다양한 무선 관련 기술: 내장형 개발자를 위한 내장형 RF 대역 및 프로토콜 선택, 2부

편집자 주: 2부로 구성된 이 시리즈의 1부에서는 내장형 시스템 설계자가 사용할 수 있는 다양한 무선 연결 옵션을 설명하고 몇 가지 관련 예시를 소개했습니다. 2부에서는 무선 모듈의 특성을 더 자세히 살펴보고 이를 효율적으로 사용하기 위한 방법을 소개합니다.

IoT(사물 인터넷)와 AI(인공지능)의 급격한 발전으로 무선 시스템 연결의 필요성이 증가함에 따라, 개발자는 적절한 프로토콜을 선택하고 이를 낮은 비용으로 신속하게 설계해야 하는 상황이 되었습니다. 이 상황을 해결하기 위한 다양한 무선 모듈이 존재하지만 설계자는 성공적인 설계를 위해 논리적으로 선택하고 통합 프로세스를 따라야 합니다.

이 기사에서는 내장형 응용 제품을 위한 적절한 무선 프로토콜과 무선 모듈을 선택 및 구현하기 위한 4단계 프로세스를 소개합니다. 단계는 다음과 같습니다.

1. 대역폭, 범위 및 비용 요구 사항에 따라 무선 인터페이스 및 프로토콜 선택
2. 무선 모듈에 무선 프로토콜 구현 이외에 내장형 애플리케이션을 위한 처리 기능이 포함되어야 하는지 결정
3. 무선 모듈 또는 칩의 I/O 요구 사항 식별
4. 처음 세 단계에서 결정한 사항에 기초하여 적적한 모듈 또는 칩 선택

기사에는 무선 연결 내장형 시스템을 설계할 때 고려할 수 있는 여러 옵션 중 대표적인 샘플로 선택한 6개 무선 모듈에 대한 설명이 포함됩니다.

1단계: 무선 프로토콜 선택

가장 일반적인 무선 프로토콜 몇 가지를 대역폭 및 범위와 함께 소개합니다(그림 1).

그림 1: 몇 가지 무선 프로토콜에 대한 범위(미터-킬로미터) 및 대역폭(초당 비트 수 - 초당 메가비트 수)의 개념도 (이미지 출처: DigiKey)

이 샘플 구성도를 통해 범위 및 대역폭 요구 사항에만 기반하여 옵션을 빠르게 선별할 수 있습니다. 왼쪽의 프로토콜(Wi-Fi, 대역폭 및 Bluetooth LE(저에너지)은 수십 미터( m) 단위로 측정된 범위에서 초당 수백 킬로비트(Kbits/s) 또는 초당 수 메가비트(Mbits/s)를 제공합니다. 이러한 프로토콜은 대부분 건물 내부 네트워크에 적절합니다. 오른쪽 프로토콜은 수 킬로미터 이상으로 데이터를 제공합니다. 이러한 프로토콜은 캠퍼스 또는 도시 전역에 위치한 내장형 장치에 적절합니다.

Wi-Fi, Bluetooth 및 Bluetooth LE(또는 두 가지의 조합)를 구현하는 모듈에는 온보드 안테나가 장착된 경우가 많습니다. Adafruit의 3320 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 모듈에 내장된 통합 안테나를 예로 들 수 있습니다(그림 2). 회로 기판 맨 위의 지그재그 형태가 통합 안테나입니다.

통합 안테나는 안테나 개발의 복잡한 부분이 이미 완료되었기 때문에 무선 네트워크 내장형 시스템의 디자인이 크게 단순화됩니다.

그림 2: Adafruit의 3320 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 모듈은 초당 150메가비트의 속도에서 작동 (이미지 출처: Adafruit)

이 모듈은 회로 기반에 마운트되도록 설계되었으며 추가적인 회로망이 필요하기 때문에 시제품 제작을 시작하기에 적합하지 않을 수도 있습니다. 모듈은 그림 3의 Espressif Systems ESP32-DEVKITC처럼 작은 회로 기판에 개발 키트로 용접할 수 있습니다. ESP32-DEVKITC는 모든 모듈 핀을 0.1인치 헤더로 분리하며, USB - TTL 직렬 어댑터 칩, 프로그래밍 및 리셋 버튼, 온보드 3.3볼트 조정기가 통합되어 있습니다.

그림 3: Espressif Systems의 ESP32-DEVKITC는 Adafruit 3320 모듈의 모든 핀을 0.1인치 헤더로 분리하고, USB - TTL 직렬 어댑터 칩, 프로그래밍 및 리셋 버튼, 온보드 3.3볼트 조정기가 통합되어 있습니다. (이미지 출처: Espressif Systems)

장거리 무선 프로토콜과 온보드 안테나가 결합되지 않은 경우

장거리 무선 네트워킹 통신에는 외부 안테나가 필요하며 여기에는 복잡성이 수반됩니다. 예를 들어 Semtech Corp.의 SX1276MB1LAS는 고주파 및 저주파 안테나를 부착하기 위한 두 개의 SMA 커넥터가 통합된 LoRa 트랜시버입니다(그림 4).

그림 4: Semtech의 SX1276MB1LAS LoRa 트랜시버 모듈에는 하이 및 로우 대역 RF 안테나를 위한 두 개의 SMA 커넥터가 있습니다. (이미지 출처: Semtech Corp.)

미국에서 LoRa 통신에 사용되는 433MHz 및 915MHz 주파수 대역을 모듈이 개별적으로 처리할 수 있도록 하기 위해 두 개의 안테나 포트가 필요합니다. 모듈의 최대 링크 버짓은 168dB이며 범위가 수 킬로미터에 달합니다. 하지만 모듈과 외부 안테나 사이의 동축 케이블과 SMA 커넥터가 이 링크 버짓의 일부를 소비합니다.

성공적인 디자인 시작을 위해 Semtech에서는 SX1276MB1LAS LoRa 트랜시버 모듈에 기반한 SX1276DVK1JAS 개발 키트도 제공합니다. 키트에는 두 개의 LoRa 트랜시버, 두 개의 Eiger 플랫폼, 두 개의 미니 USB 케이블, 두 개의 터치스크린 스타일러스, 고주파/저주파 대역용 쌍극자 안테나가 포함됩니다.

Digi International의 XBC-V1-UT-001 Digi XBee 셀룰러 LTE Cat 1 모뎀은 외부 안테나가 필요하며 그림 5에서처럼 안테나 연결에 대해 비슷하지만 조금 다른 접근법을 취합니다.

그림 5: Digi International의 XBC-V1-UT-001 XBee 셀룰러 LTE Cat 1 모뎀은 Verizon의 셀룰러 통신 네트워크에 내장형 시스템을 통합합니다. (이미지 출처: Digi International)

Digi의 모뎀에는 기본 및 보조 LTE 안테나를 부착하기 위한 두 개의 U.FL 소형 RF 커넥터가 있습니다. 기본 안테나는 필수입니다. 보조 안테나는 특정 상황에서 수신 성능을 향상시키며 Digi에서 권장합니다. 안테나는 셀룰러 모뎀 모듈(및 기타 금속 물체)에서 가능한 멀리 떨어뜨려야 합니다. 기본 및 보조 안테나가 모두 설치된 경우 서로 직각 방향을 유지해야 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

2단계: 무선 네트워킹 모듈에 애플리케이션 처리가 필요한가?

무선 네트워크 모듈에는 온보드 프로세서가 있는 경우도 있고 없는 경우도 있습니다. 개발 중인 내장형 시스템에 이미 프로세서가 있다면 무선 네트워크 모듈에 다른 프로그래밍 가능 프로세서가 필요하지 않을 수 있습니다. 무선 모듈에서 내장형 시스템의 애플리케이션 코드를 실행해야 하는 경우에는 사용 가능한 프로그래밍 도구 및 모듈의 실행 기능이 결정 과정의 일부가 됩니다. 무선 네트워킹 모듈 온보드 인텔리전스를 사용하여 내장형 애플리케이션을 실행하면 보드 공간이 절약됩니다. 또한 하드웨어 설계가 단순화되고 BOM(부품 명세서) 비용이 낮아집니다.

위에서 설명한 모듈 중 일부는 완전한 프로그래밍 환경을 구현합니다. 앞서 언급한 Digi의 XBC-V1-UT-001 XBee 셀룰러 모뎀의 경우, 모뎀의 내장 인텔리전스를 간단한 애플리케이션에 적용하는 온보드 MicroPython 환경이 있습니다. 예를 들어 모듈의 디지털 및 아날로그 I/O 핀에 연결된 센서를 읽고, 처리하고, 전송할 수 있습니다. 액추에이터 명령을 수신하고 그에 따라 작동할 수 있습니다. 모듈에는 13개의 디지털 I/O 핀과 4개의 10비트 아날로그 입력 핀이 있습니다. MicroPython 역시 모델에 기반한 배터리 전원 내장형 시스템에서 전원을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

XBC-V1-UT-001을 Digi XBIB-U-DEV 인터페이스 보드에 꽂고, USB 케이블을 통해 PC를 인터페이스 보드에 연결하고 터미널 프로그램을 실행하여 프로그래밍을 수행합니다. Digi의 XCTU 구성 및 테스트 유틸리티 소프트웨어에는 MicroPython 터미널 프로그램이 있습니다. XBC-V1-UT-001 모듈에는 24Kbyte의 RAM과 8Kbyte의 저장용 플래시 메모리가 있습니다.

다른 무선 네트워킹 모듈의 온보드 인텔리전스에서 더 많은 성능을 활용할 수도 있습니다. 예를 들어 위의 1단계에서 설명한 Espressif Systems ESP32-DEVKITC 개발 키트의 Wi-Fi/Bluetooth/Bluetooth LE 모듈에는 두 개의 32비트 Xtensa LX6 RISC 프로세서 코어가 통합되어 있으며 둘 모두 160MHz로 실행됩니다. 일반적으로 이 프로세서 중 하나는 "프로토콜" 프로세서이고 다른 하나는 "애플리케이션" 프로세서입니다. 하지만 두 프로세서 모두 모든 온보드 리소스에 액세스할 수 있습니다. 대부분의 내장형 애플리케이션에 충분한 처리 성능을 제공합니다.

3단계: 무선 모듈 또는 칩의 I/O 요구 사항 식별

무선 네트워킹 모듈이 내장형 애플리케이션을 내부적으로 실행하는지에 상관없이 내장형 시스템의 다른 항목에 연결해야 할 가능성이 높습니다. 내장형 시스템 내의 호스트 CPU에 연결해야 하거나 센서 및 액추에이터에 직접 연결해야 할 수 있습니다. 대개의 경우 둘 다 필요합니다.

가장 간단한 방식은 플러그 앤 플레이입니다. 모듈에 꽂고 드라이버를 로드하기만 하면 됩니다. Advantech Corp.의 EWM-W151H01E 802.11b/g/n Mini PCIe 카드는 미니 PCIe 소켓에 연결되어 PCIe를 통해 호스트 CPU와 통신합니다(그림 6).

그림 6: EWM-W151H01E Advantech의 1T 절반 크기 Mini PCIe 카드는 IEEE 802.11b/g/n 기반 Wi-Fi 표준을 구현합니다. (이미지 출처: Advantech Corp.)

EWM-W151H01E를 사용하여 개발을 시작할 때는 Windows(7, 8 또는 10) 또는 Linux 드라이버를 로드하면 내장형 시스템이 기존 Wi-Fi 시스템에 최대 150Mbits/s의 데이터 전송률로 연결할 준비가 됩니다. 카드의 폼 팩터가 플러그인 Mini PCIe이고 Windows 및 Linux용 드라이버가 제공되므로 내장형 PC(x86 프로세서) 설계에 가장 적합한 카드 모듈입니다.

Espressif Systems ESP32-DEVKITC의 설명에서는 센서 및 액추에이터에 연결하는 데 사용할 수 있는 모듈의 간단한 디지털 I/O 핀과 아날로그 핀을 언급합니다. 하지만 모듈에는 3개의 UART, 2개의 I²C 포트, 3개의 SPI 포트 및 2개의 I²S 포트가 포함된 더 복잡한 직렬 인터페이스도 있습니다. 이러한 인터페이스를 사용하여 다양한 주변 장치에 연결할 수 있으며 호스트 CPU로의 인터페이스로 사용할 수도 있습니다. 다음은 일부 사양입니다.

• 모듈 UART의 최대 전송률은 5Mbits/s
• I²C 포트는 100Kbits/s(표준 모드) 및 400Kbits/s(고속 모드) 전송 속도를 모두 지원
• I²S 포트는 40Mbits/s 전송 지원
• SPI 포트는 50Mbits/s 지원

가장 적합한 프로토콜 모듈에 필요한 I/O 기능이 없는 경우 내장형 시스템에 추가적인 I/O 확장 칩이 필요한데 이 경우 보드 공간을 더 차지하게 되어 전력 소비량이 증가하고, 프로그램 복잡성이 가중되고, BOM 비용이 높아집니다. 가능하면 하나의 무선 네트워킹 모듈로 모든 것을 구현하는 것이 훨씬 좋습니다.

4단계: 구현 선택

이 단계에서는 선택이 몇 가지 선택 항목 또는 하나의 선택 항목으로 좁혀져야 합니다. 대역폭 및 범위 요구 사항에 따라 범위가 하나 또는 두 개의 적절한 프로토콜로 좁혀집니다. 무선 네트워킹 모듈에서 온보드 애플리케이션을 처리해야 하는 필요성과 온보드 처리량에 따라 몇 가지 선택 항목이 제거됩니다. 마지막으로 I/O 요구 사항에 따라 선택 항목이 최종적으로 좁혀집니다. 이 단계에서는 선택이 명확해지거나 몇 가지 선택 항목만 남습니다. 이 경우에 적용할 수 있는 선택 기준은 구현이 얼마나 용이하며 얼마나 익숙한지 여부가 됩니다.

결론

내장형 무선 연결의 필요성은 계속 증가하고 있습니다. 사용 가능한 프로토콜 수가 많으면 처음에는 일부 내장형 설계자에게 복잡할 수 있지만, 각 프로토콜의 범위/전원/데이터 전송률이 다르므로 이 관점에서 보면 선택이 훨씬 간결해집니다.

이 기사에서는 수백 개의 무선 네트워킹 모듈에서 선택하기 위한 네 단계를 소개했습니다.

1. 대역폭, 범위 및 비용 요구 사항에 기반하여 무선 프로토콜을 선택합니다.
2. 무선 모듈에 무선 프로토콜 구현 이외에 내장형 애플리케이션을 위한 처리 기능이 포함되어야 하는지 결정합니다.
3. 무선 모듈 또는 칩의 I/O 요구 사항을 식별합니다.
4. 처음 세 단계에서 결정한 사항에 기초하여 적적한 모듈 또는 칩을 선택합니다.

어떤 응용 분야든지 요구 사항을 잘 충족하는 하나 이상의 표준화된 무선 프로토콜과 몇 가지 관련 모듈을 찾을 수 있을 것입니다.