2015
임베디드월드


글: 이나리 기자 narilee@epnc.co.kr / 2015-09-08




이더캣(EtherCAT)은 산업이나 공장 환경의 네트워크와 통신용으로 점차 사용이 확대되고 있는 이더넷 기반의 첨단 통신 표준 중 하나다. 이더캣 통신 기술은 독일의 벡오프 오토메이션(Beckhoff Automation)이 발명했으며 이더캣 기술 그룹(ETG, EtherCAT Technology Group)이 표준화 한 기술이다.

텍사스인스트루먼트(TI)는 최초로 이더캣 기술 라이선스를 받은 반도체 회사다. TI는 AM335x ARM 코어텍스-A8 와 AM437x ARM 코어텍스-A9 디바이스를 포함해 다양한 시타라(Sitara) 프로세서에 이더캣을 통합했다.


▲ 이더캣

이더캣을 위해 TI는 프로그래머블 실시간 장치(PRU, Programmable real-time unit) 기술 토대를 마련해 산업 통신용 통합 프론트 엔드를 만들고 이더캣과 다른 산업용 표준을 성장하는 플랫폼인 ARM 기반의 마이크로프로세서로 가져왔다.

TI는 소프트웨어, 하드웨어, 툴을 한데 모아 AM335x ARM MPU 디바이스로 이더캣 기반 제품을 간단히 개발할 수 있게 했다. 또 산업 등급 온도를 지원하고 장기 공급 안정성으로 이더캣과 다른 산업 네트워크에서 AM335x ARM MPU를 선택할 수밖에 없게끔 했다.

EtherCAT을 Sitara 프로세서로 통합하면서 초저전력과 상당히 낮은 비용으로 최상급의 기능이 가능하다. 예를 들어 Sitara AM335x 프로세서 기반 EtherCAT 통합은 분산 클록과 700 나노초(ns) 미만의 단대단(end-to-end) 레이턴시(latency) 등을 포함하여 필요한 성능과 기능을 기준 이상 충족한다. Sitara 프로세서의 기능 외에도 TI는 다양한 관련 소프트웨어와 하드웨어 및 개발 툴로 설계 엔지니어를 지원함으로써 EtherCAT 제품 개발도 손쉽게 만들었다.

매니시 소니 ARM 프로세서 그룹 시스템 매니저 / 텍사스 인스트루먼트
<자료제공: 텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)

이더캣 개요
이더캣(EtherCAT: Ethernet for Control Automation Technology)은 입력/출력(I/O) 장치, 센서, PLC같은 산업 자동화 분야에서 실시간 산업 이더넷 표준으로 현재 부상 중이다. 원천 기술을 벡오프오토메이션이 개발했으나 현재는 이더캣 표준 전파 기반을 구축한 이더캣 기술 그룹이 관리한다.

현재 이 그룹에는 이더캣 호환 제품을 만들고 사용하는 전세계 52개국 1900여 기업이 회원으로 있다. 이더넷은 다양한 분야에 압도적으로 사용되고 있지만 산업 환경에서는 소량의 데이터 교환만으로는 여전히 부족해 실시간 운영의 결정력은 약한 수준이며 네트워크 노드를 반드시 스위치를 통해 연결해야 하는 스타 토폴로지로만 사용할 수 있다.

이더캣 기술이 이더넷에 일부 기능을 더하고 이더넷 규격은 모두 지키면서도 자동화를 위한 매우 효율적인 네트워크 기술에 맞는 구성이 가능하도록 해 준다. 이더캣 설계는 표준 PC라면 어떤 것이라도 이더캣을 사용해 이더캣 규격을 준수하는 특수 장치인 이더캣 슬레이브와 통신이 가능하게 돼 있다.

마스터와 슬레이브 이더캣 장치를 자동화 컨트롤러, 운영자 인터페이스, 원격 입출력 장치, 센서, 작동장치, 드라이브 등 공장 네트워크의 모든 장치에 사용할 수 있다.


이더캣 기술
이더캣은 이더캣 네트워크 노드가 프레임에서 통과하는 데이터를 읽어 들이는 ‘on-the-fly’ 프로세싱으로 기존 이더넷을 개선해 준다. 이더캣 프레임은 모두 명령과 데이터를 슬레이브로 보내는 이더캣 마스터와 연결된다. 마스터로 다시 보내는 데이터는 통과하면서 슬레이브가 프레임에 쓴다.


▲ [그림1] 이더캣 네트워크 예시

이렇게 하면 마스터와 개별 슬레이브 간에 소규모 점대점(point-to-point) 프레임 교환이 필요 없으므로 통신 효율이 상당히 개선된다. 그러나 이는 다시 말해 각 슬레이브에는 두 개의 이더넷 포트가 있어서 한 쪽에서 프레임을 통과하는 데이터를 읽거나 쓰는 동안 다른 쪽은 그대로 둘 수 있어야 한다는 의미다.

따라서 슬레이브 장치에는 특수 하드웨어가 필요하다. 마스터가 각 슬레이브 노드와 개별 통신을 해야 하는 네트워크는 5% 미만이었던 것에 비해 이런 개선의 결과 이더캣을 구동하는 100Mbps 네트워크에서 이용할 수 있는 대역폭이 90% 이상에 달한다.


이더캣 텔레그램
[그림2]와 같이 이더캣T 텔레그램은 이더넷 프레임 안에 캡슐화돼 있으면서 이더캣 슬레이브로 들어가는 하나나 여러개의 이더캣 데이터그램을 지니고 있다. 이런 이더넷 프레임은 헤더의 이더캣 타입을 이용하거나 IP/UDP 헤드와 함께 묶을 수 있다. IP 헤더를 사용할 때에는 네트워크 라우터 전역에서 이더캣 프로토콜을 사용할 수 있다.


▲ [그림2] 이더캣 텔레그램

이더캣 데이터그램은 각각이 헤더, 데이터, 작업 카운터로 이뤄진 명령이다. 헤더와 데이터는 슬레이브가 수행해야 하는 연산을 규정하는데 사용하며 슬레이브가 작업 카운터는 업데이트하면 마스터는 슬레이브가 명령을 처리했는지 알 수 있다.


프로토콜
각 슬레이브가 프레임이 받아들인 이더캣 패킷을 ‘on-the-fly’ 처리하고 분석한 후 이더캣 데이터그램에 지정된 주소가 자기 주소와 일치하면 조치를 취하고 패킷 내용과 CRC를 업데이트 하는 동안 두 번째 포트에서는 전체 데이터그램을 전달한다.
데이터그램을 통해 이더캣 마스터는 최대 4GB의 전체 주소 공간을 할당하고 이 공간에서 각각이 하나의 주소에 해당하는 이더캣 슬레이브에 최대 6만5536개의 주소를 할당할 수 있다.

이더캣 데이터그램은 네트워크 상 슬레이브 노드의 실제 위치를 기준으로 한 슬레이브 순서에 아무런 제한을 두지 않는다.

이더캣 데이터 전송 유형은 순환형과 비순환형 두 종류가 있다. 순환형 데이터는 일정한 주기나 순환 시간에 따라 전송되는 공정 데이터다. 비순환 데이터는 시간과 무관한 중요 데이터로 크기가 클 수도 있고 보통은 컨트롤러 명령에 대한 답변과 교환한다.

진단 데이터 같은 일부 비순환 데이터 중에는 중요하며 시간 요건이 있는 경우도 있다. 이더캣이 최적화 된 주소 체계(물리적 주소할당, 논리적 주소할당, 다중 주소할당, 전파 주소할당 등)를 통해 이러한 여러 데이터 전송 요건을 처리한다.

다양한 주소 할당 체계를 처리하기 위해 슬레이브마다 필드버스 메모리 관리 장치(FMMU)가 있다. 각 슬레이브의 FMMU 장치는 이더캣 프로토콜을 이용해 슬레이브 공간이 매핑된 4GB 대형 메모리 공간으로 다양한 슬레이브 장치를 처리할 수 있다.

이더캣 마스터는 초기화 단계 중 전체 프로세스 이미지를 짜맞춘 후 하나의 이더캣 명령을 통해 비트 수준에서 슬레이브 장치에 접근할 수 있게 해 준다. 이런 능력이 있기 때문에 입출력(I/O) 채널의 수가 몇 개라도 전체 필드버스 네트워크에서 표준 이더넷 컨트롤러와 표준 이더넷 케이블을 통해 대형 및 소형 장치를 망라해 실질적인 통신이 가능하다.


성능
하드웨어 기반 FMMU와 on-the-fly 프로세싱을 지닌 이더캣 네트워크는 매우 높은 효율로 작업을 수행한다. 컨트롤러에서 필드 장치로 통신을 하며 마이크로초 단위로 명령을 처리한다.

산업 네트워크에서 이제 더 이상은 통신 효율 때문에 업무가 막히는 일이 없으며 일반 산업용 PC의 연산 속도와 대등한 수준이다. 예를 들자면 이더캣의 분산형 드라이브용으로 성능 향상으로 위치 루프 외에 전류 루프도 구동할 수 있다.


토폴로지
이더캣 표준은 어떤 토폴로지 라인(별모양이나 나무형)도 지원하며 필드버스 네트워크 공통 버스 구조를 이더캣에 구현했다. I/O 장치에 이더캣 인터페이스가 있기 때문에 이더넷 전환 하드웨어가 불필요하다.

구리선 연결의 경우 100m, 광학 연결은 이보다 훨씬 긴 거리에서 이더캣은 지리적으로 넓은 범위에 있는 수천가지 이상의 장치를 포괄할 수 있다. 단거리의 경우 뒤판 등에서 이더캣이 차동 신호전달 기술인 E-버스(bus)를 사용한다.


분산 클로킹
서로 떨어진 곳에 설치한 산업 노드 간 동시 동작을 하려면 내부 클록을 동기화해야 한다. 이더캣이 네트워크 상에 있는 모든 슬레이브 노드의 이더캣 패킷 출입 타임스탬프 샘플을 수집해 이런 작업을 처리한다. 마스터는 슬레이브가 제공한 타임스탬프 정보를 이용해 개별 슬레이브의 전파 지연 시간을 정확히 계산한다.

이 계산값을 기초로 각 슬레이브 노드의 클록을 조정해 이런 클록이 서로 1㎲ 범위 내로 동기화가 이뤄진다. 클록을 정확히 동기화해 얻는 다른 장점으로 어떤 측정값도 동기화된 시간과 연결해 장치간 통신 불안과 관련이 있는 불확실성을 없앨 수 있다.


장치 프로파일
산업 자동화에서는 장치의 기능과 매개변수를 기술할 때 장치 프로파일을 사용하는 것을 매우 흔히 볼 수 있다. 이더캣은 기존 장치 프로파일에 인터페이스를 제공하므로 원래 쓰던 필드버스 장치를 이더캣을 사용할 수 있는 장치로 쉽게 업그레이드 할 수 있다.

이런 인터페이스로는 자기 데이터 구조를 이더캣으로 매핑해 캔오픈(CANOpen)과 서코스(SERCOS)를 사용할 수 있게 해 주는 이더캣(CoE)의 CAN 애플리케이션 계층과 이더캣(SoE)의 서보 드라이브 프로파일이 있다.


▲ [그림3] 이더캣 노드 구성요소

이더캣 노드는 ▲물리 계층 ▲데이터 링크 계층 ▲애플리케이션 계층 3가지 요소로 이뤄진다.

물리 계층은 100BASE-TX 동선과 100BASE-FX 광섬유나 LVDS 신호처리 기반 E-버스를 사용하여 구현한다.

MAC은 특수 ASIC나 FPGA중 하나를 이더캣 표준 규격으로 해 구현한다. 이밖에도 MAC은 애플리케이션 특정 동작과 표준 TCP/IP와 UDP/IP을 고려해 이더넷 기반 디바이스 프로파일을 지원하는 산업용 애플리케이션이다. 장치 복잡도에 따라 이더캣 노드를 하드웨어에 구현할 수 있거나 하드웨어와 임베디드 CPU에서 구동되는 소프트웨어를 조합할 수 있다.


준수성
이더캣 인터페이스로 설계한 장치간 보드의 상호운용성을 보장하기 위해 이더캣 기술단 (ETG)은 기술 규격을 준수할 수 있는 여러 프로그램을 보유하고 있다. 이런 프로그램으로는 적합성을 시험하는 소프트웨어 프로그램인 적합성 검사툴(CTT, conformance test tool), 회원이 다른 장치를 보고 시험해 볼 수 있는 플러그 페스트(Plug-fest), 공식 인증 시험을 하는 독일과 일본에 있는 인증 실험실 등이 있다.
최소 적합성 요건을 충족하려면 디바이스 첫 출시 시점에 적합성 검사툴로 프로토콜 시험에 통과해야 한다. 아니면 공인 인증소에서 제품 인증을 받아야 된다. ETG 웹사이트에는 인증 실험실의 위치와 인증방법에 대한 상세한 정보가 게재돼 있다.


전형적인 이더캣 노드
현재 사용하는 전형적인 이더캣 노드는 아래 그림과 비슷한 아키텍처로 돼 있다.
디지털 I/O 같은 간단한 이더캣 장치 상당수가 하나의 FPGA나 ASIC 솔루션을 이용해 만들 수 있다. 이런 아키텍처를 단순화 한 것이 [그림4]다. 이런 아키텍처는 소프트웨어가 필요없고 모든 기능이 하드웨어에 구현돼 있으며 비용에 민감한 간단한 I/O 노드에 적합하다.


▲ [그림4] 기본 디지털 I/O 이더캣 장치

프로세싱용으로 추가 전력이 필요한 이더캣 노드에서는 애플리케이션 레벨에서 연산 처리를 위(대체로 온칩 플래시 메모리가 있는) 외부 프로세서를 이더캣 ASIC/FPGA에 연결해 사용한다.

이런 장치는 센서 동작에 프로세서가 필요한 센서용이나 장치 드라이버를 구현하고 이더캣 프로토콜 스택을 구동할 때 사용할 수 있다. 이런 아키텍처의 비용은 단순 디지털 I/O 장치보다 높으며 개발자는 필요와 비용 예산에 맞는 프로세서를 선택할 수 있다.


▲ [그림5] ASIC과 외부 프로세서가 있는 이더캣

다른 방법으로 통합 CPU 장치의 주변장치로 EtherCAT을 구현하기도 한다. 많은 FPGA 디바이스가 FPGA에 프로세서를 구성할 수 있게 돼 있거나 통합 프로세서가 아예 장착돼 있는 형태다.

업체중에는 이더캣과 장치에 적합한 프로세서를 모두 넣은 ASIC을 제공하는 곳도 있다. FPGA는 유연성이 있지만 CPU에 의존적이므로 비용이나 동작 주파수 목표를 충족해야 한다는 위험이 내재한다.


▲ [그림6] 프로세서가 있는 통합 이더캣



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[원문출처 : http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=19196]

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