자동차 산업에 IoT를 제공하는 MCU와 MPU
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마우저 일렉트로닉스, 아담 킴멜(Adam Kimmel)
2021년 8월 2일
도입
오늘날 자동차 간 연결성이 확대되고 있다는 사실은 결코 놀랄 만한 일이 아닐 것이다. 대시보드에 오일 압력, 냉각수 온도, 연료 잔량 등을 위한 경고등 아이콘을 표시하여 운전자에게 문제를 알리는 자동차 센서의 경우를 가장 먼저 들 수 있다. 그 후, 1990년 마쓰다(Mazda)가 유노스 코스모(Eunos Cosmo)에 GPS가 탑재된 최초의 모바일 통신 시스템을 도입하면서 통합 GPS(Integrated Global Positioning)는 자동차 제조사의 차량에 탑재된 최초의 스마트 기능이 되었다. 오늘날의 자동차에는 자동 주차 및 차선 이탈 방지 기능 등의 자율 기능도 통합되어 있다.
차량 시스템에는 이제 100개가 넘는 마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서가 탑재되어 전조등 켜기부터 배기가스 조절, 차량과 계기판의 상호작용 방식에 이르기까지 모든 것을 제어하는 것이 가능하다. 본문에서는 센서의 발전과 그 애플리케이션, 그리고 이 같은 데이터가 어떻게 소프트웨어 제어 기능으로 이어져 주행 중 안전과 탑승자 경험, 연결성을 향상시키는지 살펴본다.
차량과 IoT 간의 가교 역할을 하는 MCU와 MPU
사물 인터넷(IoT)에 있어 데이터는 핵심 요소이다. 기기의 성능을 향상시키기 위해 컴퓨터에서 응답하고 알고리즘을 개발하도록 하려면 엔지니어가 방대한 양의 데이터를 수집해야 한다. 차량 주변과 내부의 센서들은 데이터를 수집한다. 그런 다음 이 데이터를 처리하여 이전에 수동으로 제어하던 차량의 기능을 제어하는 데 사용한다. 프로세서나 컨트롤러에서는 데이터를 받아들여 프로그램 알고리즘이 평가할 수 있는 형태로 되돌린다. 그런 다음, 컨트롤러는 수집한 데이터를 기반으로 적절한 조치로 응답할 수 있다. 자동차 데이터에 가장 영향력을 미치는 세 가지 요소는 배기가스 배출, 성능, 탑승자 경험으로 볼 수 있다.
차량에서 외부 수신기로의 데이터 전송을 자동화하면 차량의 신호와 응답 사이의 지연을 최소화할 수 있다. 이 같은 기능을 통해 자동차는 다른 사용자, 차량 또는 스마트 시티와 상호 작용할 수 있다.
커넥티드 차량의 기술 스펙트럼
자동차 제조사들이 센서 사용을 확대하는 이유는 배기가스 배출 최적화, 온로드 성능 향상, 탑승자 경험 향상 등 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 이는 센서가 적용되는 애플리케이션들이며, 소프트웨어 제어 방식에 대한 통찰력을 제공한다.
배기가스 배출 최적화
미국의 자동차 제조사들은 연방 배출 규정에 따라 초기에 오일, 냉각수, 연료를 측정한 다음, 센서 기술 업그레이드를 통해 연소 성능을 모니터링하고 배기 가스를 배출해야 했다. 엔지니어들은 배기 가스를 줄이도록 엔진 성능을 제어하기 위해 매니폴드 절대 압력(MAP) 센서를 개발했다. MAP 센서가 매니폴드 압력을 측정하면, 이를 이용해 엔진의 제어 장치는 공기 밀도와 유량을 계산한다.
이러한 매개변수를 조합함으로써, 연소를 극대화하도록 연료 분배를 자동으로 제어할 수 있다. 또한 화학양론적 연소(stoichiometric combustion) 화합물에 최대한 가깝게 작동하면 연소 반응의 범위를 최대화하여, 유해한 배출물을 생성하는 불완전 연소 반응 생성물을 제한한다. 반응도가 높고 원치 않는 연소 생성물이 줄어든다는 것은 엔진이 더 효율적으로 작동한다는 것을 의미한다. 이 같은 조건은 보다 효율적인 연소가 코킹이나 질소산화물(NOx)과 같은 기타 미연소 탄화수소 배기 물질을 감소시킨다는 점에서 부가적인 이점을 창출한다.
1960년대 초에 처음 도입된 자동차 배기가스 규제가 점점 더 엄격해짐에 따라 자동차 제조사들은 차량용 센서의 측정 감도와 성능을 높일 필요가 있었다. 이 같은 요구에 부응하여 자동차 제조사들은 MEMS(Microelectromechanical Measurement Systems) 센서가 개발됐다. 압력 측정을 통한 엔진 제어용으로 설계된 이 새로운 센서는 차량 전체로 급속히 확대 적용되기 시작했다. MEMS 센서에는 두 가지의 요소가 결합되어 효과적인 엔진 제어를 돕는다. 하나는 기계적으로 측정된 매개 변수와 전자 지능의 통합이고, 다른 하나는 센서가 차내에서 차지하는 작은 설치 공간이다. 이 두 가지 요소의 결합은 데이터 캡처 및 소프트웨어 제어를 위한 경제적인 고성능 솔루션을 제공하게 되었다. 엔진 성능을 개선하고 배기 가스를 줄이며 안전성을 높이고 편의성을 더하는 MEMS 센서를 장착한 오늘날의 자동차 설계에서 소프트웨어 기반 연소 및 배기 가스 배출 최적화는 점점 더 중요해지고 있다.
자동차 제조사 입장에서는 새로운 배기가스 배출 목표를 먼저 달성하면 유리한 위치에 서게 된다. 데이터와 온보드 프로세스/제어를 활용하면 유해한 배기가스를 규제 목표치 이하로 줄일 수 있는 기회를 먼저 확보할 수 있기 때문에 경쟁사에서는 이를 따라잡기 위해 분주하게 움직일 수밖에 없다.
향상된 온로드 성능 (섀시)
이 같은 파워트레인 성능의 향상과 함께, 섀시(chassis)에서 온로드 성능을 측정하는 센서 기술도 발전했다. 바로 이 지점이 차량의 자율주행과 관련된 특징들이 존재하게 된 역사적인 시점이다. 이러한 애플리케이션의 사례로는 자동 제동 시스템(ABS), 노면 소음 제거(RNC), 트랙션 제어, 자동 주차를 들 수 있다. 또한 센서는 타이어 파열을 방지하기 위해 온휠 타이어 압력을 측정하는 것과 함께, 안정성 제어를 위해 진동 데이터를 측정한다.
기본적으로, 이러한 기능은 안전에 초점을 맞춘 것이지만 부차적인 이점으로 보다 부드러운 운전 및 승차 경험까지 제공한다. 엔지니어는 이 데이터를 사용하여 보다 안정적인 프레임을 설계하고, 균형과 지지를 위해 타이어 거리와 위치를 최적화하고, 기존의 운전 습관을 보태 ABS 성능을 개선하여 정지 시간도 줄일 수 있다. 또한 온로드 경험을 향상시키는 것은 전반적인 주행 경험을 개선하는 데 있어 매우 중요하다. 그러면 IoT는 차량이 생성하는 데이터에 반응하여 운전자의 안전을 보장하고 자율적으로 자동차를 위험하지 않은 위치로 옮길 수 있다.
탑승자 경험(실내 및 외부)
센서 적용이 증가하고 있는 세 번째 영역은 탑승자 경험이다. 스마트폰과 커넥티드 기술의 등장으로 자동차 운전자는 차량용 커넥티드 인터페이스와 맞춤형 기술을 사용할 수 있게 되었다. 자동차 산업에서 가장 중시되는 가치인 안전성과 관련하여, MEMS 센서는 전면 및 측면 에어백의 전개 패턴과 타이밍을 개선했다. 또한 주변 조명 조건이 달라질 경우 차량 전조등을 활성화할 타이밍을 보다 정확하게 예측할 수 있다.
편안함과 관련하여, 엔지니어는 이러한 센서 데이터를 활용하여 좌석의 온도나 등받이 각도 등 기능에 대한 운전자의 선호도와 설정을 기억할 수 있다. 또한 센서는 내비게이션 경로 안내에도 도움이 될 수 있으며, 사용자 인터페이스(UI)를 활용한 운전자 기본 설정은 소프트웨어 제어 기본 설정에 지침이 되어줄 수도 있다. 이는 MCU/MPU를 탑승객에게 가장 혁신적으로 적용할 수 있는 혜택일 것이다.
소프트웨어로 제어되는 운전석
차량에 MEMS 센서를 비롯하여 다양한 기술을 구현하게 되면 차량 소프트웨어 엔지니어는 주행 경험을 조정하고 최적화할 수 있다. 운전자가 제어하지 않고도 상태를 수신, 분석, 예측, 반응할 수 있을 만큼 강력한 데이터 세트가 마이크로프로세싱 유닛(MPU)에 갖춰진다면 이보다 이상적인 상황은 없을 것이다. 문제는 내연기관 엔진(ICE)의 경우 소프트웨어로 제어할 수 있는 설정 기능이 제한적이라는 점이다. 그렇기 때문에 전기화는 실질적으로 소프트웨어로 제어되는 차량 환경으로 나아갈 수 있는 원동력이라 할 수 있다.
차량 곳곳에 위치한 MPU와 마이크로컨트롤러(MCU)는 운전자와 탑승자가 자동차로부터 원하는 성능, 안전 및 편의 기능을 작동시키기 위한 두뇌 역할을 한다. 이는 자율 주행 경험을 향한 또 하나의 과정이다. 대부분의 전기차가 소프트웨어 제어에 대한 최적화를 거칠수록, 자동차 제조사들의 제품 라인은 더욱 간소화되고 고객에게는 더 높은 유연성을 제공할 수 있다. 프로세싱 플랫폼은 위에 나열된 영역에 대한 소프트웨어 제어를 가능하게 한다. 다음 세 가지 활용 사례는 소프트웨어 제어 기능의 실용성을 보여준다.
파워트레인
시스템 설계자들은 다양한 ICE 및 전기 자동차(EV) 파워트레인 애플리케이션을 위해 16비트 디지털 신호 컨트롤러(DSC)와 MCU를 사용한다. 이 같은 플랫폼은 열악한 작동 조건에서 e-모빌리티에 즉각적인 응답과 높은 신뢰성을 제공한다는 점에 있어 이러한 개발에 중요한 이점을 제공한다. 또한 해당 플랫폼들은 소프트웨어로 제어되는 모터 제어, 배기가스 재순환(EGR) 밸브 작동, 워터 및 오일 펌프 제어를 가능하게 한다. 파워트레인 사용에 알맞은 사이즈의 16비트 레벨 장비는 차량 소프트웨어를 통한 전원 관리, 배터리 충전 및 외부 조명 제어도 용이하게 한다.
소프트웨어 애플리케이션에 이상적인 부품들은 디지털 신호 처리를 통해 DSC 처리량을 증가시킨다. 동급 최고의 DSC 및 MCU는 양방향 아날로그/디지털 컨버터로 펄스 폭을 변조하여 양방향으로 속도와 성능을 극대화한다.
섀시
첨단 운전자 지원이나 ABS 등의 온로드 애플리케이션은 프로세스 실행을 위해 더 많은 양의 메모리에 액세스해야 한다. 32비트 솔루션은 16비트보다 훨씬 더 많은 메모리에 액세스할 수 있으며 더 높은 전압에서 작동하는 경우가 많아 적용 범위가 넓다. 하지만 32비트 컨트롤러는 용량이 더 큼에도 불구하고 여전히 차량용에 적합할 만큼의 컴팩트한 크기로 온로드 활용 사례를 위한 성능을 제공한다.
실내 및 외부
가장 복잡하고 혁신적이며 현대적인 소프트웨어 제어 자동차 기능에 있어 32비트 MPU는 강력한 설계 플랫폼에 가장 적합한 옵션이다. 이 솔루션은 인포테인먼트와 운전자-차량 인터페이스를 처리한다. 일반 컴퓨터와 동등한 처리 성능을 갖춘 32비트 MPU는 차량 컴퓨터가 메모리 사용량이 많은 애플리케이션을 처리하는 데 사용하는 방대한 양의 데이터를 분석하며, 고급 보안 기능을 활용하여 사이버 위협으로부터 보호한다.
32비트 MPU는 실내 및 외부 애플리케이션을 위한 성능뿐만 아니라 데이터 무결성을 위한 보안 기능도 제공한다. 또한 시장을 선도하는 MPU 제품들은 임베디드 오디오 및 비디오 요소를 제공하여 사용자 경험을 풍부하게 한다. 이 같은 기능들은 시스템의 데이터 처리 정확도를 향상시켜 소프트웨어의 규정된 응답의 효율성을 높인다.
맺음말
IoT는 전례 없는 속도로 데이터 생성을 촉진하고 있다. 프로세서들은 데이터를 수집, 구성, 처리하여 차량의 탄소 배출, 안전성, 그리고 성능을 향상시키는 소프트웨어와 자율 기능을 구현한다.
MCU와 MPU는 이미 자동차에 널리 사용되고 있다. 하지만 전기 자동차가 보급이 점점 더 늘어남에 따라 16비트 및 32비트 MCU와 32비트 MPU와 같은 솔루션이 소프트웨어로 제어되는 것이 현실화될 것이다. 이 같은 부품들을 사용하여 방대한 양의 센서 데이터를 처리해야 할 경우, 자동차 설계 엔지니어는 기존 프로세싱 인프라를 활용하여 소프트웨어 정의 자동차가 자율 주행 실행 단계를 설정하도록 할 수 있을 것이다.
저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 그는 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 아담은 화학 및 기계 공학 학위를 보유하고 있으며, 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.