 아날로그 전압원을 분리하여 부시스템에 공급한다.

JTAG 인터페이스는 ARM 기본 JTAG 프로토콜을 기반으로 14핀의 외부 JTAG 디버거 인터페이스를 구성하였다.

산업용 통신 인터페이스를 위해 RM57L843 마이크로프로세서의 16bit 외부 메모리 인터페이스를 이용하였으며 16bit의 데이터 및 어드레스 확장이 가능하도록 연결부를 구성하여 외부 핀을 통해 산업용 통신 슬레이브 모듈의 연결이 가능하도록 설계하였다.

이더넷 인터페이스 구성을 위해 프로세서 내 이더넷 물리계층의 상태 관리 및 제어를 위한 MDIO 모듈과 RMII 인터페이스를 이더넷 칩과 함께 구성해주었다.

전원부, JTAG 인터페이스, 산업용 통신 및 USB, 이더넷 통신 인터페이스를 포함하여 제작된 임베디드 시스템 하드웨어 보드는 그림 4와 같다.

Fig. 4.

Built embedded system hardware board

4.1 부트로더 포팅

부트로더를 포팅하기 위해서는 Host PC에서 타겟 시스템의 IRAM에 접근하기 위한 별도의 하드웨어 설정이 필요하다. 본 논문에서 제작한 임베디드 보드의 경우 ARM 14핀 JTAG 인터페이스를 통해 외부의 JTAG/Debugger 모듈(XDS 100, 200, 560)을 연결하여 사용에 필요한 주소 및 프로파일 설정을 선행한다.

부트로더 동작의 첫 번째 단계는 메모리 관리 유닛(MMU, Memory Management Unit)의 DDR, OCMC, Device 메모리 섹터에 대한 주소 및 초기화 설정이다. 이때, 하드웨어의 외부 메모리 및 사용 중인 디바이스의 메모리 등에 대한 설정이 완료된다.

다음으로 프로세서 내 Flash 메모리로 응용프로그램을 로드할 수 있도록 코드를 작성한다. 로드할 대상 응용프로그램에 대한 이미지파일 타입 및 크기 설정을 완료하고 불러올 응용프로그램이 위치한 메모리의 주소 및 응용프로그램을 복사할 메모리 주소에 대한 설정을 함으로써 부트코드의 작성이 완료된다.

작성된 코드를 컴파일하여 생성된 부트로더를 플래쉬 프로그램을 이용, 보드 내 프로세서의 부트로더 메모리 섹터에 다운로드 후 디버깅 동작을 수행하면 플래쉬 메모리 내 펌웨어가 내부 메모리로 복사되어 어플리케이션을 수행하게 된다.

4.2 디바이스 드라이버 포팅

프로세서의 주변장치에 대한 디바이스 드라이버 포팅을 위해 각각의 디바이스 메모리 주소를 설정하고 각각의 디바이스 드라이버를 펌웨어의 라이브러리로 위치시킨다.

사용할 디바이스에 대한 드라이버는 TI社로부터 제공받을 수 있는 RM57L843 HAL(Hardware Abstract Layer) Code Generator를 통해 얻을 수 있으며, 장치주소와 드라이버만을 이용하여 펌웨어를 통해 디바이스 드라이버를 포팅한다.

본 논문에서는 제작한 하드웨어의 펌웨어를 설계하기 위해 윈도우 10 운영체제의 Host PC를 사용하였으며, CCS(Code Composer Studio) v7 통합 개발환경 소프트웨어를 이용하였다.

5.1 성능 시험 환경 구축

본 논문에서 개발한 임베디드 시스템의 성능시험을 위해 그림 5와 같이 서보 드라이브 제어 시험환경을 구성하고, 호스트 장치 소프트웨어의 디버그 모드를 이용하여 윈도우 10 운영체제 기반의 CCS 통합개발환경으로 개발된 성능 시험용 펌웨어를 제작한 보드로 다운로드 하여 각각의 인터페이스 동작 검증을 수행하였다.

Fig. 5.

Embedded system test environment

각각의 입, 출력 부에 오실로스코프를 이용하여 동작 파형을 검출하여 동작 검증을 수행하였으며, 이 때 각각의 개별 장치에 대한 펌웨어는 분리하여 작성되었다. 각각 작성된 성능 검증용 펌웨어는 임의의 의도된 동작을 수행하도록 만들어졌으며, 이러한 동작은 직접적으로 오실로스코프로 확인 가능한 형태로 의도되었다. RMII 인터페이스를 이용한 이더넷 통신 동작을 확인하기 위해 TI 社에서 배포하는 UDP 서버 클라이언트 프로그램을 이용하였으며, USB 통신 동작 확인을 위해 Visual Studio 2017을 이용하여 구현된 윈도우 운영체제 기반 범용 컴퓨터용 직렬 통신 프로그램을 이용하였다.

5.2 시험 결과

제작한 임베디드 보드의 다양한 입출력 인터페이스 중 디지털 출력을 통해 토글 신호를 생성하는 펌웨어를 이용하여 보드 내 모든 디지털 출력의 동작을 검증하였다.

그림 6은 RM57L843 마이크로프로세서의 HET 모듈을 이용하여 토글 신호를 생성하여 보드 내 각각의 디지털 출력에서 생성되는 파형을 측정한 결과를 나타낸다. 1MHz 주기로 클럭 속도를 설정한 HET 모듈에 50% 듀티를 설정한 신호를 출력하였는데, 이때 High 값은 3.3197V의 신호가 출력된다는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 6.

Waveform of digital output signal

서보모터 인버터 단의 게이팅 신호로 인가 될 3상 PWM 신호의 동작을 확인하기 위하여 25KHz 주기의 PWM 신호를 RM57L843 모듈의 ePWM 모듈을 이용해 생성해주었다.

이 때, 각각의 ePWM 모듈은 기본적으로 3.3V 레벨의 신호로 출력되나, 실제 드라이브 단에서 사용할 게이팅 신호 레벨은 5V이기 때문에 Voltage Shifter를 사용하여 보드의 게이팅 신호 출력단으로 신호가 검출된다. 그림 7은 50% 듀티의 단일 게이팅 신호를 측정한 결과를 나타낸다.

Fig. 7.

Waveform of motor drive gaiting signal

그림 8은 모터 드라이브 측에서 측정한 제어 입력 신호를 나타내는데, 20KHZ의 단일 채널 게이팅 신호가 인가되고 있음을 알 수 있고, 마이크로프로세서의 디지털 출력 신호에 비해 약간의 노이즈가 합성되어 있으나 정확한 주기성을 띈 신호가 검출됨을 관찰할 수 있다.

Fig. 8.

Control input signal of motor drive

그림 9는 모터드라이브 측으로부터 출력되는 아날로그 신호를 설계한 임베디드 시스템 하드웨어로 인가하였을 때 측정되는 디지털 신호를 측정한 그림이다. 2채널의 아날로그 신호를 측정하여 마이크로프로세서로 전송한뒤 이 신호를 다시 아날로그 신호로 출력하여 측정한 파형으로써 0~3.3V 마이크로프로세서 주변장치 가변 전압 내 결과값이 측정됨을 관찰할 수 있다.

Fig. 9.

Motor drive 2 channel analog input signal

이 때 수평 시간 간격은 1us로써 1MHZ로 가변하는 신호를 정확하게 측정하고 출력하는 설계한 하드웨어의 성능을 확인할 수 있다.

상기 모터 드라이브 제어 시험을 수행함과 동시에 EtherCAT 슬레이브 인터페이스의 동작 신호를 측정하여 그 동작 성능을 검증하였는데 이는 그림 10에 나타난다.

Fig. 10.

EtherCAT communication interface signal

그림 10은 EtherCAT 인터페이스에 분주되는 클럭신호를 기반으로 한 신호 토글 파형을 나타내는데, 하단 채널 2 신호는 외부 메모리 인터페이스를 이용하여 데이터 및 주소를 전송하기 위한 개별 클럭 신호를 나타내고 이때 채널 1은 3.3V 레벨의 전송 데이터 신호를 나타낸다.

제작한 임베디드 시스템 하드웨어의 경우 산업용 통신 인터페이스 연결을 위해 외부 메모리 인터페이스를 채택하고 있어 그림 10과 같이 모듈 동작을 위한 개별 클럭에 따른 데이터 전송 신호 파형을 검출함으로써 운용을 위한 기본적인 성능 검증을 수행하였다.

범용 LAN(Local Area Nework) 케이블을 이용하여 컴퓨터 및 HMI 장치와의 연결을 통해 다양한 시스템 모니터링과 제어를 하기 위해 설계된 RMII 인터페이스 기반의 이더넷 통신 동작 확인을 위해 TI 社에서 배포하는 UDP 서버 클라이언트 프로그램을 제작한 하드웨어에 탑재하여 그 동작을 테스트한 결과는 그림 11과 같다.

제작한 임베디드 하드웨어에 펌웨어를 다운로드하면 장치는 임의로 할당된 IP(Internet Protocol) 주소를 통해 접근 가능한 서버로 동작한다. 그림 11은 CCS 통합 개발 환경의 직렬 통신 터미널에 장치로부터 전송되는 메시지를 표시한 결과로써, 물리 주소 할당 및 RMII 인터페이스 상태, 연결 동작 성공 여부, 장치 서버 주소를 확인 할 수 있으며 장치 LAN 케이블을 이용해 연결된 클라이언트에서 웹으로 접근 가능한 서버 주소를 확인함으로써 이더넷통신 이용을 위한 기본적인 어플리케이션 동작을검증하였다.

Fig. 11.

Server/client communication using RMII interface

그림 12는 HMI 또는 범용 컴퓨터를 통한 시스템 모니터링 및 관리를 가능하도록 MCU의 SPI 버스 인터페이스와 FTDI 칩을 결합하는 방식으로 설계된 USB 인터페이스를 통해 윈도우 운영체제 용으로 Visual Studio 2017을 이용하여 자체 제작된 프로그램과 USB 프로토콜을 이용하여 수행한 직렬통신의 결과를 나타낸다.

Fig. 12.

USB serial communication result with general-purpose PC

초 당 8bit의 데이터 비트 심볼 전송 개수를 9600으로 하고 parity bit를 0, stop bit를 1로 설정한 펌웨어에 맞도록 PC 프로그램을 설정하면 기본적인 통신 설정이 완료된다. 본 논문에서는 오토 튜닝용 파라미터 전송 USB 펌웨어를 탑재하여 초기 파라미터 값을 PC로 전송하도록 하였고 이를 수신한 결과는 그림 12를 통해 확인함으로써 USB 통신 운용을 위한 기본적인 동작을 검증하였다.