한국정보통신학회논문지 Vol. 22, No. 3: 499~505, Mar. 2018
Array 검출 모듈 신호처리 시스템의 테스트 소프트웨어 프로그램 개발 및 디지털 신호처리 보드 개발
박지오1·김영길2*·이진3
Development of Test Software Program and Digital Signal Processing Board for Array Module Signal Processing System
Geo Park
1· Young-kil Kim
2*· Jean Lee
31
Division of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Suwon 16499, Korea
2*
Division of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Suwon 16499, Korea
3
Department of Electronic Engineering, Ajou University, Suwon 16499, Korea
요 약
전 세계적으로 해운물류 안전 보안체계가 강화됨에 따라 국가물류보안 체계 구축을 위한 해운물류안전 보안 핵심 기술 개발이 이루어지고 있다. 또한 미국에서 2018년 시행예정인 컨테이너 사전 100% 전수검사에 대응하기 위한 컨 테이너 검색기의 핵심구성 요소인 Array 검출 시스템의 국산화 개발이 필요하다.
본 논문에서는 현재 자체 개발한 Test Digital 신호처리 Board를 가지고 TI-RTOS(Texas Instruments - Real Time Operating System)를 이용하여 개발한 Test Software Program을 제안한다. M4 MCU를 기반으로 GPIO, SRAM, TCP/IP와 SDcard등을 테스트 할 수 있는 프로그램을 개발했다. 또한 Array 검출 system 중 자체 개발한 Digital Signal Processing Board에 대한 연구를 제안하고자 한다. M4 MCU를 테스트 할 수 있는 테스트보드를 개발했고 FPGA와 MCU가 결합된 통한 X-RAY 디지털 신호처리 보드를 개발했다.
ABSTRACT
Shipping and logistics safety, security system is strengthening worldwide, the development of shipping and logistics safety security core technology for national security logistics system construction has been carried out. In addition, it is necessary to localize the Array Detection System, which is a core component of the container search machine, to cope with the 100% pre-inspection of the container scheduled for 2018 in the United States. In this research, we propose a test software program developed by using TI-RTOS (Texas Instruments - Real Time Operating System) with a test digital signal processing board which is developed self development. We have developed a program that can test GPIO, SRAM, TCP/IP, and SDcard using M4 MCU. Also we propose a study on a self-developed Digital Signal Processing Board among the array detection systems that replace foreign products. We have developed a test board that can test M4 MCU and developed an X-Ray Detector Digital Signal Processing Board that combines MCU and FPGA.
키워드
: 어레이, 엑스레이, TI-RTOS, 신호처리
Key word
: Array, X-ray, TI-RTOS, Signal Processing
Received 28 September 2017, Revised 17 October 2017, Accepted 1 December 2017
* Corresponding Author Young-kil KIM Professor(E-mail:[email protected], Tel:+82-31-219-2364) Ph.D/Division of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Suwon 16499, Korea
Open Access
http://doi.org/10.6109/jkiice.2018.22.3.499
pISSN:2234-4772Ⅰ. 서 론
전 세계적으로 방사선 노출 위험에 대한 경각심이 높 아지며 국가물류보안 체계에 대한 방사선 검출 기술 개 발이 활발히 이루어지고 있다. 항만에서 수입 컨테이너 화물을 검색할 때 X선을 필요한 3차원 컨테이너 검색 대 형태의 대규모의 검색이 이루어지고 있다. 또 한 미 국에서 2018년 시행예정인 컨테이너 사전 100% 전수 검사에 대응하기 위해 현재 광양항에 컨테이너 검색기 Test Bad내에 구축되어 있는 Varian Medical System사의 CIS9 대체하는 검출 시스템의 국산화 개발이 필요하다.
어레이 검출 시스템은 국내에서 연구개발이 꾸준히 진행되고 있으며, 앞으로 Varian Medical System사의 CIS9 및 타사검출기보다 간소화, 고성능 그리고 안정적 이어야 한다[1].
현재 개발되고 있는 어레이 검출 시스템은 Detector signal processing Test Board를 통해서 Array Detector 구동 드라이버 개발을 진행했고 X-ray가 Photodiode통 해 들어오는 신호를 ADC 할 ADC chip성능 테스트도 진행하였다. Detector signal processing Test Board는 Ethernet Port와 Hexa Switch, Dual Port DPRAM, UART, Nor Flash, SD Card, M4 MCU로 구성되어있다 [2]. 이 Test Board를 가지고 Array Detector 구동드라이버 개발을 진행하였고 TI-RTOS(Texas Instruments - Real Time Operating System)을 기반으로 User Application 에 여러 Task들을 작업하였다[3]. 또한 어레이 검출 시 스템의 X-Ray Detector Digital Signal Processing Board 가 개발되었다. 이 보드에는 M4 MCU와 FPGA, 그리고 8ch ADC가 4개가 붙어있고 ADC Buffer 32ch이 있다.
또한 Photodiode Amplifier 32CH와 연결하여 X-ray를 통해 들어온 신호를 받을 수 있게 제작하였다. 12V전압 으로 센서의 작동 전압을 만들어주는 High Voltage부분 과 Signal Processing Board의 전원을 주는 전원공급부 분이 합쳐진 보드가 개발되어있고 ID생성부도 같이 붙 어있다. 여러 Task들을 작업하였다.
본 연구에서는 현재 자체 개발한 Digital Signal Processing Test Board를 가지고 TI-RTOS(Texas Instruments - Real Time Operating System)를 이용하여 개발한 Test Software Program에 대한 연구와 MCU와 FPGA가 결 합된 X-ray Digital Signal Processing Board에 대한 연
처리가 가능한 최적의 M4 MCU를 사용했기 때문에 타 사제품보다 가성비가 좋다. 이 M4 MCU를 사용하여 GPIO control, SRAM R/W, RS232를 통한 Console등을 개발한 Test Software Program과 X-Ray Detector Digital Signal Processing Board 개발을 제안한다.
Ⅱ. 디지털 신호처리 보드 개발
2.1. Detector signal processing Test Board
Fig. 1 System Block Diagram
그림1은 어레이 검출 시스템의 전체적인 System
Block Diagram이다. 이 시스템 블록도에서 개발 된
Digital Processing 부분은 Digital Signal Processing Part
에서 MCU부분과 그림1에 3번째 part인 Ethernet
Switch부분이다. 32ch Photodiode에서 각각의 신호를
받으면 Amplifier를 통해서 들어온 신호가 ADC되고
ADC된 data들을 MCU가 받아서 Ethernet으로 중앙 pc
에 전송해주는 방식이다. 이 처리방법을 총 32개, 1024
개 채널에서 Real Time으로 중앙pc에 전송된다[4].
Fig. 2 Test Board Detail of Fuction
Fig. 3 Spec of MCU[5]
그림2는 Array Detector 구동드라이버 개발을 진행 한 Detector signal processing Test Board이다. 그림3은 간단한 TM4C129 M4 MCU에 대한 스펙정보이다. 이 스펙을 바탕으로 테스트 프로그램개발을 진행했다.
Test Board는 크게 NOR Flash, Ethernet Port, Hexa Switch, Dual Port DPRAM, SD card, UART, M4 MCU 로 구성되어 있다. 어레이 검출 시스템에서 M4 MCU를 사용한 이유는 여러 가지 기능들이 구현이 가능하지만 크게 Ethernet을 사용할 수 있는 최소의 MCU이기 때문 이다. 이 Prototype Board를 가지고 Array Detector 구동 드라이버를 개발하였다.
2.2. ADC Chip 성능 테스트
그림4는 통합 Digital Signal Processing Board에 들 어갈 ADC Chip을 선정하여 테스트한 결과화면이다.
1V P-P의 sin파를 집어넣어서 테스트를 진행하였다. 그 림4에서 빨간 네모칸을 보면 PK Spurious Noise와 SNR 이 표시되어 있는데 PK Spurious Noise가 -100dB, SNR 이 71dB이 나온 것을 보아 ADC Chip의 성능이 우수한 것을 확인 할 수 있다[6].
Fig. 4 ADC Chip Performance Test Result
2.3. Functional Block Diagram
Fig. 5 Functional Block Diagram
Array 검출 System의 Functional Block Diagram이다.
빨간색으로 칠해진 부분들이 Test Board에서 추가로 개
발되어 X-Ray Detector Digital Signal Processing Board
로 완성되었다. 이 통합 Signal Processing Board에는 그
림5의 왼쪽부분에 표시되어 있는 FPGA와 ADC,
Converter, Amplifier등이 붙어있다.
2.4. X-Ray Detector Digital Signal Processing Board
Fig. 6 X-Ray Detector Digital Signal Processing Board
그림6의 통합 Digital Signal Processing Board를 좀 더 세부적으로 나누자면 Analog Signal Processing Board부분과 Digital Signal Processing Board으로 나누 어진다.
Digital Signal Processing Board는 Analog Signal Processing Board로부터 입력되는 신호를 ADC변환하 여 32ch의 데이터를 모아서 Ethernet을 통하여 상위 서 버로 전송하도록 설계하였으며, 자세한 블록도를 그림5 에 표시하였다.
Analog Signal Processing Board의 출력 신호는 먼저 동상입력전압(common mode voltage)을 제거하기 위하 여 차동 증폭기로 변환된 후 ADC로 입력되도록 하였다.
ADC는 최대 256kbps/24bit의 분해능을 갖는 소자를 사용하였으며[7], 내부에 Anti aliasing filter 및 decimation filter는 내장하여 전기적 잡음을 최대한 억제할 수 있도 록 설계하였다.
FPGA는 ADC를 제어하여 테이터를 내부 메모리에 저장하는 역할을 수행하며 32개 보드의 동시 샘플링을 위해서 X-RAY발생기의 동기 신호를 입력받도록 설계 하였다.
상위 제어기와의 데이터 교환을 위한 MICOM은 TI 사의 CORTEX M4 Processer인 TM4C129를 사용하여 설계하였으며 TI-RTOS를 기반으로 TCP/IP Protocol을 탑재하여 동작하도록 제작하였다. FPGA와 MICOM은 GPIO신호를 이용하여 Interrupt를 주고받을 수 있도록
설계되었으며, FPGA내에서 data가 준비되면 MICOM 에 Interrupt를 요청하고 MICOM은 Memory Bus를 통 해서 FPGA내의 ADC data를 읽어가는 구조로 설계하 였다. MICOM은 ADC의 데이터를 일정시간동안 메모 리에 저장한 후 일정 시간 단위로 ADC data를 Ethernet Port를 통해서 이미지 처리 서버로 데이터를 넘겨주도 록 설계되었다. MICOM의 여러 주변장치를 제어하기 위한 Port로 RS232, CAN, USB 및 SDCARD를 Interface를 갖도록 설계되었는데 ADC의 데이터를 보 정하기 위한 offset 및 Calibration data를 SDCARD에 저장할 수 있도록 설계하였다.
2.5. 고전압 및 전원 공급 보드
Fig. 7 Power Supply Board
그림7은 전원공급보드이다. Photodiode는 –100V의 Bias 전압을 공급하여야 하며, 고전압 발생부와 Analog/
Digital Signal Processing Board의 제어 전원을 공급하 기 위한 전원 공급 보드를 제작하였다[8].
광양항에 설치된 Array Detector의 전원입력 사양과 같은 Connecter 및 크기를 갖도록 제작하여 시험 시 설 치된 Array Detector를 교체하여 시험할 수 있도록 제작 하였다.
고전압 공급부는 Digital Signal Processing Board의
DAC의 제어 전압에 의해서 –-55V~135V까지 제어가
가능하도록 설계하였다.
Ⅲ. Array Detector 구동 Driver 개발
3.1. Block Diagram
Fig. 8 Test Board Block Diagram
그림8은 Test Board의 Block Diagram을 표현하였다.
M4 MCU가 Ethernet, DPRAM, USB등을 제어 할 수 있 게 개발하였다.
Fig. 9 Test Board Functional Block Diagram
그림 9는 어레이 검출 시스템의 Functional Block Diagram이다. 파란색으로 칠해진 부분들이 Test Board 에서 개발된 Task들이다. 통합 Signal Processing Board 에는 그림6 왼쪽부분에 FPGA와 ADC, Converter, Amplifier등이 붙어있다.
Fig. 10 Software Block Diagram
그림10의 블록도를 보면 크게 Main Task가 먼저 시 작된다. 시작됨과 동시에 RS232를 통해 Console과 연 결되고 TCP/IP로 PC와 연결이 된다[9]. 이제 UART를 통해 여러 테스트등을 진행할 수 있는 테스트 프로그램 으로 진입한다. 여기서 그림9의 GPIOA, SRAMT등의 명령어를 입력함으로서 테스트를 진행할 수 있다.
GPIOA, GPIOB는 GPIO 제어 등을 가능하게 하는 명령 어이고 LEDWR은 LED제어, GPIOI는 GPIO Interrupt 를 test하고 SRAMT는 SRAM test하는 명령어이고 ADCHT는 가상의 AD처리된 데이터들을 PC로 전송하 여 확인하는 명령어이다.
3.2. Test Program 실험 환경
Fig. 11 Experiment Environment
Fig. 12 TI-RTOS[10]
그림11을 보면 Software Tool로는 TI사에서 제공하 는 CCS V6를 사용하였다. 본 연구에서 개발한 Test Program은 TI-RTOS기반으로 작동되기 때문이다. Test Board는 XDS100v2라는 debugger와 연결되어 PC에서 프로그램을 다운받는다. 또 한 Ethernet port와 연결되 어 PC와 통신을 주고 받는다.
그림12는 TI-RTOS에 대한 간단한 설명과 어플리케
이션 부분에서 개발 Task들을 표시하였다. TI-RTOS를 사용한 이유는 이 시스템이 리얼타임으롣 동작하는것 도 있지만 TI-RTOS 기본적이 드라이버 검증된 예제들 이나 환경이 잘 구축되있기 때문에 개발할 때 어플리케 이션부분에만 Task를 작성하여 Merge시키면 프로그램 을 개발할 수 있기 때문이다[11].
3.3. Test Program 실행 결과
Fig. 13 Test Result Main Screen
Fig. 14 Test Result Screen
그림13에 가장 위 그림은 Test Program task로 실행 된 화면이다. 이 화면에서 명령어를 치면 각각의 결과 를 그림14에서 보여준다. 메인화면에서 help명령어를 치면 지금 실행 가능한 명령어들을 보여준다.
그림 14 왼쪽위부터 결과를 말하자면 sramt를 입력 하여 0000부터 ffff까지 모든 자리의 값들이 정상적으 로 R/W되면 ALL Pattern이라는 명령어가 출력된다. 한 가지 패턴이라도 실패하게 되면 Fail이 뜨게 코딩하였 다. 그리고 gpio R/W, led, sd card test등을 진행하였고 정상적으로 그림14처럼 출력되었다[12].
Ⅴ. 결론
본 연구는 현재 해외제품을 대체할 어레이 검출 시스 템 중 자체 개발한 Digital Signal Processing Board에 개 발과 Digital Signal Processing Test Board를 가지고 TI-RTOS(Texas Instruments - Real Time Operating System)를 이용하여 개발한 Test Software Program 대 한 연구를 제안하고자 한다.
이러한 어레이 검출 시스템을 개발하면서 타사제품 들보다 좀 더 자세한 컨테이너 내부 영상을 획득할 수 있도록 개발할 수 있으며 방사능 물질 뿐만 아니라 위 협이 되는 물질들도 탐색되게 개발될 것이다. 현재 검 출 모듈은 외국제품으로 되어있지만 국산화를 통해 국 내에 맞게 최적화시키고 Analog회로와 Digital System 을 통합 시스템으로 자체 개발함으로서 처리속도를 증가 시켜 좀 더 정확한 검출이 가능하도록 기대할 수 있다.
ACKNOWLEDGEMENT
This study is supported by KRISO(Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) in 2017. We acknowledge and appreciate the great support from the research department of KRISO.
References
[1] J. H. Lee, B. S. Kim, H. J. Seon, J. W. Kang, "Stability of a QD-blended organic photodiode for X-ray imaging," in Proceedings of The 48th KIEE Summer Conference, pp.
32-33, 2017.
[2] J. Qi, G. and P. Liu, "Design and implementation of a new wireless sensor network node," in Proceedings of Control And Decision Conference (CCDC), pp. 12-15, 2017.
[3] D. Yunge, S.Y. Park, P. Kindt, and S. Chakraborty, "Dynamic Alternation of Huffman Codebooks for Sensor Data Compression," IEEE Embedded Systems Letters, vol. 9, no. 3, pp.81-84, September 2017.
[4] F. Liu, K. R. Selzle, M. G. Weller, U. Poschl, C. J. Kampf
"Simultaneous determination of nitrated and oligomerized proteins by size exclusion high-performance liquid
Journal of Chromatography A, vol 1495, pp.76-82, April 2017.
[5] tm4c129x Spec.[Internet]. Available: http://kr.mouser.com/new/
Texas-Instruments/ti-tm4c129x-mcu.
[6] J. A. Zhang, G. J. Li, R. T. Zhang, J. X. Li, Y. F. Wei, B. Yan, and R. Z. Li, "A 2.5-GHz Direct Digital Frequency Synthesizer with spurious noise cancellation," Journal of IEICE Electronics Express, vol. 11, pp. 13-14, July 2014.
[7] AD7768 .[Internet]. Available:
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/d ata-sheets/AD7768-7768-4.pdf.
[8] Photodiode Power .[Internet]. Available:
https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_I D=3328.
[9] TI-RTOS .[Internet]. Available:
http://www.ti.com/lit/ug/spruhd4m/spruhd4m.pdf.
[10] G. M. Sung, W. D. Chou, and T. H. Chiu, "Optical transceiver with deficit round robin and RS232 interface for synchronous optical networking," 2016 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics SMC , pp.
62-75, 2016.
[11] G. J. Kim, and B. S. Kang,"Hardware Design of Real-Time Wide Dynamic Range Algorithm Based on Tone Mapping Method for Image Quality Enhancement," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.22, no.2, pp. 270-275, Feb. 2018.
[12] J. K. Yoo, and J. B. Kim, "A Study on the Improvement of Classification and Abnormal Signal Detection Module for Improving an Object Identified in the Video-Rate Control,"
Asia-pacific Journal of Multimedia Services Convergent with Art, Humanities, and Sociology, ISSN:2383-5287, vol.7, no.4, pp. 225-234, April 2017.
AJMAHS.2017.04.32.
박지오(Geo Park)
2016년 아주대학교 전자공학과 학사 2017년 아주대학교 전자공학과 석사과정 2018~ 현재 현대모비스 연구원
※관심분야 : 임베디드 시스템, 어레이 검출 시스템
이진(Jean Lee)
2016년 아주대학교 전자공학과 학사 2016~ 현재 아주대학교 전자공학과 석사과정
※관심분야 : 임베디드 시스템, Mobile 의료정보 시스템
김영길(Young-Kil Kim)
1978년 고려대학교 전자공학과 학사 1980년 한국과학기술원 석사 1984년 ENST(프랑스)박사
1984~ 현재 아주대학교 전자공학과 교수
※관심분야 : 임베디드 시스템, 초음파 의료기기, Mobile 의료정보 시스템, RFID Platform
