NI-DAQmx-Based TSN 동기화 정확도

개요

TSN 개념 이해와 TSN 동기화의 정확도 및 영향에 대해서 알아보십시오. NI-DAQmx 기반 TSN 하드웨어의 동기화 방법과 분산 측정 시스템 동기화 방법에 대해서 상세하게 설명합니다.

내용

본 기술문서에서는 NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스의 동기화 정확도를 설명하기 위해 TSN 개념 이해, 동기화 정확도 영향,측정 시스템의 특성화 등에 대해 다룹니다. 더 나아가 분산 측정 시스템 동기화 방법, TSN 하드웨어 동기화 방법에 대해서도 살펴보십시오.

 

TSN이란?

TSN(Time Sensitive Networking)은 표준 이더넷, 특히 IEEE 802.1 표준의 혁명으로서 네트워크에 시간 동기화 기능을, 이더넷의 개방형 네트워크에 결정성 있는 저지연 통신 기능을 더해줍니다. TSN 동기화는 IEEE 802.1AS 표준을 통해 제공되는데, IEEE 802.1AS 표준을 활용하면 호환되는 이더넷 스위치와 엔드 스테이션 간의 자동 동기화가 가능합니다. 디바이스 간에 하나의 이더넷 케이블만 사용하면 되므로 분산된 측정 시스템을 간편하게 동기화할 수 있습니다. 이 케이블은 측정 데이터와 같은 일반적인 네트워크 패킷을 전달할 뿐 아니라 IEEE 802.1AS 서브넷에서 동기화되는 모든 디바이스에 공통된 시간 개념을 제공합니다.

이 동기화 기술은 TSN을 사용하는 CompactDAQ의 릴리스와 함께 NI-DAQmx 17.1에 도입되었으며, 네트워크상의 분산 측정 시스템의 동기화를 간소화해 줍니다. IEEE 802.1AS 서브넷의 모든 디바이스는 시간 개념을 공유하므로, NI-DAQmx에서 처음 네트워크로 연결된 전체 시스템은 시간 기준의 트리거와 타임스탬프를 통한 동기화 및 상호 연관이 가능합니다. 시간을 동기화 수단으로 사용하면 불확실성을 일정 수준으로 유지하면서 여러 디바이스의 데이터를 간편하게 상호 연관할 수 있습니다. 이 기술백서에서는 동기화의 전체적인 정확도에 영향을 줄 수 있는 요인을 살펴보고 NI가 NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스가 가지는 네트워크 정확도를 결정하는 데 사용한 방법에 대해 논의하며 사용자의 측정 시스템이 가지는 정확도를 특성화할 수 있는 방법에 대해 알아봅니다.

 

동기화 정확도에 미치는 영향

TSN 분산 측정 시스템을 설계 및 구현할 때는 네트워크 동기화의 정확도에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요인을 고려해야 합니다. 이러한 요인으로는 분산 어플리케이션용으로 선택한 토폴로지, IEEE 802.1AS 서브넷에서 선택한 IEEE 802.1AS 그랜드 마스터 (GM) 클럭의 품질, 동기화 어플리케이션 내부에서 사용되는 I/O 채널의 타이밍 아키텍처가 있습니다.

 

토폴로지

동기화 분산 측정 시스템은 보통 여러 개의 시스템으로 구성됩니다. 이러한 시스템의 연결 방식은 어떤 토폴로지를 사용하는지에 따라 달라집니다. 동기화 분산 측정 시스템의 세 가지 기본 토폴로지는 라인 (Line), 링 (Ring), 스타(Star)입니다.

라인 토폴로지,National Instruments,한국내쇼날인스트루먼트

이미지 1: 라인 토폴로지

 

링 토폴로지,National Instruments,한국내쇼날인스트루먼트

이미지 2: 링 토폴로지

 

스타 토폴로지,National Instruments,한국내쇼날인스트루먼트

이미지 3: 스타 토폴로지

 

네트워크의 디바이스를 TSN으로 동기화할 경우, 주어진 토폴로지 내의 모든 디바이스에 공통된 시간 개념이 분산됩니다. 토폴로지 내부 라인의 디바이스 수가 증가하면 동기화에 참여하는 브리지 수가 증가합니다. 각 브리지는 동기화 정확도에 10나노초의 불확실성을 더합니다.

NI-DAQmx-based 측정 시스템의 설계에 대해 자세히 알아보기

 

그랜드 마스터

클럭은 네트워크에서 직접 공유할 수 없으므로, TSN 기반의 디바이스는 자신의 클럭과 네트워크의 참조 클럭 간의 관계를 측정 및 조절하여 동기화를 수행합니다. IEEE 802.1AS 사양에서 그랜드 마스터(GM) 클럭이라 불리는 참조 클럭은 선출 알고리즘을 통해 자동으로 선택됩니다. 선출은 클럭의 품질, 추적 가능성, 우선순위를 기준으로 하며 동점자가 있을 경우에는 디바이스의 MAC 주소를 참고합니다.

GM 클럭에는 위상 노이즈 및/또는 앨런 편차를 포함한 안정성 사양이 있습니다. 서브넷의 기타 모든 TSN 디바이스에는 이와 유사한 사양이 있으며, 자신의 클럭을 GM 클럭에 맞춰 조절하는 경우가 많아 저주파수 위상 노이즈가 추가될 수 있습니다.

GM 클럭의 영향 및 NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 수행하는 방법에 대해 자세히 알아보시기 바랍니다.

 

I/O 타이밍 아키텍처

C 시리즈 모듈은 다양한 고품질 측정을 위해 여러 종류의 타이밍 아키텍처를 지원하며 이러한 아키텍처는 샘플 클럭 타임과 오버샘플 클럭 타임의 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다. 이러한 모듈을 혼합하면 동기화의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

샘플 클럭 타임 모듈은 섀시의 타이밍 엔진이 생성하는 샘플 클럭을 기준으로 작동합니다. 이러한 설계를 바탕으로 TSN 서브넷의 다른 클럭과 위상을 정렬합니다. 수집 또는 생성 작업의 타이밍은 타이밍 엔진 및 모듈 자체에 있는 디지털 지연을 기준으로 결정됩니다.

스캔 모듈은 샘플 클럭 타임 모듈의 유형으로, 모든 채널을 위한 하나의 아날로그-디지털 컨버터(SDC)를 포함하고 있습니다. 단일 ADC가 수집 대상 채널마다 독립적으로 작동하기 때문에 스캔 모듈은 채널당 지연을 증가시킵니다. 스캔 모듈을 비스캔 모듈로 동기화할 경우, 스캔 모듈의 샘플을 다른 모듈 유형의 샘플과 세심하게 연결해야 합니다.

오버샘플 클럭 타임 모듈은 상시 가동되는 고정밀 클럭을 기준으로 작동합니다. cDAQ-9185/9189 이더넷 섀시 및 TSN에서는 이러한 클럭이 섀시 자체에 생성되며 다른 섀시 클럭에 맞춰 조정되지만, 위상 정렬은 수행하지 않습니다. 이러한 클럭은 서로 이동할 수 없으나 불일치 수준은 섀시 간 샘플 주기의 절반에 이를 수 있습니다. 클럭은 상시 가동되므로 이러한 클럭의 데이터를 동기화하려면 동기화 펄스라는 또 다른 신호가 필요합니다. 이러한 신호는 모듈이 데이터 생성 또는 소비를 시작할 수 있는 시점을 나타냅니다. 이 신호가 없으면 클럭을 네트워크에 맞춰 동기화할 수는 있으나 데이터에 맞춰 동기화할 수는 없습니다. NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스는 동기화 펄스와 동일한 시간을 사용함으로써 분산 시스템 개발을 간소화합니다.

NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 수행하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

아날로그 입력 C 시리즈 모듈과 NI-DAQmx를 동기화하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

 

NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스의 동기화 정확도

NI는 NI-DAQmx 기반 TSN 하드웨어 디바이스를 위해 네트워크 동기화 정확도라는 타이밍 및 동기화 사양을 제공합니다. 이는 타이밍 아키텍처와 토폴로지 선택 혼합 구성에 주어진 동기화 정확도를 알리고 시스템 내부의 홉 수를 늘립니다. 경우에 따라 NI는 사용자가 동일한 모듈 및 시스템 내부의 홉 수를 낮춘 최적화된 구성을 사용할 경우 얻을 수 있는 동기화 정확도 수준을 나타내는 사양을 제공하기도 합니다. 다음은 8슬롯 cDAQ-9189 섀시를 사용해 이러한 사양을 벤치마킹할 때 사용되는 설정의 두 가지 예를 살펴봅니다.

 

네트워크 동기화 정확도

이 테스트 예제는 다양한 타이밍 아키텍처를 이루는 모듈 선택 등의 상이한 요인으로 인한 불확실성을 제거하고 라인 토폴로지 내 여러 개의 홉으로 이뤄진 구성을 확보하였습니다. 6개의 cDAQ-9189 섀시로 구성된 라인 토폴로지 내의 시스템을 단일 호스트 PC와 네트워크로 연결했습니다. 모든 섀시의 클럭 품질과 추적 가능성, 우선순위가 동일했기 때문에 MAC 주소가 가장 큰 섀시를 기준으로 GM을 결정하여 8슬롯 cDAQ-9189 이더넷 섀시 중 하나를 IEEE 802.1AS 서브넷의 GM으로 선택했습니다. 토폴로지에서 동기화에 참여하는 브리지 수를 최대한 늘리기 위해 GM이 체인 엔드 중 하나에 위치하도록 설정했습니다. IEEE 802.1AS의 디바이스를 동기화할 경우 IEEE 802.1AS 프로토콜이 디바이스 간 케이블 길이를 보상하므로 이더넷 케이블 길이를 맞출 필요가 없었습니다. 6개의 섀시에는 다양한 SAR 및 DSA 기반 모듈이 포함되었습니다. 그다음으로는 알려진 외부 파형을 생성하고 모듈에 있는 모든 아날로그 입력 채널로 전송했습니다. 아날로그 입력 채널로 전송된 파형은 신호 처리를 수행하여 시스템의 모든 아날로그 입력 채널 간에 나타나는 최대 위상 오프셋을 결정했습니다. 모든 동기화 성능 수치는 실증적 결과에 기반하여 일반 동작으로 나타냈습니다.

 

최적화된 구성의 네트워크 동기화 정확도

이 테스트 예제는 가능한 모든 불확실성을 제거하여 최적화된 설정을 수립했습니다. 2개의 cDAQ-9189 섀시로 구성된 라인 토폴로지 내의 시스템을 단일 호스트 PC와 네트워크로 연결했습니다. 연결된 2개 섀시의 MAC 주소에 따르기 때문에, MAC 주소가 높은 쪽이 IEEE 802.1AS 서브넷의 GM이 되었습니다. 2개의 섀시만 연결했으므로 단일 홉으로 구성된 시스템이 서브넷의 모든 디바이스에 도달할 수 있었습니다. 이는 스타 토폴로지 동작과 유사합니다. 이전 예제에서와 같이 IEEE 802.1AS 프로토콜이 디바이스 간 케이블 길이를 보상하기 때문에 2개의 디바이스 간 이더넷 케이블 길이는 이더넷 사양 범위 내에 있는 한 문제가 되지 않았습니다. 가능한 모든 불확실성을 제거하기 위해 테스트의 2개 섀시에 동일한 모듈을 사용하여, 시스템이 한 종류의 타이밍 아키텍처로 구성되도록 했습니다. 그다음으로는 알려진 외부 파형을 생성하고 모듈에 있는 모든 아날로그 입력 채널로 전송했습니다. 아날로그 입력 채널로 전송된 파형은 신호 처리를 수행하여 시스템의 모든 아날로그 입력 채널 간에 나타나는 최대 위상 오프셋을 결정했습니다. 모든 동기화 성능 수치는 실증적 결과에 기반하여 일반 동작으로 나타냈습니다.

 

측정 시스템의 특성화

TSN 동기화 측정 시스템을 설계할 때는 데이터 후처리 수행 시 불확실성에 관한 정보를 확보할 수 있도록 일반 동기화 정확도를 특성화하는 것이 가장 좋습니다. NI는 2가지 구성에 사용된 시스템의 일반 동작에 관한 동기화 정확도 사양을 제공하지만, 이는 디바이스의 일반적인 동작을 나타내고 I/O 동기화 정확도는 시스템에 따라 다릅니다. 측정 시스템의 성능을 특성화하려면 예상되는 속성에 관하여 알려진 신호와 테스트 결과를 수집 또는 생성해야 합니다. 아날로그 입력 동기화의 경우 여러 개의 섀시에 있는 채널에서 알려진 주파수의 사인파를 수집하고 수집한 신호의 위상과 주파수를 추출합니다. 주파수의 오류는 GM 오실레이터와 알려진 신호를 생성하는 클럭 간의 주파수 차이를 나타냅니다. 동기화된 측정 시스템에서 이러한 오류는 모든 지점에서 일관성 있게 나타납니다. 위상 내 오류는 다양한 디바이스에 있는 클럭의 일시적인 위상 차이와 I/O 모듈 신호 경로의 차이를 나타냅니다. 동일한 모듈의 위상 오류는 측정 시스템 내 디바이스 간의 홉 수에 따라 평가해야 합니다.

 

NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 수행하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.