안정적인 센서 집약적 자동차 안전을 위해 PSI5를 적용하는 방법

자동차 산업의 최대 관심사는 안전이며, 따라서 설계자는 더 많은 센서와 운전자 지원 시스템을 추가하기 위해 노력합니다. 문제는 이러한 시스템에 공통적인 인터페이스가 필요할 뿐만 아니라 넓은 온도 범위와 습도 변화, 진동, 전자파 적합성 문제 등이 발생해도 오류 없이 안정적으로 통신해야 한다는 것입니다.

설계자는 주변 장치 센서 인터페이스(PSI5)와 호환되는 센서 기반 솔루션을 찾아볼 필요가 있습니다. PSI5는 원래 에어백 시스템에 사용되는 견고하고 간섭 영향이 적은 인터페이스이지만, 최신 센서 집약적 자동차 응용 제품에 점차 사용되고 있습니다.

이 기사에서는 PSI5 버스를 소개한 후 다양한 PSI5 시스템 솔루션에 대한 개요와 세부 사항을 제공한 후 이러한 솔루션을 사용하여 센서 기반 제어 시스템을 구성하는 방법을 알아봅니다.

주변 장치 센서 인터페이스(PSI5)

PSI5 인터페이스는 전자 제어 장치(ECU)에 여러 센서를 연결하는 데 사용되며 에어백 및 관련 구속 시스템에 대한 기본 센서 통신 버스로 사용되고 있습니다. 또한 PSI5.org의 PSI5 조직 웹 사이트에서 개방 표준으로 제공됩니다. 최신 사양은 PSI5 버전 2.3으로, 에어백, 섀시, 안전 제어 장치, 동력 전달 장치용 표준을 비롯한 모든 하위 표준에 공통적인 기본 표준으로 출시되었습니다.

PSI5 표준은 125kbps(189kbps 선택) 데이터 전송률의 전류 변조 맨체스터 인코딩 데이터 전송을 사용하여 2선식(연선) 버스로 구현됩니다. 이 인터페이스는 다른 일반 자동차 데이터 버스(표 1)에 비해 중간 속도 인터페이스입니다.

표 1: 일반 자동차 데이터 버스 비교. PSI5는 중간 속도 인터페이스입니다. (데이터 출처: DigiKey)

PSI5는 CAN 또는 FlexRay보다 더 경제적이면서 센서 데이터와 호환되는 데이터 전송률을 지원하여 중간 속도 범위에서 장점을 제공합니다. SENT 데이터 버스는 센서 데이터를 전송하는 데에도 사용되긴 하지만 센서에서 전자 제어 장치(ECU)로만 데이터를 전송하는 용도로 제한됩니다. 이에 반해 PSI5는 양방향 인터페이스로서, 센서를 주소 지정 및 구성할 수 있습니다.

자동차 ECU의 일반 PSI5 구현에는 여러 인터페이스에 공급하는 마이크로 컨트롤러가 있습니다(그림 1).

그림 1: PSI5를 비롯하여 일반 자동차 데이터 버스용 I/O 포트를 포함하는 자동차 마이크로 컨트롤러 ECU의 제품 구성도. (이미지 출처: DigiKey).

그림 1에서 마이크로 컨트롤러 오른쪽에 있는 상자는 지원되는 I/O 포트를 보여줍니다. 여기에는 이더넷, 계측 제어기 통신망(CAN), LIN(Local Interconnect Network) 및 FlexRay 자동차 통신 버스와 SENT(Single Edge Nibble Transmission) 및 PSI5 센서 인터페이스가 포함됩니다. 이러한 자동차 ECU는 고집적 장치이며 빠르고 정확한 센서 측정을 위한 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있습니다.

PSI5 물리층

ECU는 센서에 2개의 선으로 연결됩니다. 2선식 연선을 사용하여 3개 이상의 선을 사용하는 다른 버스에 비해 구현 비용이 절감됩니다. 전력 송신과 데이터 전송에 동일한 두 선을 사용합니다. ECU에서는 집적 또는 별도 PSI5 트랜시버를 사용하여 센서에 정격 전압을 제공하고 전송된 데이터를 읽습니다. 맨체스터 인코딩(그림 2)을 사용하여 전류 변조를 통해 센서 데이터를 ECU에 전송합니다.

그림 2: PSI5 인터페이스의 맨체스터 인코딩에서는 비트 시간 간격 중간에 전류 전이를 사용합니다. Teledyne LeCroy 모델 HDO4104A 디지털 오실로스코프는 선택 사양 맨체스터 디코더를 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

기본 레벨인 정동작 전류라고 불리는 센서에서부터 최고 레벨까지 전류를 변경하여 센서에서 데이터를 전송합니다. 이 예제의 경우 전류의 기본 레벨은 10mA, 최고 레벨은 40mA, 델타는 30mA입니다.

맨체스터 인코딩에서는 비트 시간 간격 중간에 전류 전이를 활용합니다. 전류 변조는 PSI5 트랜시버 내에서 감지됩니다. 여기서 논리 ‘0’은 양의 기울기로 표시되고, 논리 ‘1’은 음의 기울기로 표시됩니다. 그림에서 비트 시간 간격은 수직 커서로 표시됩니다. 선택 사양 맨체스터 디코더가 탑재된 Teledyne LeCroy 모델 HDO4101A 오실로스코프는 PSI5 패킷을 파란색 세로선으로 표시되는 13비트 시간으로 나눕니다. 중간 비트 시간으로 표시되는 전류 전이는 데이터 값을 나타냅니다 . 이 값은 전이를 통해 오실로스코프에 인쇄됩니다.

ECU는 전압 변조를 사용하여 PSI5 센서와 통신합니다. 이 방법은 센서의 데이터 전송을 동기화하는 데에도 사용됩니다.

단일 센서를 ECU에 연결한 경우 해당 센서는 데이터 전송의 타이밍과 반복률을 제어합니다. 여러 센서를 연결한 경우 ECU가 동기화와 데이터 전송을 제어합니다. 여러 센서를 병렬 또는 버스 구성으로 연결하거나, 일련의 센서를 통해 ‘데이지 체인’으로 연결할 수 있습니다. 이러한 구성에 대해서는 기사의 뒷부분에 자세히 설명되어 있습니다.

데이터 링크 계층

PSI5 데이터 프레임은 유연성을 크게 개선합니다(그림 3). 세 가지 기본 요소로 구성된 기본 구조 외에도, 확장 기능 구조가 있습니다.

그림 3: PSI5 데이터 프레임 구조는 데이터 페이로드 영역의 기본 세그먼트와 확장 세그먼트를 모두 보여줍니다. (이미지 출처: DigiKey)

기본 구조에는 다음과 같은 필수 요소가 포함되어 있습니다.

1. 시작 비트 필드 - 항상 ‘00’으로 코딩되는 2비트를 포함합니다.
2. 데이터 필드 - 10비트 ~ 28비트로 지정된 D0 ~ D27 사이의 페이로드를 포함합니다.
3. 오류 수정 세그먼트 - 단일 패리티 비트 P와 3비트 순환 중복 검사(CDC) C0 ~ C2를 모두 지원합니다.

확장 데이터 구조는 표 2에 요약된 제어, 메시징 및 상태 데이터를 포함합니다.

표 2: 하위 필드가 있는 추가 PSI5 데이터 패킷 선택 필드 세그먼트는 추가적인 유연성을 제공합니다. (데이터 출처: DigiKey)

PSI5 시스템

NXP Semiconductors의 RDAIRBAGPSI5-001은 자동차 에어백 제어 시스템을 위한 참조 설계로서, PSI5 기반 센서 설계 요소를 보여줍니다(그림 4).

그림 4: NXP Semiconductors 에어백 참조 플랫폼 설계의 제품 구성도는 PSI5 기반 센서 인터페이스 요소를 보여줍니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

이 참조 설계에서는 NXP PSI5 트랜시버 ASSP를 사용하여 센서와 마이크로 컨트롤러 사이를 인터페이스로 연결합니다. ASSP는 다양한 구속 시스템 관련 기능을 처리하는 혼합 모드(아날로그/디지털) 장치입니다. 센서 측면에서 ASSP는 최대 네 개의 센서 채널을 지원하여 전력 및 제어를 제공합니다.

PSI5 센서

차량에서는 가속, 온도 및 압력용 센서가 일반적으로 사용됩니다. 에어백 시스템에 연결된 센서는 주로 가속도계입니다. 일반적으로 로컬 가속도계가 ECU 근처에 있습니다. 또한 차량 주위에 위성 센서라는 여러 가속도계가 분산되어 있습니다. 에어백 ECU에서는 여러 센서의 데이터를 사용하여 페일세이프 작업을 보장합니다. 위성 센서에서 감속이 발생할 경우 ECU에서 로컬 가속도계를 폴링하여 실패한 가속도계뿐 아니라 ‘충돌’ 이벤트가 있는지 확인합니다.

일반 에어백 가속도계는 자동차 응용 분야에 적합하고 구성 가능한 센서 범위가 ±30g ~ ±480g(2의 배수 단계)인 단일 축 센서입니다. 이 가속도계는 PSI5 직접 연결과 동기식 병렬 및 데이지 체인 양방향 통신을 지원합니다. 전면 또는 측면 충돌 감지, 충격 및 진동 감지 또는 보행자 충돌 감지를 위해 이러한 가속도계를 채택할 수 있습니다.

PSI5 센서 연결 토폴로지

가속도계를 사용할 때 PSI5에서 다양한 방법으로 가속도계를 ECU에 연결할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 가속도계를 연결하려는 설계자가 사용 가능하고 PSI5에서 지원되는 네 가지 센서 연결 토폴로지의 예. 모든 경우에, ECU에서는 PSI5 트랜시버를 통해 센서에 전력을 공급하고 센서 데이터를 읽습니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 그림은 PSI5에서 지원되는 ECU에 대해 가능한 네 가지 센서 연결을 보여줍니다. 모든 경우에, ECU에서는 PSI5 트랜시버를 통해 센서에 전력을 공급하고 센서 데이터를 읽습니다. 또한 동기식 토폴로지에서는 ECU가 센서를 제어합니다. 그림 6의 타이밍 구성도는 다양한 작동 모드의 차이점을 보여줍니다.

그림 6: 네 가지 PSI5 연결 토폴로지의 타이밍 시퀀스 범위는 간단한 두 지점 간 연결부터 동기식 병렬 연결까지 다양합니다. 동기식 모드의 타이밍은 ECU에서 전압 변조 동기화 펄스를 사용하여 시작합니다. (이미지 출처: DigiKey)

가속도계를 연결하는 가장 간단한 방법은 직접 또는 두 지점 간 연결을 사용하는 것입니다. 이 모드에서 ECU는 데이터를 주기적으로 전송하는 센서에 전력을 공급합니다. 데이터 전송 타이밍과 반복률은 센서에 의해 제어됩니다.

온도, 압력 또는 멀티 가속 센서를 비롯한 여러 센서가 공통 패키지로 포함된 센서 클러스터가 직접 연결될 경우 관련 모드가 작동합니다. 이 연결을 동기식 또는 비동기식 타이밍 모드로 구현할 수 있습니다. 여러 센서의 데이터를 다중화하거나, 여기에 표시된 대로 동일한 패킷 내에서 두 데이터 세그먼트로 결합할 수 있습니다.

동기식 모드의 타이밍은 ECU에서 전압 변조 동기화 펄스를 사용하여 시작합니다.

병렬 연결에서는 버스를 통해 각 센서를 배치합니다. ECU의 동기화 신호에 따라 데이터 전송이 시작됩니다. 그러면 각 센서는 지정된 해당 시간 슬롯에서 데이터를 전송합니다.

데이지 체인 구성의 경우 센서에 고정 주소가 없으며 센서를 버스의 각 위치에 연결할 수 있습니다. 시작하는 동안 각 센서는 개별 주소를 수신한 후 공급 전압을 다음 센서로 전달합니다. 주소 지정 시퀀스라는 특정 동기화 신호 패턴을 사용하여 ECU와 센서 간의 양방향 통신을 통해 주소가 지정됩니다. 개별 주소를 지정한 후 센서는 ECU에서 생성되는 동기화 펄스에 대응하여 해당 시간 슬롯에서 데이터 전송을 시작합니다.

결론

안전성 강화를 위해 차량에 더 많은 센서가 추가되도록 설계하라는 요구가 커지고 있습니다. 보신 바와 같이 PSI5 버스는 물리적 구성과 데이터 패킷 구조 모두에서 여러 센서를 유연하게 연결할 수 있는 매우 안정적이고 상호 운용 가능한 수단을 제공합니다.