KR20090011806A - 펄스파 반사현상을 이용한 캔배선 진단시스템 및 방법 - Google Patents

펄스파 반사현상을 이용한 캔배선 진단시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CAN 버스 입력단에 펄스 생성기와 반사파 측정기를 구비하여 반사파를 측정함으로써 회로 상에 존재하는 단선, 단락, 분기, 임피던스 변화 등의 위치 및 크기 정보를 얻어 CAN배선 상태의 이상 유무를 확인할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템은, CAN배선의 입력단에 연결되어 펄스를 인가하는 펄스 생성기와, 상기 CAN배선의 입력단에 연결되어 입력단 쪽으로 되돌아오는 반사파를 측정하는 반사파 측정기와, 상기 반사파 측정기에서 측정한 반사파와 기저장된 표준 반사파의 파형을 비교하여 CAN배선의 이상 유무를 판정하는 마이컴과, 차종별로 CAN배선 정보를 통하여 측정한 표준 반사파 파형이 저장된 메모리와, 상기 마이컴의 제어에 의해 측정된 반사파와 CAN배선의 이상 유무를 표시하는 디스플레이로 이루어진다.
CAN배선 진단, TDR, 펄스파 반사, 임피던스, 분기

Description

펄스파 반사현상을 이용한 캔배선 진단시스템 및 방법{CAN Bus Diagnostic System Using TDR and Method}
본 발명은 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CAN 버스 입력단에 펄스 생성기와 반사파 측정기를 구비하여 반사파를 측정함으로써 회로 상에 존재하는 단선, 단락, 분기, 임피던스 변화 등의 위치 및 크기 정보를 얻어 CAN배선 상태의 이상 유무를 확인할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
차량용 CAN(Controller Area Networks) 통신 시스템이란, 자동차 내에 구비된 중앙 제어기 및 서브 제어기들 간의 데이터 교환을 위해 데이터 교환 경로인 CAN 통신 버스를 제공하며, 제공한 CAN 통신 버스를 통해 상호 교환되는 각종 데이터들의 우선 순위를 조정할 수 있는 일종의 자동차 최적화 시스템이다.
차량의 제어기 개수가 증가하고, 제어기 사이에 협조 제어가 중요해지면서 차량 네트워크인 CAN의 중요성이 증가하고 있다.
CAN 버스의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, CAN 하이(high), CAN 로(low)의 2가닥 CAN배선(1a,1b)이 구비되며, 그 양단에 CAN배선(1a,1b) 간의 전위차를 일 정하게 유지하고, CAN배선(1a,1b) 상태의 안정화를 위한, 종단저항(2a,2b)이 각각 연결되되, 각 종단저항(2a,2b)은 서로 병렬 연결되며, CAN배선(1a,1b)에는 다수의 제어기(3a,…,3n)가 분기 접속된다.
이러한 CAN 버스의 구조에서 CAN 통신이 안정적으로 이루어지지 위해서는 CAN배선(1a,1b) 양단의 종단저항(2a,2b)이 정확하게 장착되어야 하고, CAN 버스에서 각 제어기(3a,…,3n)로 연결되는 배선(Stub)의 길이가 설계 사양에 일치해야 하며, 그렇지 않으면 CAN 신호가 왜곡되어 고속 통신의 신뢰성이 떨어질 뿐만 아니라, 특히 CAN배선(1a,1b)에 단선이나 단락이 발생하면 통신이 이루어지지 않는다.
또한, 상기 CAN배선(1a,1b) 안에서 반사파가 생기지 않고 통신이 깨끗하게 되기 위해서는 종단저항(2a,2b)의 저항값과 CAN배선(1a,1b)의 임피던스 값이 동일해야 한다.
그러나 제조상의 오류로 인하여 장착된 종단저항(2a,2b)의 저항값이 정격에 못 미치거나, CAN배선(1a,1b)의 길이가 달라지거나, 단선이나 단락이 발생하는 경우가 발생한다.
따라서 CAN배선(1a,1b)을 제조한 후나 완성차 조립 라인에서 CAN배선(1a,1b)을 정밀하게 검사해야 하며, 종래에는 이러한 CAN배선(1a,1b)의 이상을 검출하기 위해 길이를 측정하거나 복잡한 장비를 사용해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 임피던스가 일정한 회로에 펄스를 인가하면 회로의 끝단에서 반사파가 발생하고, 이 반사파를 측정하면 CAN배선의 임피던스, 배선의 길이, 종단저항 등의 정보를 얻을 수 있는 현상을 이용하여 CAN배선을 진단함으로써, CAN배선을 쉽게 진단할 수 있으므로 제조 비용을 절감할 수 있고, 임피던스, 종단저항, 배선 길이 등을 정확히 파악할 수 있으므로 CAN 통신 불량률을 줄일 수 있는 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템은, CAN 하이와 CAN 로로 이루어지는 CAN배선에 다수의 제어기가 분기되고, 상기 CAN배선의 양단에 종단저항이 각각 연결되는 CAN 버스를 진단하는 시스템에 있어서;
상기 CAN배선의 양단 중 일단(입력단)에 연결되어 CAN배선에 펄스를 생성하여 인가하는 펄스 생성기와, 상기 CAN배선의 입력단에 연결되어 상기 인가된 펄스가 CAN배선을 따라 진행하다가 타단(출력단)을 만나 반사파를 발생하여 입력단 쪽으로 되돌아오는 반사파를 측정하는 반사파 측정기와, 상기 반사파 측정기에서 측정한 반사파와 기저장된 표준 반사파의 파형을 비교하여 CAN배선의 이상 유무를 판정하는 마이컴과, 차종별로 CAN배선 정보를 통하여 측정한 표준 반사파 파형이 저 장된 메모리와, 상기 마이컴의 제어에 의해 측정된 반사파와 CAN배선의 이상 유무를 표시하는 디스플레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단방법은, 마이컴에서 표준 반사파의 파형을 메모리에서 불러오는 단계와, 펄스 생성기에서 펄스를 생성하여 CAN배선의 입력단에 인가하는 단계와, 반사파 측정기에서 상기 펄스가 CAN배선을 타고 진행하다가 CAN배선의 종단부를 만나 반사파가 발생하여 다시 입력단 쪽으로 되돌아오는 반사파를 측정하는 단계와, 필터에서 상기 반사파 측정기에서 출력한 반사파에 포함된 노이즈를 필터링하는 단계와, 상기 마이컴에서 측정 반사파와 메모리에서 불러온 표준 반사파를 비교하고, 그 비교한 오차가 기준값 이상인지 여부에 따라 CAN배선의 이상 유무를 판정하는 단계와, 상기 마이컴에서 오차가 기준값 이상인 경우 CAN배선 이상이라고 판정하여 CAN배선 이상 위치를 디스플레이에 표시하는 단계 및 상기 마이컴에서 오차가 기준값 이하인 경우 CAN배선 정상이라고 판정하여 이를 디스플레이에 표시하는 단계를 포함하여 구성된다.
상술한 과제 해결 수단에 의하면, CAN배선을 쉽게 진단할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있고, CAN배선 진단시 임피던스, 종단저항, 배선 길이 등을 정확히 파악할 수 있으므로 CAN 통신 불량률을 줄일 수 있으며, 그에 따라 소비자의 클레임을 줄일 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위해 반사파 측정 원리와 펄스파 반사현상에 대해 설명한다.
먼저, 반사파 측정 원리를 설명하기 위해 TDR, 임피던스 및 전파 속도에 대해 설명한다.
TDR(Time-Domain Reflectometry)은 반사파(reflection)의 형태와 반사파 도달까지 걸린 시간 등을 시간의 흐름에 따라, 즉 시간축(Time-Domain)에서 분석하여 원거리에 있는 사물 및 형상을 판정하는 기술이다.
일반적으로, 파동(wave)이 진행할 때 매질의 특성이 변하거나 중간에 방해물이 존재하면 굴절(refraction)과 반사 등의 파동의 변형이 발생하는데, 이 중 반사는 파동이 진행하고 있는 반대 방향으로 파동이 보유하고 있는 에너지 중 일부가 되돌아 가는 것을 의미한다.
상기 TDR은 반사된 에너지를 파동의 입사 지점에서 관측하여 반사가 일어난 지점의 특성을 분석하는 것으로, 예를 들어 공중에 위치한 물체의 종류와 거리를 측정하기 위해 사용하는 레이더(radar)나, 수중에서 동일한 목적으로 사용되는 소나(sound navigation ranging)는 TDR을 이용한 것이다.
한 지점에서 전자기파 혹은 음파를 발사했을 때 진행 중간에 존재하는 물체에 의해 반사파가 발생하며, 이 반사파의 형태나 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정함으로써 해당 지점까지의 거리를 계산할 수 있다.
상기 TDR을 전기전자 분야 중 유선 부분에 한정하면, 전선의 한쪽 끝에서 펄 스를 발사하였을 때 특성 임피던스의 불연속 지점에서 나타나는 반사파를 측정하여 그 지점까지의 거리와 임피던스 변화 정도를 측정하는 기술을 의미한다.
이 기술에서 중요한 개념으로 반사파의 형태를 결정하는 특성 임피던스(characteristic impedance)와 파동의 속도를 의미하는 전파속도(VOP: velocity of propogation)가 있다.
다음, 임피던스에 대해 설명하면, 전자기 이론에서 임의의 금속 도체 두 개를 붙여 놓으면 일정한 특성 임피던스를 갖는 전송선(transmission line)을 구성하게 되고, 두 도체 사이에는 절연을 위해 절연체를 두게 되는데, 케이블의 특성 임피던스는 사용되는 절연체의 종류, 도체의 단면적, 도체 사이의 거리 등에 의해 결정되며, 단위로는 저항값의 단위인 옴(Ω)을 사용한다.
케이블의 제작 상태가 양호하여 케이블을 따라 특성 임피던스를 결정하는 요소가 일정하게 유지되면 그 내부에 전송되는 전자기파는 일정한 속도로 진행하지만, 어느 지점에서 특성 임피던스가 달라지면 그 지점에서 전자기파의 반사가 발생하여 최초 전자기파가 입사된 지점으로 되돌아간다.
특성 임피던스의 변화는 결국 케이블 상태의 연속성이 깨지는 지점으로 간주할 수 있으며, 예를 들어 단선(open, 특성 임피던스 = ∞), 단락(short, 특성 임피던스 = 0)과 같이 극단적인 경우와, 절연 손상, 케이블 간격의 변화, 심한 굴곡 등과 같은 부분 손상의 경우가 있다.
반사파의 대략적인 형태로는 진행하던 이상 지점에서의 특성 임피던스가 지금까지 진행해오던 케이블의 특성 임피던스보다 작아지면 반사파가 아래로 내려가 게 되고, 커지면 반사파가 위로 올라가는 형태가 된다.
결국, TDR 기술을 이용하여 케이블의 특성 임피던스의 변화 지점을 찾아낼 수 있다.
다음, 전파 속도에 대해 설명하면, 케이블의 구성이 결정되면 케이블 내로 전송되는 전자기파의 속도가 결정된다.
일반적으로 진공 속을 진행하는 전자기파의 속도는 광속인 30만km/sec가 되지만, 케이블과 같은 매질 속을 진행할 때는 속도의 감소가 일어나게 된다.
TDR에서는 진공 속에서의 광속을 1 혹은 100%로 놓고, 케이블 내의 속도를 광속에 대한 비율로 나타내는데, 이를 전파 속도라 한다.
상기 전파 속도를 나타내는 또 하나의 방법으로는 단위 시간 동안에 측정할 수 있는 최대 케이블의 길이를 사용하는 것으로, TDR에서 케이블을 측정하기 위해서는 전자기파의 진행과 반사가 일어나야 하므로 실제 전자기파의 진행 거리는 케이블 길이의 2배가 된다.
전파 속도는 TDR을 이용하여 거리를 측정하는 경우 측정 정확도에 직접적인 영향을 미치는 요소로서, TDR 기기는 기본적으로 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정하기 때문에 반사가 일어난 지점의 거리를 측정하기 위해서는 시간에 속도를 곱해서 계산하게 된다.
즉 반사 지점의 거리는 반사파의 도착 시간 * 케이블의 전파 속도에 의해 계산된다.
도 2a와 도 2b는 CAN배선에서 펄스파 반사현상을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이, 펄스 생성기(21) 등을 이용하여 어떤 전기 회로에 특정 전압(예를 들어 : 5V)을 갖는 전기 펄스를 인가하면, 회로 입력단에 걸리는 전압이 순간적으로 펄스의 전압까지 상승하고, 이 전기 펄스는 CAN배선(11a,11b)을 타고 진행하다가 종단저항(12b)이 연결된 CAN배선(11a,11b)의 일측 종단부에 도달하면 반사파가 발생하여 다시 입력단 쪽으로 반사파가 출력된다.
그리고 CAN배선(11a,11b) 중간에 임피던스가 바뀌거나, 분기(stub)가 있으면, 그 크기에 해당하는 반사파가 발생한다.
따라서 입력단에 정밀한 반사파 측정기(22)를 사용하여 반사파를 측정하면, CAN배선(11a,11b) 상의 단선, 단락, 분기, 임피던스 변화 등의 위치 및 크기를 측정할 수 있다.
도 2b는 반사파 측정 화면의 예로, 제1분기 반사파, 제2분기 반사파, 종단저항(12b) 반사파가 측정됨을 알 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 CAN 종단 상태에 따른 반사파 파형이다.
도시된 바와 같이, CAN 종단의 회로 구성에 따라 반사파의 특성이 달라진다.
도 3a는 CAN배선(11a,11b) 종단부가 단선(open) 상태에서의 파형으로서, 입력 펄스와 같은 방향으로 큰 펄스가 반사되고, 펄스가 측정된 시간을 거리를 바꾸면, 단선이 발생한 위치를 알 수 있다.
도 3b는 CAN 배선(11a,11b) 종단부가 단락(short) 상태에서의 파형으로서, 입력 펄스와 반대 방향으로 큰 펄스가 반사되고, 펄스가 측정된 시간을 거리로 바꾸면, 단락이 발생한 위치를 알 수 있다.
도 3c는 CAN배선(11a,11b)에 분기가 있는 경우의 파형으로서, 분기가 있는 지점에서 작은 펄스가 반사되고, 입력 펄스와 반대 방향의 반사파는 분기의 위치이며, 바로 다음에 발생한 같은 방향의 반사파는 분기가 끝나는 지점의 반사파이다.
이때 펄스가 측정된 시간을 거리로 바꾸면 분기점이 있는 위치와 분기의 길이를 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 CAN배선 진단시스템의 블록도이다.
도시된 바와 같이, CAN배선 진단시스템(20)이 펄스 생성기(21), 반사파 측정기(22), 마이컴(25), 디스플레이(27), 메모리(26)를 포함하여 구성된다.
CAN 하이와 CAN 로의 CAN배선(11a,11b)에 다수의 제어기(13a,…,13e)가 분기되고, CAN배선(11a,11b)의 양단에는 종단저항(12a,12b)이 병렬 연결된다.
상기 CAN배선(11a,11b)의 입력단에는 CAN배선 진단시스템(20)의 펄스 생성기(21)와 반사파 측정기(22)가 연결된다.
상기 펄스 생성기(21)는 펄스를 생성하여 측정 대상인 CAN배선(11a,11b)의 입력단에 인가한다.
상기 인가된 전기 펄스는 CAN배선(11a,11b)을 따라 진행하다가 CAN배선(11a,11b)의 끝단인 출력단에서 반사되어 다시 CAN배선(11a,11b)을 따라 입력단 쪽으로 되돌아 간다.
반사파 측정기(22)는 이 반사되어 오는 반사파를 CAN배선(11a,11b)의 입력단에 연결되어 측정한다.
상기 반사파 측정기(22)의 뒷단의 마이컴(25)은 반사파 측정기(22)로부터 입 력되는 측정된 반사파를 수집하고, 이 반사파를 분석하고 연산하여 CAN배선 길이, 임피던스값, 분기 위치 및 길이 정보를 얻으며, 또 측정된 반사파와 메모리(26)에 저장된 표준 반사파의 파형을 비교하여 CAN배선의 이상 유무를 판정한다.
즉, 도 5b에 도시된 바와 같이 측정된 반사파와 표준 반사파 파형을 비교하여 오차가 기준값 이하이면 정상 배선으로 판정하고, 오차가 기준값 이상이거나 양 파형의 모양이 크게 상이한 경우 비정상 배선으로 판정한다(도 5b 참조).
이를 위해 상기 메모리(26)에는 차종별로 CAN배선 정보를 통하여 측정한 표준 반사파 파형이 저장되어 있다(도 5a 참조).
디스플레이(27)는 상기 마이컴(25)의 제어에 의해 측정된 반사파와 CAN배선의 이상 유무를 표시한다.
그리고 상기 반사파 측정기(22)와 마이컴(25) 사이에는 측정된 반사파에 포함된 노이즈를 제거하는 필터(23)와, 아날로그 측정값을 디지털 측정값으로 변환하는 A/D 컨버터(24)가 더 구비될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 CAN배선 진단방법의 순서도이다.
CAN배선 진단을 시작하는 경우 먼저, 미도시된 입력수단(예를 들어 버튼)을 통해 차종에 따른 CAN배선 종류가 선택되면(S602), 마이컴(25)은 메모리(26)에 저장된 선택된 CAN배선 종류에 해당하는 표준 반사파의 파형을 메모리(26)에서 불러온다(S604).
상기 펄스 생성기(21)에서 펄스를 생성하여 CAN배선(11a,11b)의 입력단에 인가하면(S606), 이 펄스는 CAN배선(11a,11b)을 타고 진행하다가 CAN배선(11a,11b)의 종단부인 출력단을 만나면 반사파가 발생하여 다시 입력단 쪽으로 반사파가 출력되고, 이때 반사파 측정기(22)는 CAN배선(11a,11b)의 입력단 쪽으로 반사되는 반사파를 측정하여 출력한다(S608).
필터(23)는 상기 반사파 측정기(22)에서 출력한 반사파에 포함된 노이즈를 필터링한(S610) 후, A/D 컨버터(24)를 통해 디지털로 변환하여 마이컴(25)에 출력한다.
상기 마이컴(25)은 측정된 반사파와 상기 S604단계에서 메모리(26)에서 불러온 표준 반사파를 비교하고(S612), 그 오차가 기준값 이상인지 여부에 따라 CAN배선(11a,11b)의 이상 유무를 판단한다(S614).
이때 마이컴(25)은 측정된 반사파를 분석 및 연산하여 CAN배선 길이, 임피던스값, 분기 위치 및 길이 정보를 얻는다.
상기S614단계에서 반사파를 비교한 오차가 기준값 이상이면 CAN배선(11a,11b) 이상이라고 판정하여 CAN배선(11a,11b) 이상 위치를 디스플레이(27)에 표시하고(S618), 반사파를 비교한 오차가 기준값 이하이면 CAN배선(11a,11b) 정상이라고 판정하여 이를 디스플레이(27)에 표시한다(S616).
본 발명은 TDR을 이용하여 배선 업체에서 제작한 CAN배선의 이상 유무를 진단할 수 있고, 완성차 생산 라인에서 CAN배선 상태의 이상 유무를 확인할 수 있다.
도 1은 일반적인 CAN배선 블록 구성도,
도 2a와 도 2b는 CAN배선에서 펄스파 반사현상을 설명하기 위한 도면,
도 3a 내지 도 3c는 CAN 종단 상태에 따른 반사파 파형,
도 4는 본 발명에 따른 CAN배선 진단시스템의 블록도,
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 CAN배선 진단개념을 설명하기 위한 반사파 파형,
도 6은 본 발명에 따른 CAN배선 진단방법의 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11a,11b: CAN배선 12a,12b: 종단저항
13: 제어기 20: CAN배선 진단시스템
21: 펄스 생성기 22: 반사파 측정기
23: 필터 24: A/D 컨버터
25: 마이컴 26: 메모리
27: 디스플레이

Claims (4)

  1. CAN 하이와 CAN 로로 이루어지는 CAN배선에 다수의 제어기가 분기되고, 상기 CAN배선의 양단에 종단저항이 각각 연결되는 CAN 버스를 진단하는 시스템에 있어서;
    상기 CAN배선의 양단 중 일단(입력단)에 연결되어 CAN배선에 펄스를 생성하여 인가하는 펄스 생성기와,
    상기 CAN배선의 입력단에 연결되어 상기 인가된 펄스가 CAN배선을 따라 진행하다가 타단(출력단)을 만나 반사파를 발생하여 입력단 쪽으로 되돌아오는 반사파를 측정하는 반사파 측정기와,
    상기 반사파 측정기에서 측정한 반사파와 기저장된 표준 반사파의 파형을 비교하여 CAN배선의 이상 유무를 판정하는 마이컴과,
    차종별로 CAN배선 정보를 통하여 측정한 표준 반사파 파형이 저장된 메모리와,
    상기 마이컴의 제어에 의해 측정된 반사파와 CAN배선의 이상 유무를 표시하는 디스플레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사파 측정기의 뒷단에는 반사파 측정기에서 측정한 반사파에 포함된 노이즈를 제거하는 필터와, 아날로그 측정값을 디지털 측정값으로 변환하는 A/D 컨버터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이컴은 반사파를 분석하고 연산하여 CAN배선 길이, 임피던스값, 분기 위치 및 길이 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단시스템.
  4. 마이컴에서 표준 반사파의 파형을 메모리에서 불러오는 단계;
    펄스 생성기에서 펄스를 생성하여 CAN배선의 입력단에 인가하는 단계;
    반사파 측정기에서 상기 펄스가 CAN배선을 타고 진행하다가 CAN배선의 종단부를 만나 반사파가 발생하여 다시 입력단 쪽으로 되돌아오는 반사파를 측정하는 단계;
    필터에서 상기 반사파 측정기에서 출력한 반사파에 포함된 노이즈를 필터링하는 단계;
    상기 마이컴에서 측정 반사파와 메모리에서 불러온 표준 반사파를 비교하고, 그 비교한 오차가 기준값 이상인지 여부에 따라 CAN배선의 이상 유무를 판정하는 단계;
    상기 마이컴에서 오차가 기준값 이상인 경우 CAN배선 이상이라고 판정하여 CAN배선 이상 위치를 디스플레이에 표시하는 단계; 및
    상기 마이컴에서 오차가 기준값 이하인 경우 CAN배선 정상이라고 판정하여 이를 디스플레이에 표시하는 단계를 포함하는 펄스파 반사현상을 이용한 CAN배선 진단방법.
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