재호흡기 통신 시스템

아래는 “Rebreather with a bus – Written by Falko Höltzer”을 구글 번역한 내용입니다.

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현재 Rebreather 시장에서 JJ-CCR, rEvo, Prism2, SF2, Megalodon CCR, Pathfinder CCR 및 Inspiration XPD(Inspiration Vision이라고도 함)와 같은 장비에 대해 많은 이야기가 나오고 있습니다. 이 모든 재호흡기에는 공통점이 있습니다. 전자 폐쇄 회로 재호흡기를 의미하는 eCCR입니다. 그리고 모두 전자 시스템에 설치된 버스 시스템이 있습니다. 많은 신화와 반쪽 진실이 있기 때문에 저는 이 버스 기술의 어둠에 빛을 비추는 데 기여를 하고 싶습니다.

Wikipedia에서 버스 시스템이 무엇인지 검색하면 다음 정의를 찾을 수 있습니다:

컴퓨터 아키텍처에서 버스는 컴퓨터 내부의 구성 요소 간에 또는 컴퓨터 간에 데이터를 전송하는 통신 시스템입니다. 이 표현은 통신 프로토콜을 포함한 모든 관련 하드웨어 구성 요소(유선, 광섬유 등) 및 소프트웨어를 포함합니다.

모든 것을 더 이해하기 쉽게 만들기 위해 먼저 버스 시스템과 그 기원을 설명하기 위해 전기 공학으로 약간의 여행을 해야 합니다. Wikipedia에서 더 나아가 OSI 모델을 검색하면 이 모델의 참조 계층 1 및 2로 이동합니다. 하드 코어 IT 팬에게는 분명히 의미가 있지만 나머지 우리에게는 아마도 중국어로 들릴 것입니다. 그러나 기본적으로는 매우 간단합니다.

시스템 도표

 

우선 레이어 1인 “물리적 레이어”가 필요합니다. 평신도 용어로 전자 빌딩 블록을 연결하는 케이블입니다. 이 케이블의 모양은 사용되는 특정 버스 시스템에 따라 다릅니다. 이 케이블이 다른 버전에서 어떻게 보여야 하는지에 대해서는 잠시 후에 밝힐 것입니다. 이 회선에 연결하려는 각 장치는 짧은 스텁(stub, 몽당)을 통해 이 케이블에 연결됩니다. 이렇게 하면 케이블 길이가 줄어듭니다.

그러나 케이블 길이를 줄이는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?

자동차에 있는 케이블들

 

자동차의 케이블 라인 예를 들어, 자동차 산업에서는 이른바 ECU(Electronic Control Units)가 설치됩니다. 이 장치는 이름에서 알 수 있듯이 작업을 제어합니다. 예를 들어 전자식 윈도우 레귤레이터가 제대로 작동하려면 ECU에 연결해야 합니다. 대부분의 자동차에는 4개의 창이 있으므로 4개의 창 조절기를 모두 제어 장치에 연결해야 합니다. 차량의 이 부분만 고려한다면 이러한 장치를 함께 연결하는 데 최소 4개의 케이블이 필요합니다. 창 조절기는 여기에서 예시로 사용되었으며 지금까지 현대 자동차의 유일한 장치는 아닙니다. 속도 센서, 타이어의 압력 센서, 브레이크의 마모 센서 등이 있습니다. 이러한 방식으로 자동차의 케이블 트리는 점점 더 복잡해지고 길어지며(최대 4km 총 케이블 길이) 차량도 더 무거워집니다. 하지만 자동차는 가벼워야 하기 때문에 무언가를 바꿔야 했습니다. 케이블 라인의 단축을 보장하기 위해 버스 시스템이 개발되었습니다.

그러나, 주제로 돌아가서…

모두 버스에 연결된 이러한 장치 각각은 다른 장치와 통신할 수 있습니다. 예: 장치 1에는 장치 2에 대한 정보가 있습니다. 따라서 장치 1은 데이터 패킷을 버스로 보내고 장치 2는 데이터 패킷을 수신합니다. 그러나 장치 1과 장치 2가 동시에 무언가를 보내야 하는 경우 버스에서 데이터 패킷 충돌이 발생할 수 있습니다. 여기서 레이어 2인 데이터 링크 레이어가 작동합니다.

이 계층은 소위 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 다양한 메커니즘을 통해 버스에 액세스할 수 있는 사람과 액세스 권한이 부여되는 순서를 제어합니다. 이 계층은 또한 데이터 패킷에 결함이 있을 때 수신기의 동작을 조절하거나 데이터 패킷이 충돌하는 경우 어떤 일이 발생해야 하는지를 결정합니다. 사용하는 버스 유형에 따라 이 프로토콜은 적합하게 개발됩니다. 현재 Rebreathers에 설치된 버스 시스템은 I2C 버스, ISCANTM 및 DiveCAN®입니다.

I2C 버스는 Seabear 제품 및 AP Diving Rebreathers, 즉 Inspiration XPD, Inspiration EVP(이전 Evolution+로 알려짐) 및 Inspiration EVO(Evolution이라고도 함)에 있습니다. Innerspace System Corp.의 Rebreathers, Megalodon CCR 및 Pathfinder CCR은 ISCANTM을 사용합니다.

DiveCAN®은 Shearwater 전자 장치를 사용하는 모든 재호흡기에 설치됩니다. 예를 들어 JJ-CCR, rEvo, Hollis Prism2, SF2 및 O2ptima가 있습니다. 이 제품군의 최신 구성원은 XCCR입니다.

RS-232 콘넥터

 

Divesoft의 CCR Liberty는 이러한 버스를 사용하지 않습니다. 사용된 전기 장치는 RS-232 표준과 유사한 RS-485 표준을 기반으로 하며 컴퓨터의 오래된 직렬 연결에서 모든 사람이 알고 있습니다(왼쪽 그림 참조).

이들은 버스 통신용으로 설계되었지만 CCR Liberty는 종단 간 연결만 사용합니다. 즉, CCR Liberty에는 두 컨트롤러 장치(CU) 사이에 연결이 있고 이러한 각 컨트롤러 장치(CU)는 손목 디스플레이(WD)에 연결되어 있습니다. 초보적인 버스라고 생각할 수 있지만 제조사 스스로는 그렇지 않다고 말합니다. 이제 개별 버스 시스템의 세부 사항과 이러한 시스템이 제조업체에서 기술적으로 구현된 방법을 강조하겠습니다. 이 기사의 두 번째 부분에서는 개별 버스 시스템의 세부 사항과 이러한 시스템이 제조업체에서 기술적으로 구현된 방법에 대해 설명합니다.

CCR Liberty 도표 , 출처 : http://ccrliberty.com/

 

I2C 버스

I2C 버스가 재호흡기에서 가장 오래 사용된 버스이기 때문에 먼저 I2C 버스를 살펴보겠습니다. 발음할 때 I2C는 Inter-Integrated Circuit을 의미합니다.

80년대에 Philips에서 전기 부품 간의 간단한 통신을 설정하기 위해 개발했습니다. 여러분 각자도 모르는 사이에 이 버스를 여러 번 접했고 매일 지갑에 넣고 다닙니다. 은행 카드 칩은 이 버스를 사용합니다. I2C 버스는 텔레비전과 CD 플레이어에서도 사용됩니다. 2005년 비전일렉트로닉스 도입 이후 AP-다이빙에서 사용하고 있는 버스입니다. 2000년대 중반 DSL만큼 빠른 1Mbps의 전송 속도를 제공합니다. 최대 1,136개의 장치를 이 버스에 연결할 수 있습니다. I2C 버스에는 클럭 라인(Serial Clock, SCL이라고 함)과 데이터 라인(Serial Data, SDA)이 필요합니다. 각 버스에 필요한 클럭 신호는 클럭 라인을 통해 전송됩니다. I2C 버스는 버스의 모든 장치가 마스터가 될 수 있지만 한 번에 하나의 마스터만 있을 수 있다는 점에서 다중 마스터 버스입니다. 비트별 중재는 각 메시지 동안 하나의 마스터만 보장합니다. 마스터는 클럭을 제공하고 슬레이브와의 데이터 송수신을 제어합니다. 실제 데이터는 데이터 라인인 SDA를 통해 전송됩니다. I2C 버스는 포지티브 로직으로 작동합니다. 이 경우, 정보는 전압 레벨을 통해 전송됩니다. 예를 들어 5V의 전압은 HIGH 신호, 즉 논리 1에 해당하고, 전압이 없는(즉, 0V) 낮은 레벨에 해당하므로 논리 0에 해당합니다.

다음 그림은 I2C 버스에 있는 정보 패킷의 예를 보여줍니다.

I2C-bus, 출처 : www.i2c-bus.org

 

전체 그림을 분리하고 싶지는 않지만, 패킷의 시작은 항상 시작 신호와 함께 제공되고 패킷의 끝은 중지 신호와 함께 제공된다는 점은 중요합니다. 이러한 신호가 어떻게 보이는지는 ISO/OSI 모델의 Layer 2(Data Link Layer)에 정의되어 있습니다.

I2C 마스터에 의한 데이터 전송 시작, 시작 조건은 다음과 같습니다 :

마스터는 클록 라인(SCL)이 HIGH로 유지되는 동안 데이터 라인(SDA)을 HIGH에서 LOW로 끌어내립니다. 그 사이에 실제 데이터가 전송됩니다. 데이터 비트는 디지털 기술에서 일반적으로 1과 0 또는 단순 전압 또는 전압 없음의 2가지 상태 중 하나일 수 있습니다. 데이터는 클럭 라인(SCL)이 HIGH일 때 유효합니다. 데이터 라인(SDA)의 LOW 레벨은 0을 의미하고 HIGH는 1을 의미하며, 이는 앞서 설명한 양의 논리입니다. 정보 패킷은 중지 조건에 의해 종료됩니다. 마스터는 데이터 라인(SDA)을 LOW에서 HIGH로 끌어오는 반면, 클록 라인(SCL)은 HIGH로 설정된 상태를 유지합니다. 그러면 전송이 완료됩니다. I2C 마스터의 관점에서 읽기 및 쓰기 시퀀스는 구별될 수 있습니다. 읽기 시퀀스에서 I2C 마스터는 슬레이브에서 데이터를 읽습니다. 쓰기 시퀀스에서 I2C 마스터는 데이터를 슬레이브로 보냅니다. 예를 들어, 이는 재호흡기에서 CO2 센서에서 사용할 수 있는 데이터를 컨트롤러에서 읽고 해석해야 하기 때문에 중요합니다.

AP Diving Inspiration에서 I2C 버스는 다음 그래픽과 같이 구현됩니다.

Inspiration에 있는 I2C bus 도표. 출처: www.divebandits.de

 

컨트롤러 C1 및 C2(Inspiration 헤드에 내장된 칩)는 이 환경의 주요 제어 장치입니다. 이 경우 하나의 컨트롤러(보통 C1)만 마스터가 될 수 있고 다른 컨트롤러(C2)는 슬레이브로 남습니다. 두 컨트롤러는 서로를 모니터링합니다. 마스터 컨트롤러에 장애가 발생하면 슬레이브 컨트롤러가 자동으로 마스터가 됩니다. 고유한 AP 하드웨어 구현은 오작동하는 장치로부터 버스를 격리하여 나머지 장치가 간섭 없이 완전히 통신할 수 있도록 합니다. 또한 강력한 소프트웨어 필터링 및 프로토콜은 데이터 및 명령의 올바른 처리만 보장합니다.

DiveCAN® + ISCANTM

이 부분에서 나는 DiveCAN®과 ISCANTM을 요약합니다. 둘 다 매우 유사하고 CAN 버스라는 동일한 기원을 가지고 있기 때문입니다.

CAN은 Controller Area Network의 약자로 자동차 산업을 위해 개발되었습니다. 앞에서 이미 자동차 산업의 요구 사항에 대해 썼으므로 더 이상 다루지 않겠습니다. CAN 버스는 Bosch 및 Intel과 협력하여 개발되었습니다. 이제 다른 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 소화 시스템은 FIRECAN을 통해 구현됩니다. E-bike는 EnergyBUS를 사용하고 제트 전투기 및 민간 항공기는 CANAEROSPACE를 사용하며 모두 CAN 버스를 기반으로 합니다.

CAN-bus levels, 출처 : Lawrenz W., CAN Grundlagen und Praxis

 

CAN 버스에 사용되는 케이블은 직경 0.35mm2의 2심 트위스트 페어 케이블입니다. 버스의 끝은 120옴 종단 저항으로 종단되어야 합니다.

신호는 동시에 두 라인에 적용되지만 전력은 역전됩니다. CAN HIGH 및 CAN LOW의 2가지 신호 레벨이 있습니다. 이러한 신호가 표시되는 방식은 고속 CAN인지 저속 CAN인지에 따라 다릅니다. DiveCAN®은 ISO 11898-2에 따라 고속 CAN을 사용하므로 이 부분에 대해서만 설명하겠습니다. 열성 신호와 우성 신호가 있습니다. 열성에서 두 라인의 전압은 2.5V입니다. 이것은 논리적 1에 해당합니다.

도미넌트 신호의 경우 CAN HIGH의 레벨을 3.5V로 올리고 CAN LOW에서 1.5V로 낮춰야 합니다. 이것은 논리적 0을 나타냅니다. 따라서 두 라인의 전압이 같으면 1입니다. CAN HIGH와 CAN LOW 사이의 전압 차이가 2V이면 0입니다. 이것은 I2C 버스와 정반대입니다. 부논리라고 합니다.

CAN-bus frame, 출처 : www.wikipedia.de

 

실제 데이터 전송은 소위 프레임에서 발생합니다(위 그림 참조). 항상 논리 0인 시작 프레임이 있습니다. 그런 다음 데이터가 전송됩니다. 여기에서도 프레임 내에 더 세분화된 부분이 있습니다. 여기서 우리가 하고자 하는 것의 범위를 넘어서므로 논의하고 싶지 않습니다. 프레임 끝은 항상 7비트 열성 신호, 즉 7개의 연속 1로 표현된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

DiveCAN bus 도표, 출처: www.shearwater.com

 

Shearwater Research는 이러한 유형의 버스만 활용하고 위에서 언급한 DiveCAN®을 개발했으며, 이는 특히 폐쇄 회로 다이빙 장치의 요구 사항에 맞게 조정되었습니다. 또한 이미 언급했듯이 ISO 11898-2 표준을 기반으로 합니다. 그러나 제조업체(독점)에 맞게 특별히 조정되었습니다. 예를 들어, Shearwater는 9개의 장치만 연결할 수 있는 560옴 종단 저항을 사용합니다. 또한 rEvo의 DiveCAN® 컨트롤러는 JJ-CCR과 함께 작동하지 않지만 둘 다 DiveCAN®을 사용합니다. 그 이유는 매우 간단합니다. 모든 재호흡기는 버스에 연결된 특정 장치를 기대합니다.

DiveCAN은 데이터 패킷의 우선 순위를 지정할 수 있으며 실시간으로 데이터를 전송할 수 있습니다. DiveCAN®의 경고 메시지에는 메시지 ID “0x02“가 있는 반면 pO2에는 메시지 ID “0x04“가 있습니다. 주변 압력/수심에는 메시지 ID “0x08“이 있습니다. 메시지 ID가 낮을수록 메시지가 더 중요합니다. 이 경우 경고 메시지는 항상 pO2 전에 버스에 의해 전송되고 표시됩니다. 이 2개의 정보 후에만 현재 수심이 전송되고 표시됩니다.

그러나 DiveCAN® 시스템은 어떻게 구성되어 있습니까?

최소 구성은 하나의 버스, 즉 제어 버스입니다. 그러나 대부분의 재호흡기는 이중화 시스템을 중요시하기 때문에 두 번째 독립 버스인 모니터링 버스가 설치됩니다. 둘 다 같은 주택에 있지만 분리되어 있고 서로 완전히 독립적입니다.

DiveCAN® 제어 버스

SOLO보드와 콘트롤러. 출처: www.divebandits.de

 

제어 버스는 SOLO 보드(Solenoid & Oxygen)와 컨트롤러로 구성됩니다. SOLO 보드는 산소 센서와 솔레노이드에 연결됩니다. 버스는 옵션 포트인 보조 포트를 통해 확장할 수 있습니다. 추가 장치도 연결할 수 있습니다. 스크러버 모니터. Shearwater Petrel에 버스에 연결된 장치가 표시되면 다음과 같은 출력이 표시됩니다.

DiveCAN® 모니터링 버스

OBOE 보드와 콘트롤러. 출처 : www.divebandits.de

 

모니터링 버스는 제어 버스에 연결되지 않은 독립 실행형 버스입니다. OBOE(Οxygen Board Electronic)와 연결되어 있습니다. 이 보드는 산소 센서에만 액세스할 수 있으며 솔레노이드에는 액세스할 수 없습니다. 이름에서 알 수 있듯이 순전히 모니터링 기능이 있습니다. 컨트롤러나 NERD를 이 버스에 연결하면 어떤 장치가 연결되어 있는지 볼 수 있고 이 디스플레이가 표시됩니다.

두 버스 모두 고속 버스이므로 최대 3Mbit의 전송 속도를 달성할 수 있습니다. 따라서 모든 시스템 중요 기능에는 중복성이 있습니다. 예를 들어 SOLO 보드는 연결된 컨트롤러에 장애가 발생한 경우 솔레노이드를 제어할 수 있습니다. 버스에서 보낸 신호는 올바르게 수신되거나 즉시 폐기됩니다. 따라서 잘못된 값의 처리는 배제됩니다.

eCCR 재호흡기에서 이 기술은 필수 불가결합니다. 제 생각에는 이것은 안전에 있어 큰 진전입니다. 단순히 오류 소스를 최소화하고 스트레스가 많은 상황에서 다이버의 작업 부하를 크게 줄입니다. 이 기술은 또한 새로운 장치와 확장을 쉽게 연결하고 통합할 수 있는 미래의 길을 열어줍니다. 예를 들어 실린더 압력 센서, 온도 센서 또는 근거리 통신은 모두 버스 시스템에 연결될 수 있습니다.

여기에 설명된 모든 훌륭한 기술에도 불구하고 리브리더 다이버는 여전히 리브리더의 기능을 알고 이해해야 합니다! 비상 기술 훈련은 계속되어야 하며 다이버는 다이빙 전에 항상 사고 모자를 써야 합니다! 모든 하이테크 가치에도 불구하고 버스 시스템은 다이버의 명확한 사고와 지식의 필요성을 대체할 수 없습니다.

 

※ 출처 :
https://www.divebandits.de/en/training/iart/rebreather/69-rebreather-with-a-bus-part-1.html
https://www.divebandits.de/en/training/iart/rebreather/bus-systems/70-rebreather-with-a-bus-part-2.html

 

 

 

 

 

 

 

 

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