블루투스 자동차 액세스 시스템의 자동 주소 지정 방식 비교

블루투스 저에너지(BLE) 자동차 액세스 시스템은 일반적으로 중앙 모듈과 CAN(Controller Area Network) 또는 LIN(Local Interconnect Network) 버스로 통신하는 다중 위성 노드를 특징으로 합니다. 위성들은 차량 주변에 전략적으로 배치돼 BLE 범위를 확장합니다.

설계자들은 단일 PCB 설계와 모든 노드에 동일한 펌웨어를 사용해 위성 제조를 간소화하려 합니다. 그러나 이러한 균일성은 설치 후 중앙 모듈이 각 위성에 고유한 CAN 또는 LIN 주소를 할당하는 온보드 메커니즘을 필요로 합니다.

전통적인 유선 방식은 제조 중 CAN ID를 배포하기 위해 전용 LIN 데이지체인을 사용합니다. 그러면 LIN 인터페이스는 차량 수명 동안 비활성화됩니다. 대안으로 최소한의 이산 회로로 전용 LIN 버스를 대체해 BOM 비용을 줄이는 방법이 있습니다. 진정한 무선 옵션은 추가 하드웨어를 완전히 제거하고 기존 BLE 인프라를 활용해 주소 할당을 수행합니다.

전용 LIN 하드웨어의 필요성을 제거함으로써 무선 방식은 배선, BOM, 불필요한 구성요소 비축과 조립 오버헤드를 줄입니다. 이 글은 먼저 유선 자동 주소 지정 기법을 검토한 후 무선 접근법을 자세히 다룹니다.

현대 자동차 액세스 시스템은 폰-어-키(phone-as-a-key) 또는 디지털 키 기능을 위해 BLE를 점점 더 채택하고 있습니다. 이 시스템은 기존 키 폽을 운전자 스마트폰으로 대체한다는 점 외에는 수동 엔트리, 수동 스타트 설정과 유사하게 작동합니다. 일반적인 구성은 하나의 중앙 모듈과 6~12개 위성 모듈로 이루어지며, 각 모듈은 폰이나 키 폽에서 BLE 신호를 수신할 수 있습니다(그림 1).

그림 1. 차량 전체에 걸친 BLE 위성 모듈 배치 예시.

폰-어-키 시스템이 잠금을 해제하려면 중앙 모듈이 스마트폰이나 키 폽이 차량 잠금 해제 구역 내에 있는 시점을 판단해야 합니다. 이는 승객 도어, 로커 패널, 트렁크, 범퍼 등 전략적 위치에 분산된 다중 위성 모듈이 수신한 신호를 삼각측량해 달성됩니다.

중앙 모듈은 CAN 또는 LIN을 통해 위성들과 통신합니다. 각 위성의 데이터를 사용해 스마트폰 위치를 삼각측량하고 진입 허용 여부를 결정합니다. 그림 2는 CAN 기반 통신 토폴로지를 보여줍니다.

그림 2. 중앙 모듈과 위성 간 주 통신 네트워크로서의 CAN 버스.

각 위성의 CAN 주소는 중앙 모듈이 들어오는 데이터의 출처를 식별하게 합니다. 각 위성에 고유한 CAN ID나 주소를 할당하는 것은 올바른 동작에 필수적입니다. 모든 위성에 대해 고유한 PCB를 하드코딩하는 대신, 제조사들은 모든 노드에서 동일한 펌웨어가 실행되는 단일 PCB 설계를 선호합니다. 이 접근법은 재고 복잡성을 줄이고 어떤 차량 위치에도 동일한 모듈 설치가 가능하게 합니다.

모든 위성이 설치 시점에 동일하고 주소가 없으므로, 설치 후 자동 주소 지정 스킴이 필요합니다.

유선 자동 주소 지정: LIN 데이지체인 방식

현재 많은 OEM이 일회성 CAN 주소 할당을 위해 별도 LIN 버스를 사용합니다. 중앙 모듈이 첫 번째 위성에 LIN으로 CAN 주소를 보내면, 해당 노드가 다음 주소를 두 번째 위성으로 전달하는 식입니다(그림 3). 각 모듈은 송신용과 수신용 두 개의 LIN PHY를 필요로 하며, 이는 자동 주소 지정에만 사용됩니다. 6~12개 위성으로 차량당 14~26개 LIN PHY가 필요해 BOM과 복잡성이 증가합니다.

그림 3. LIN 데이지체인 자동 주소 지정 아키텍처.

유선 자동 주소 지정: 단일 와이어 방식

Texas Instruments는 LIN PHY를 MOSFET과 몇 개의 저항으로 대체하는 비용 절감 대안을 도입했습니다. 이 방식에서 모든 위성은 P_IN 라인에서 웨이크 신호를 수신할 때까지 CAN 버스를 무시합니다(그림 4). 중앙 모듈은 Q1을 통해 P_IN1에 펄스를 보내 프로세스를 시작합니다. 첫 번째 위성이 웨이크 신호를 수신하면 CAN 버스를 리스닝하기 시작하고 CAN ID를 수신합니다. 수신 확인 후 다음 위성으로 웨이크 신호를 보내고, 모든 노드가 주소 지정될 때까지 시퀀스가 반복됩니다.

그림 4. 단일 와이어 자동 주소 지정은 LIN PHY를 MOSFET과 저항으로 대체합니다.

이 방식은 구성요소 수를 줄이지만, 여전히 중앙 모듈과 각 위성 간 전용 배선 연결이 필요합니다(그림 5).

그림 5. 단일 와이어 자동 주소 지정 아키텍처에 필요한 배선.

무선 자동 주소 지정/케이블 대체

또 다른 TI 솔루션은 BLE 로컬라이제이션을 사용해 추가 배선을 완전히 제거합니다. 제조 또는 모듈 교체 시 중앙 모듈은 측정된 거리(RSSI에서 유도)를 기반으로 CAN 주소를 할당합니다. 중앙 모듈에 가장 가까운 위성이 가장 낮은 CAN ID를 받고, 점차 더 먼 모듈들이 할당됩니다. 실제 물리적 위치는 필요하지 않으며, 측정된 거리의 일관성이 반복 가능한 주소 지정을 보장합니다.

예를 들어 측정된 거리가 d1 < d6 < d5 < d2 < d4 < d3을 만족하면 중앙 모듈은 1부터 6까지 주소를 신뢰성 있게 할당할 수 있습니다. 두 위성이 유사한 거리를 생성하면 이미 주소 지정된 위성이 보조 레퍼런스로 작용해 이들을 구별할 수 있습니다(그림 7).

그림 6. 무선 자동 주소 지정에 사용된 거리 관계.

그림 7. 이전에 주소 지정된 위성을 사용해 거리 모호성 해결.

구현 세부사항

BLE의 일반 액세스 프로파일(GAP)에 따라 중앙 모듈은 '스캐너', 위성들은 '어드버타이저'로 불립니다. GAP 레이어는 디바이스 발견, 링크 설정, 보안을 관리합니다. 두 가지 핵심 상태는:

• 어드버타이저: 고유 디바이스 주소와 선택적 이름을 포함한 연결 가능한 광고 데이터를 브로드캐스트.
• 스캐너: 광고 스캔, 스캔 요청 전송, 연결 개시.

자동 주소 지정 중 각 어드버타이저는 중복 방지를 위해 랜덤 식별자로 광고합니다. 스캐너는 반복적으로 RSSI를 측정하고 평균을 내 가장 가까운 어드버타이저를 선택합니다. 그런 다음 스캔 요청을 보내 자동 주소 지정 CAN 메시지를 전송하고 확인을 기다립니다. 확인 시 어드버타이저는 광고를 중단하고 다음 노드로 진행합니다. 이 사이클이 모든 위성이 주소 지정될 때까지 반복됩니다.

결과

테스트에는 TI의 블루투스 저에너지 + CAN 위성 레퍼런스 설계와 커넥터 간 약 6피트 간격의 12피트 하네스가 사용되었습니다(그림 9). 스캐너는 1초 스캔 지속시간에 250ms 윈도우/인터벌을 사용했고, 어드버타이저는 100ms마다 광고했습니다. 노드당 10개 RSSI 샘플을 취해 평균으로 거리를 추정했습니다.

그림 9. TIDA-020032 레퍼런스 디자인을 사용한 하드웨어 테스트 설정.

표 1은 세 방식의 지연, 신뢰성, 구현 비용을 요약합니다. 무선 접근법은 유선 방식 대비 약 5배 더 긴 주소 지정 시간이 소요되지만, 가장 낮은 BOM을 제공하고 배선을 제거합니다. BLE 파라미터 개선과 RF 전파 변동 고려로 성능을 개선할 수 있습니다.

표 1. 자동 주소 지정 기법 비교

단일 와이어 테스트 데이터에 대한 자세한 내용은 TI의 자동차 액세스 블루투스 저에너지 + CAN 위성 모듈 레퍼런스 가이드를 참조하세요. 자동 주소 지정 전략 선택 시 비용, 배선 복잡성, 제조 후 유연성 필요성을 고려하십시오.

* 단일 와이어 자동 주소 지정 방법에 대한 추가 세부사항과 테스트 결과는 Texas Instruments 자동차 액세스 블루투스 저에너지 + CAN 위성 모듈 레퍼런스 디자인 가이드를 참조하십시오.

참고문헌

1. 블루투스 코어 사양
2. The Standard for Connection Sets New Standards in Safety, Bluetooth SIG

>> 이 기사는 자매 사이트 EDN에 원문 게재되었습니다.