다채널 고속 측정 시스템 제작 시 문제 해결 방법

내용

이 기술백서는 LabVIEW와 버추얼 인스트루먼테이션 개념에 익숙하다는 전제 하에 작성되었습니다.

Explore버추얼 인스트루먼테이션의 개념과 버추얼 인스트루먼트를 제작하는 데 LabVIEW가 왜 최고의 툴인지 살펴보시기 바랍니다.

개요

대부분의 기존 고속 오실로스코프들은 채널이 2개부터 4개까지 있으며 독립형의 박스형 계측기 형태로 제작되었습니다. 이러한 형태의 오실로스코프 제품들은 디버깅 등을 수행하는데 분명히 효율적인 솔루션이긴 하지만 다채널 어플리케이션 예를 들어, 빔포밍과 의료 영상 진단 등과 같이 고속으로 수십 개부터 수백 개의 채널들을 동시에 샘플링하기 위해 계측기를 확장하는 데는 어려움이 있습니다. 다채널 고속 DAQ 시스템은 반드시 다음을 수행할 수 있어야 합니다.

  1. 채널 밀도 최대화
  2. 여러 계측기들의 채널을 동기화
  3. 대량의 데이터 처리

이러한 문제들을 해결하기 위해서는 간단하게 채널을 동기화할 수 있고, 고속으로 데이터를 스트리밍할 수 있으며, 소형 크기의 폼팩터를 제공하는 모듈형 플랫폼을 이용하는 것이 훨씬 실용적입니다. PCI eXtensions for Instrumentation (PXI)은 기존의 요구사항들을 충족시키면서도 다양한 어플리케이션에서 신뢰성을 인정받아왔기 때문에 다채널 시스템을 제작하는 데 적합합니다. PXI 플랫폼은 버추얼 인스트루먼트 개념 하에 제작되었으며, 기존의 기능이 고정된 계측기로는 제한이 있었던 부분을 소프트웨어를 이용하여 계측기의 기능을 정의하고 사용자의 요구사항에 맞게 측정 및 자동화 시스템을 구축할 수 있습니다.

해결과제 1: 채널 밀도 최대화

고성능 어플리케이션을 제작할 때 채널이 수백 개로 늘어나면 공간이라는 문제가 발생하게 됩니다. PXI 플랫폼은 측정 및 자동화 시스템을 위한 고성능의 배포 솔루션으로 소형 크기의 폼팩터를 제공합니다. PXI 시스템은 하나의 컨트롤러와 섀시 그리고 여러 개의 계측기 예를 들어, 디지타이저, 디지털 멀티미터 (DMM), 임의 파형 생성기 등으로 구성됩니다.

 

기존의 박스형 계측기들은 각자 전용 프로세서, 디스플레이, 파워 서플라이 그리고 2개 채널 또는 4개 채널마다 팬으로 구성되어 있습니다. PXI는 이와 같이 중복되는 구성요소들을 하나의 섀시와 컨트롤러로 통합함으로써 모듈에 아날로그 및 디지털 회로만 남게 되기 때문에 채널 밀집도를 최대화할 수 있습니다. 이렇게 통합을 통해 모듈당 채널 수가 최적화되기 때문에, 단일 4U 랙 공간에 최대 544개 채널의 시스템을 구축할 수 있습니다.

그림 1. PXI 플랫폼의 모듈형 방식을 이용하면, 다양한 고속 또는 고분해능 모듈을 이용하여 고밀도 수집 시스템을 제작할 수 있습니다.

표 1은 NI PXIe-5186과 같은 고대역폭의 고속 모듈부터 NI FlexRIO용 NI 5752 어댑터 모듈과 같은 다채널 모듈까지 다양한 디지타이저를 나열하고 있습니다. 필요한 대역폭과 분해능에 따라 어플리케이션에 최적의 채널 밀집도를 제공하는 NI 디지타이저를 확인할 수 있습니다.

                                  

모듈 분해능 샘플 속도 대역폭 모듈 당 채널수 섀시 당 채널수
NI PXI-5105 12 60 MS/s 60 MHz 8 136
NI PXIe-5186 8 12.5 GS/s 5 GHz 2 10
NI PXIe-5162 10 5 GS/s 1.5 GHz 4 68
NI 5752 12 50 MS/s 14 MHz 32 544
NI 5772 12 1.6 GS/s 2 GHz 2 34

표 1. NI 디지타이저는 어플리케이션에 최적의 채널 밀도를 제공합니다.

해결과제 2: 여러 채널 동기화

다채널 시스템 제작 시 해결해야 할 주요 문제 중 두 번째는 각 채널들의 데이터가 동기화되어야 한다는 것입니다. 여러 오실로스코프간의 채널들은 각자 고유의 타이밍 및 동기화 엔진이 있다고 해도 동기화가 쉽지 않습니다. 박스형 오실로스코프가 다중 계측기 동기화를 지원하더라도, 케이블 길이나 타입이 다르기 때문에 클럭 스큐 지연을 반드시 교정해야 합니다. 또한, 박스형 계측기간의 트리거 라인과 샘플 클럭의 연결은 채널 수가 많아지면 더욱 더 쉽지 않아집니다.

타이밍과 동기화

PXI는 타이밍과 동기화가 통합된 아키텍처를 이용하여 동기화 클럭과 트리거를 내부에 연결함으로써 기존의 여러 동기화 문제들을 해결합니다. PXI 섀시는 전용 10 MHz 시스템 참조 클럭, PXI 트리거 버스, 스타 트리거 버스, 슬롯 대 슬롯 로컬 버스를 통합하며, PXI Express 섀시는 100 MHz 차동 시스템 클럭, 차동 신호 전송, 차동 스타 트리거가 추가로 제공되어 고급 타이밍 및 동기화 요구사항을 해결합니다.

그림 3. PXI 타이밍 및 동기화 아키텍처를 이용하면, 최소한의 클럭 스큐와 드리프트로 트리거 라인과 참조 클럭을 연결할 수 있습니다.

NI 디지타이저 타이밍 및 동기화

NI는 PXI 플랫폼에 동기화라는 장점 외에도, 이 동기화 프로세스를 더욱 간단하게 구현할 수 있는 다른 기능들을 사용할 수 있도록 PXI 디지타이저를 제작했습니다. 단일 보드의 채널 확장부터 다른 샘플 속도로 수집하는 계측기들의 멀티섀시 동기화까지 NI PXI 디지타이저는 동기화된 고속 DAQ를 위한 이상적인 하드웨어 및 소프트웨어 툴을 제공합니다.

 

NI는 다채널 어플리케이션 예를 들어, 프로그램적으로 샘플 클럭을 연결하고 트리거를 공유하는 어플리케이션의 구축과 관련된 소프트웨어 태스크들을 간소화했습니다. NI LabVIEW 소프트웨어 툴을 이용하면, 채널 확장을 통해 몇 개 채널을 동기화하거나 NI-TClK API를 통해 수백 개의 채널을 쉽게 동기화할 수 있습니다. 채널을 확장하는 간단한 방법은 단일 디지타이저 내에서 채널들을 동기화하고 단일 리소스 문자열 내에 채널 수집들을 지정하는 것입니다 (그림 4 참조).

그림 4. 채널 확장을 통한 단일 보드 동기화

여러 계측기에서 동기화할 수 있도록 NI는 특허 받은 동기화 방식인 NI-TClk를 개발했으며, 이 방식은 다음을 수행합니다.To 

  • 10 MHz 참조 클럭에 위상이 잠겨있음에도 처음에 반드시 동기화되지 않았을 수도 있는 샘플 클럭을 조정
  • 동기화된 디바이스의 정확한 트리거링 가능

NI-TClk 기술은 유연하기 때문에 다음과 같은 경우에 적용할 수 있습니다.

  • 샘플 클럭 또는 참조 클럭으로 고속 모듈형 계측기 동기화
  • 시스템 타이밍을 이용하여 다채널 시스템을 구축하기 위해 단일 PXI 섀시부터 여러 PXI 섀시까지 동기화 확장
  • 동종 및 이기종 동기화 – 디바이스가 내부 또는 외부 샘플 클럭을 이용하여 동일 또는 다른 샘플 클럭에서 실행

NI-TClk API는 세 개의 LabVIEW 함수 (VI)를 통해 시스템이 하나의 다채널 오실로스코프로 나타나도록 표현하기 때문에 트리거 설정 값과 클럭 동기화를 간단하게 설정할 수 있습니다. 세 개의 LabVIEW VI를 사용할 때는 외부 파라미터가 필요하지 않고, 다수의 계측기 세션들을 NI-TClk API로 전달하기만 하면 작동합니다. NI-TClk 아키텍처는 동기화된 디바이스에 각 디바이스간 최저치인 1ns의 스큐를 제공할 수 있습니다. 일반적으로 스큐는 200 ps와 500 ps 사이로 떨어지는 것이 관측됩니다. 각 디바이스의 샘플 클럭을 수동으로 교정하면 스큐를 디바이스간 30 ps 미만으로 낮출 수 있습니다.

그림 5. 여러 계측기의 채널을 동기화하는 NI-TClk API

고급 주제: 여러 PXI 섀시의 PXI 디지타이저 동기화

만약 PXI 섀시가 기본적으로 제공하는 것보다 많은 채널이나 높은 클럭 정확도가 필요할 경우, 플랫폼은 50ppb의 참조 클럭을 이용하는 (일반적으로 박스형 계측기는 100ppm 수용) 멀티 섀시 동기화, 정밀 타이밍 및 동기화 모듈들을 수용합니다. 동기화된 섀시간의 거리가 케이블로 클럭 및 트리거 신호를 안정적으로 전송하기에 너무 장거리일 경우, 시간 기반의 동기화 아키텍처를 이용할 수 있습니다. NI PXI 타이밍 및 동기화 솔루션을 이용하면, 절대시간 참조 프로토콜 즉, IEEE 1588, GPS, IRIG-B 등을 활용하여 장거리에서 동기화를 구현할 수 있습니다.

해결과제 3. 대량의 데이터 처리

고속 DAQ에 병목현상을 발생하는 주 요인 중 하나는 호스트에 데이터를 저장하고 이 데이터를 전송하는 버스의 속도 때문이었습니다. 계측기의 샘플링 속도가 증가하면서, GPIB 인터페이스의 스트리밍 한계는 디지타이저의 성능을 현저하게 저하시켰습니다. 다채널 어플리케이션에서 시스템의 전송 속도와 온보드 메모리가 특히나 중요한 이유는 수십 또는 수백 개의 채널에서 데이터를 수집하고 동일한 호스트에서 처리할 때 이 둘을 이용하기 때문입니다. 예를 들어, 5 GS/s로 8-비트 데이터를 수집하는 디지타이저는 매 초마다 5 GB의 데이터를 생성할 수 있습니다. 이렇게 대량의 데이터가 생성되기 때문에 시스템의 디지타이저는 고대역폭의 버스와 함께 대용량의 온보드 메모리도 통합하여 다시 호스트로 데이터를 전송해야 합니다.

 

그림 6은 다양한 버스들의 성능을 비교했습니다. 고대역폭 PXI Express 버스 아키텍처를 이용하면, 최고 성능의 디지타이저를 지원하기에 충분히 높은 속도로 하드 디스크와 데이터를 송수신할 수 있습니다.

그림 6. 자동화 테스트에 사용하는 일반 버스들의 대역폭과 지연성 비교

호스트로 스트리밍

PXI 어플리케이션의 스트리밍 성능은 시스템 섀시, 컨트롤러, 계측기의 전송 속도에 달려있습니다. 시스템의 전체 전송 속도를 최대화하기 위해서는 스트리밍 아키텍처의 각 연결을 평가하는 것이 중요합니다. 최신 PXI 기술을 이용하는 NI 섀시와 컨트롤러의 시스템 대역폭은 최고 12.8 GB/s까지 지원할 수 있으며, 이 대역폭은 GPIB를 이용했을 때 가능한 8 MB/s보다 획기적으로 개선된 것입니다. 버스, 프로세서 및 메모리 기술이 빠르게 발전하면서 PXI 플랫폼은 최신 테스트 시스템을 유지할 수 있는 유연함을 제공할 수 있게 되었습니다.

그림 7. NI PXIe-1085 섀시와 NI PXIe-8135 임베디드 컨트롤러의 시스템 전송 속도

온보드 메모리

고성능의 버스를 이용하더라도 대부분의 어플리케이션에서는 데이터를 임시적으로 저장하고 고속 디지타이저의 최대 샘플링 속도에 발맞출 수 있는 대용량 온보드 메모리가 필요합니다. 대용량의 온보드 메모리를 이용하면 디지타이저는 최대 속도로 샘플링하고, 데이터를 국부적으로 저장한 후, 수집이 완성되면 호스트 컴퓨터로 데이터를 전송합니다. 대용량 온보도 메모리가 탑재된 디지타이저는 최대 샘플링 속도를 보다 오랜 시간 동안 유지할 수 있기 때문에 수집 타임 윈도우가 상승합니다. NI PXIe-5162 5 GS/s 디지타이저와 같은 NI PXI Express 디지타이저는 채널 당 1 GB의 메모리를 사용할 수 있어, 최대 샘플 속도로 실행되어도 수집 시간에 영향을 미치지 않게 됩니다.

RAID를 통한 스트리밍의 진화

PXI 플랫폼은 데이터 스트리밍뿐 아니라 여러 테스트 설정 간에 데이터를 쉽게 전달하거나 PXI 시스템 컨트롤러의 저장 용량을 보충할 수 있는 합리적인 비용의 RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk) 솔루션을 제공합니다. RAID는 대량의 저장 기법에 사용되는 일반 용어로서, 여러 하드 드라이브에 데이터를 나누거나 복제하고 다채널 어플리케이션에 필요한 대역폭과 저장 용량을 제공합니다. NI는 외장 하드 드라이브부터 섀시 내장형 데이터 저장 옵션까지 다양한 RAID 옵션을 제공합니다.

그림 8. NI HDD-8265는 24 TB의 저장 용량을 제공하며, 최고 750 MB/s로 스트리밍할 수 있습니다.

어플리케이션

일본 기타사토 대학의 기초 과학 센터에서는 비침투성 암 발견 방식을 개선하기 위해 비침투성 영상 진단 기법 즉, OCT (Optical Coherence Tomography)를 이용하여 모듈형 시스템을 개발했습니다. 이 대학의 연구진들은 특허 받은 광원 기술에 256개의 동시 샘플링된 고속 수집 채널들을 함께 활용하였습니다. 개발을 위해 선택한 플랫폼은 PXI로 32개의 NI PXI-5105 (60 MS/s, 8-채널 디지타이저)를 이용했습니다. 연구진이 PXI 플랫폼을 선택한 이유는 동기화 기능, 소형 크기 및 모듈형으로 구성 가능한 점 때문이었습니다. NI의 PXI 플랫폼으로 다채널 수집 시스템을 구성할 수 있었고 채널을 128개에서 256개 이상으로 확장할 수 있었습니다. 이렇게 개발한 시스템의 결과는 성공적이었습니다. 기타사토 대학은 세계에서 가장 빠른 OCT 시스템을 개발하여 환자의 암을 더욱 빠르게 발견할 수 있게 되었습니다.

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