AVR ATxmega128은 시스템 클록을 발생할 수 있는 방법이 여러 가지가 있으며 이것들을 내부에 분배하는 방법도 매우 다양하다. Figure 3은 클록 분배도를 나타내었다. 마이크로컨트롤러 내부의 각 부분은 모두 동시에 클록을 필요로 하지는 않으며, 소비전력을 감소시키기 위하여 각 부분에 별도의 클록을 공급하고 개별적으로 슬립 모드(Sleep Mode)를 사용하여 이들 클록의 공급을 차단할 수 있다.

Figure 3 : 
The diagram of a clock and distribution in ATxmega128A1

하이브리드 통신 신호처리 제어보드는 저전력의 8-bit 마이크로프로세서인 ATxmega128A1을 사용하여 Figure 4와 같이 설계하였다[8]. 프로세서는 외부와 직렬 인터페이스를 위한 8개의 UART (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter) 포트가 갖추어져 있다. 프로세스 내부에는 2K 바이트의 프로그램 매개변수 및 프로그램이 동작하는데 필요한 데이터를 저장할 수 있는 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory), 128K 바이트의 플래시(Flash) 메모리, 프로그램이 실행되는 8K 바이트의 SRAM(Static Random Access Memory)으로 구성되어 있다.

하이브리드 통신 신호처리 제어보드 설계에 사용된 프로세서는 내부에 플래시 메모리, EEPROM 및 SRAM 등이 내장되어 있기 때문에 별도의 메모리를 연결하지 않아도 프로세서를 동작시킬 수 있는 장점이 있다. 프로그램 수행 및 데이터 저장에 필요한 별도의 메모리가 필요하다면, 외부 메모리를 연결하여 데이터 저장 공간을 확장시킬 수 있다. 향후 확장성 및 유지보수의 용이성을 위하여 외부 메모리를 구성하여 설계하였다.

Figure 4 : 
The design circuits using ATxmega128A1

8-bit 마이크로프로세서인 ATxmega128A1을 사용하여 설계한 회로는 Figure 4와 같으며, 콘트롤러 내부에 ADC(Analog to Digital Converter) 기능을 사용하기 위하여 입력 VCC 전원과 AVCC 전원을 설계하였다.

마이크로콘트롤러 실행에 필요한 클럭은 14.7456 MHz의 크리스털 오실레이터를 XTAL1, XTAL2 핀에 연결하여 클럭 주파수를 공급하여 준다. 이 클럭 주파수는 콘트롤러 내부의 인버터 회로에 연결되어 안정적인 동작을 할 수 있도록 구성하였다.

디지털 회로를 구성할 때 입력 전원의 안정성을 고려하여 프로세서가 안정적으로 동작할 수 있도록 설계해야 한다. 신호처리 보드에 사용되어지는 프로세서는 디지털 입력부분과 아날로그 입력부분, 두 블록으로 구성되어 있다. 이 때, 디지털 회로에서 발생할 수 있는 노이즈(Noise)에 대한 적절한 대책을 강구하여 설계하여야 하며, 프로세서 입력전원에 대한 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)와 인덕터(Inductor)로 파워 필터링(Power Filtering) 회로를 구성하여 불필요한 전원 노이즈로 인한 신호의 영향을 제거 하였으며, Figure 5에 디커플링 회로를 나타내었다.

Figure 5 : 
Decoupling Circuits

Figure 6 : 
The circuit of ADC

ADC 회로를 실험하기 위하여 ADC 회로를 OrCAD 프로그램을 이용하여 회로를 작성하였으며, OrCAD 프로그램에 내장된 시뮬레이션 툴을 이용하여 회로의 동작을 시뮬레이션 하였다. 회로 및 시뮬레이션 결과는 각각 Figure 6와 7에 나타내었다.

위의 회로는 ADC 회로 소자인 U4 입력으로 아날로그 사인파를 직접 입력하는 방식으로 회로를 구성하였다. ADC 회로는 내부 회로를 별도로 구성하지 않고 상용 소자를 이용하여 회로의 출력 결과를 검토하는 방식으로 진행하였다.

입력된 아날로그 사인파가 ADC 회로를 거쳐 8-bit의 디지털 출력값으로 변환되어지는 것을 확인할 수가 있었다.

하이브리드 통신 신호처리 제어보드에 사용된 마이크로콘트롤러 내부에는 10-bit의 출력 결과값을 갖는 ADC 회로가 내장되어 있으며 두 개의 포트에 입력신호를 입력시킬 수 있다.

Figure 7 : 
The results of the simulation

CDMA, TRS 장치는 번호취득, SMS의 송·수신을 위해서 크게 세 개 부분의 함수를 필요로 한다. 번호취득, SMS를 송·수신하기 위해서는 통신장치마다 다른 명령어가 필요하다. 같은 CDMA, TRS 장치라도 제조사가 다르면 명령어도 달라진다. 이러 부분을 해결하기 위해 각 통신장치마다의 함수들을 묶어 놓고 사용하도록 하였다.

제조사가 다르더라도 구현된 함수 내의 명령어 수정으로 사용이 가능하도록 했다. VHF는 데이터를 전송하기 위한 절차설정을 위한 특별한 명령어는 없으며 데이터를 전송하면 무선으로 데이터를 그대로 Broadcast방식으로 전송한다. 따라서 어떤 노드가 데이터를 전송하면 모든 노드가 수신하게 되는데 각 노드에는 고유의 ID를 가지고 있어 해당 ID를 포함하고 있는 데이터만 취하는 방식으로 통신을 하는 방식이다[9]-[11].

Figure 8 : 
Initializing Processor

펌웨어는 하이브리드 통신 신호처리 제어보드가 하이브리드 통신 프로세서로 동작할 때 필요한 각 하드웨어 요소별로 구조화 되어있다. 구조화된 주요 구성부분으로서 프로세서 내부시간관리(Timer Manager), 직렬포트관리(Serial Port Manager), 각 무선통신방식(VHF/CDMA/TRS)에 대응하는 장치의 통신 프로세서, GPS 및 온도계측, 발전시스템 등을 기능별로 구조화하였다.

프로그램 구동에 필요한 초기화 과정은 Figure 8과 같다.

하이브리드 통신 신호처리 제어보드의 각 포트에 연결된 VHF, CDMA, TRS, GPS, 풍속계의 사용 여부 설정은 종래에는 회로기판 내에 내장된 딥스위치(Dip Switch)에 의해 설정할 수 있었다. 하지만 하이브리드 통신을 구현하기 위해서는 포트설정을 원거리에서 서버를 통하여 설정 가능하여야 하므로 CLI(Command Line Interpreter)를 구현하였다.

CLI 프로그램 동작은 서버에서 동작하며 신호처리 제어보드 프로세서 펌웨어에 서버에서 실행하는 명령어를 해독할 수 있는 명령어 해독기가 내장하였다.

주요 기능은 회로기판에 장착된 직렬포트에 대해 VHF, CDMA, TRS, GPS, 풍속계 설정을 어떠한 포트에도 설정할 수 있으며, 각 포트별 입·출력 설정(I/O Setting)값을 임의로 설정할 수 있도록 구현하였다.

또한, 신호처리 보드에서 CDMA와 TRS는 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값과 노이즈(Noise) 상태를 파악하여 통신경로의 우선순위를 결정하여 이를 원격 운용서버에 알려주어 경로 최적화 기능도 내장하였다.

Figure 9는 하이브리드 통신 신호처리 제어보드의 설정을 위한 메인화면이며, 각 사용자 인터페이스(User Interface)의 설명은 Table 1과 같다.

CLI(Command Line Interpreter) 프로그램에 의해 각 포트의 인터페이스를 사용자 환경에 맞게 설정하여 운용할 수 있으며, 보드에 내장된 직렬포트에 대하여 각각의 운용 상태를 확인할 수 있도록 별도의 모니터링(Monitoring) 화면을 구성하여 그 동작 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다.

Figure 9 : 
Configuration of the hybrid communication

Figure 10 : 
Monitoring display of CDMA port

Figure 10은 직렬포트에 연결된 CDMA 통신장치와의 인터페이스 동작을 확인할 수 있는 모니터링 화면이다. 연결된 포트 수, 통신장치의 현재 상태, 송·수신 메시지 확인, 수신감도, 시각정보 등을 확인할 수 있다.

하이브리드 통신 제어보드에 VHF, CDMA, TRS 통신장치를 부착하여 운영할 경우에 보드와 서버와의 데이터 송·수신을 위해 통신경로의 상태를 파악하여 어느 통신장치를 이용하여 전송할 것인지를 결정할 수 있는 경로설정 최적화 기능을 구현하였다. 하이브리드 통신의 경우 비용측면을 고려하여 먼저 VHF 통신을 수행한 후 통신이 이루어지지 않을 경우 CDMA와 TRS 모뎀의 RSSI와 노이즈 값을 비교하여 우수한 성능의 통신을 먼저 통신이 이루어지도록 구현하였다.

Figure 11 : 
Flow chart

하이브리드 통신 제어보드의 프로그램 구현은 Figure 11의 신호처리 보드 프로그램 순서도에서 보는 바와 같이 크게 초기화 과정, 데이터 수집 및 전송, SMS 수신 확인 및 처리의 영역으로 구분할 수 있으며, 각 영역별로 프로그램 구현에 대한 세부 내용은 다음과 같다.

3.4.1 시스템 초기화

시스템 초기화 단계에서는 MCU(Micro Controller Unit)의 각종 I/O포트를 초기화 하고, ADC 사용을 위한 레지스터 설정, WatchDog 사용을 위한 설정, 타이머 설정, VHF, CDMA, TRS, GPS, 전력제어 모듈과의 통신을 위한 UART 설정을 수행 한다. 각 통신 포트의 초기화는 각 모듈의 특성을 참고하여 데이터 비트, Stop Bit, Parity 방식, 통신 속도를 각 특성에 맞게 설정한다. 초기화가 끝나게 되면 데이터 수집 및 전송, SMS 수신 확인 및 처리의 작업을 계속적으로 반복하게 된다.

3.4.2 데이터 수집 및 전송

데이터의 수집은 ADC 데이터, 전력제어모듈로부터 수신된 데이터, GPS 데이터로 크게 세분할 수 있다. 통신모듈의 SMS의 기능을 통하여 데이터를 전송하며, SMS는 1회 데이터 송신 크기가 80 바이트로 제한되어 있다. 이를 고려하여 메시지를 구성하고 이를 전송한다.

데이터의 전송은 통신 모듈의 SMS 기능 중 MO(단문발신), MOACK(단문발신결과) 명령어를 사용하여 수행한다. 데이터 전송의 확인은 서버의 처리결과에 의한 응답이 아니다. 단문발신결과가 OK이면 전송완료로 인식한다. 즉, 서버가 정상적으로 처리했다는 의미가 아니라 서버쪽의 통신 모듈까지 정상적으로 송신되었다는 의미로 해석해야 한다.

3.4.3 SMS 수신 확인 및 처리

SMS 수신의 확인은 MTCNT(수신된 단문갯수 조회), READMT(수신된 단문읽기), DELMT(수신된 단문 삭제)를 이용해서 처리한다. 서버로부터 수신 메시지는 전력제어모듈로 전송되는 제어명령 하나이다. 메시지 수신 후 전력제어 모듈의 통신 프로토콜에 맞게 데이터 형식을 변경시킨 후 전력제어 모듈로 데이터를 송신한다. 전력제어모듈로의 데이터 전송 후 처리결과에 대한 응답은 별도 확인하지 않는다.