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오늘날 자동차 시스템은 전조등을 켜는 것에서부터 배기가스 규정을 충족하고 계기반과 상호작용하는 것에 이르기까지 모든 것을 제어하기 위해서 차량 1대당 100개 이상의 마이크로컨트롤러(MCU)와 마이크로프로세서(MPU)를 사용한다. 이 글에서는 센서가 어떻게 진화하고 있고, 센서 데이터를 활용해서 어떻게 운전의 안전성, 편의성, 연결성을 향상시키는 소프트웨어 제어 기능이 가능한지 설명한다.

글 | 아담 킴멜(Adam Kimmel), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)







자동차에 연결 기술이 적용되는 것은 이제 그리 놀라운 일도 아니다. 먼저, 차량용 센서는 예컨대 오일 압력, 냉각수 온도, 연료 수위 등을 측정해서 어떤 이상이 있을 때 대시보드 상에 경고등을 표시해서 운전자에게 알려준다. 다음으로, 통합 GPS 기능은 자동차 제조사들이 차량에 도입한 초창기 스마트 기능이다. 일본의 마쯔다(Mazda)는 1990년형 유노스 코스모(Eunos Cosmo)에 최초로 GPS를 통합한 모바일 통신 시스템을 도입했다. 최신 자동차들은 자동 주차와 차선이탈 경고 같은 자율 기능들을 지원한다.
오늘날 자동차 시스템은 전조등을 켜는 것에서부터 배기가스 규정을 충족하고 계기반과 상호작용하는 것에 이르기까지 모든 것을 제어하기 위해서 차량 1대당 100개 이상의 마이크로컨트롤러(MCU)와 마이크로프로세서(MPU)를 사용한다. 이 글에서는 센서가 어떻게 진화하고 있고, 센서 데이터를 활용해서 어떻게 운전의 안전성, 편의성, 연결성을 향상시키는 소프트웨어 제어 기능이 가능한지 설명한다.



차량과 IoT를 이어주는 MCU와 MPU

데이터는 사물인터넷(IoT)의 핏줄과도 같다. 컴퓨터가 기기의 성능을 향상시키도록 응답하고 알고리즘을 개발하려면 엔지니어는 다량의 데이터를 수집해야 한다. 차량의 외부와 내부의 센서들을 사용해서 이러한 데이터를 수집한다. 이 데이터를 활용해서 컨트롤러가 적절한 조치를 취함으로써 이전에 수동으로 수행하던 기능을 자동으로 제어할 수 있다. MPU나 MCU는 데이터를 수락하고 프로그램 알고리즘이 평가할 수 있는 형식으로 회귀한다. 그런 다음, 수집한 데이터를 기반으로 MCU는 적절한 조치로 응답할 수 있다. 가장 영향력 있는 자동차 데이터 범주는 크게 세 가지로서 배기가스, 성능, 탑승자 편의성이 그것이다.
자동차에서 외부 수신기로 데이터를 자동으로 전송하면 차량의 신호 전송과 응답 사이의 지연을 최소화할 수 있다. 이를 통해 자동차는 다른 사용자, 다른 차량들, 스마트 시티와 상호작용할 수 있다.



연결된 차량의 기술 영역 

자동차에서 배기가스 규정, 운전 경험 향상, 탑승자 편의성 및 안전성과 관련해서 센서의 사용이 빠르게 늘어나고 있다. 이들 각각의 영역에서 센서가 어떻게 활용되고 있으며 어떻게 소프트웨어 제어가 가능한지 살펴보자.


배기가스 규정(파워트레인)  
오일, 냉각수, 연료 수위를 측정하는 것뿐만 아니라, 규제 기관의 배기가스 규정을 충족하기 위해서 연소 성능을 모니터링하는 데에도 센서 기술이 사용된다. 엔진 성능을 제어하고 배기가스를 제한하기 위해서 MAP(manifold absolute pressure) 센서가 개발됐다. MAP 센서는 흡기다기관 압력을 측정한다. 이 데이터를 사용해서 엔진의 제어 유닛이 공기 밀도와 질량 유량을 계산한다.
이들 파라미터를 활용해서 연료 분사를 자동으로 제어함으로써 연소를 극대화할 수 있다. 이론공연비 연소(stoichiometric combustion)에 되도록 가깝게 동작함으로써 연소 반응을 극대화하고 유해한 배기가스를 발생시키는 원치 않는 연소 반응 물질을 제한할 수 있다. 반응률이 높고 원치 않는 연소 반응 물질이 적을수록 엔진은 더 효율적으로 동작한다. 더 효율적인 연소로 코킹 현상과 탄화수소 가스와 산화질소(NOx) 같은 불연소 물질의 배출을 줄일 수 있다.

자동차 배기가스 규정은 1960년대에 처음 제정된 이후, 갈수록 엄격해지고 있다. 이에 따라 자동차 제조사들은 자동차 센서의 측정 감도와 성능을 높여야 하게 됐다. 이러한 요구를 충족하도록 개발된 것이 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 센서이다. MEMS 센서는 출시되자마자 엔진 제어에서부터 압력 측정에 이르기까지 자동차 전반에 걸쳐 빠르게 적용되기 시작했다. MEMS는 두 가지 점에서 엔진 제어용으로 적합하다. 전자적 지능과 기계적 측정 파라미터를 결합하고 있으며, 센서의 풋프린트가 작다는 것이다. 이 두 가지 점을 겸비함으로써 데이터 포착과 소프트웨어 제어에 사용하도록 경제적인 고성능 솔루션을 제공한다. 오늘날 최신 자동차에서 엔진 성능을 향상시키고, 배기가스를 줄이고, 안전성을 높이고, 편의성을 높이기 위한 용도로 MEMS 센서의 사용이 계속해서 늘어나고 있다.


운전 경험 향상(섀시)  
운전 경험을 향상시키기 위해서 섀시에서도 센서 사용이 늘어나고 있다. 이런 애플리케이션으로서 ABS(automatic braking systems), 노면 소음 제거, 트랙션 제어, 자동 주차 등을 들 수 있다. 또한 안정성 제어를 위해서 센서를 사용해서 진동 데이터를 측정하고, 펑크를 방지하기 위해서 타이어 압력을 측정할 수 있다.
이런 기능들은 안전과도 무관하지 않으며 운전 경험을 향상시킨다. 예를 들어서 이러한 데이터를 활용해서 엔지니어들은 보다 안정적인 프레임을 설계하고, 타이어 간격과 위치를 최적화하며, ABS의 성능을 개선해서 제동 시간을 단축할 수 있다. 센서 데이터에 따라서 자동차가 조치를 취해서 운전자가 안전하게 운전하도록 보조할 수 있다.


탑승자 편의성과 안전성(차 내부와 외부) 
센서의 사용이 늘어나고 있는 또 다른 영역이 탑승자 편의성이다. 스마트폰과 연결 기술이 보편화되면서 운전자들은 자동차에서도 이러한 기기들을 사용할 수 있기를 원하게 됐다. 또한 자동차에서 무엇보다 중요한 요구 사항인 안전성을 높이기 위해서 MEMS 센서를 사용해서 전방 에어백과 측면 에어백의 전개 패턴과 타이밍을 최적화할 수 있다. 그리고 센서를 사용해서 주변 조명 조건에 따라서 전조등을 제어할 수도 있다.
편의성과 관련해서는, 센서 데이터를 활용해서 운전자가 선호하는 좌석 온도나 위치 같은 설정을 기억할 수 있다. 센서는 내비게이션을 보조하는 데도 사용된다. 운전자의 선호도를 기억함으로써 사용자 인터페이스 상에서 소프트웨어 제어가 가능하다. 



소프트웨어 제어 

자동차에서 MEMS 센서와 그 밖에 다른 기술을 활용해서 자동차 소프트웨어 엔지니어가 운전 경험을 최적화하고 향상시킬 수 있다. 센서 데이터를 활용함으로써 운전자가 개입할 필요 없이 마이크로프로세싱 유닛(MPU)이 조건을 수신, 분석, 예측 및 조치를 취할 수 있다. 기존의 내연 기관(ICE)으로는 소프트웨어 제어를 적용하기가 제한적이었다. 하지만 전동화가 가속화함에 따라서 자동차에서 소프트웨어 제어가 좀더 용이하게 됐다.
MPU와 MCU는 자동차 전반에 걸쳐서 자동차의 두뇌 역할을 하고 성능, 안전성, 편의성에 관련된 기능들을 제어한다. 그럼으로써 자율주행으로 가기 위한 토대를 놓고 있다. 전기차는 소프트웨어 제어를 적용하기에 용이하며, 그럼으로써 자동차 제조사들이 생산 라인을 단순화하면서 소비자들을 위해서 유연성을 높일 수 있다. 이러한 프로세싱 플랫폼을 활용해서 소프트웨어 제어로 나아갈 수 있다. 이제 각 영역별로 소프트웨어 제어가 어떻게 가능한지 살펴보자.


파워트레인 
많은 ICE 차량과 전기차(EV) 파워트레인 애플리케이션을 위해, 시스템 설계자들이 16비트 디지털 신호 컨트롤러(DSC)와 MCU를 채택하고 있다. 이들 솔루션은 차량의 가혹한 동작 조건에서 빠르게 응답하고 높은 신뢰성을 제공한다. 또한 소프트웨어 제어형 모터 제어, 배기가스 순환(EGR) 밸브 작동, 워터 펌프 및 오일 펌프 제어 같은 것들이 소프트웨어 제어를 적용하기에 적합하다. 16비트 레벨의 장비는 또한 차량의 소프트웨어에 의해 제어되는 전원 관리, 배터리 충전, 외부 조명 제어도 가능하게 해준다.
소프트웨어 애플리케이션에 적합하게 설계된 부품은 디지털 신호 프로세싱을 제공함으로써 DSC 쓰루풋을 높일 수 있다. 높은 성능대의 DSC와 MCU는 양방향 아날로그/디지털 컨버터를 사용해서 펄스 폭 변조를 하고 양방향으로 속도와 성능을 극대화한다.


섀시  
첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이나 ABS 같은 애플리케이션은 프로세스를 실행하기 위해서 높은 용량의 메모리를 필요로 한다. 32비트 솔루션은 16비트보다 훨씬 더 높은 용량의 메모리를 액세스하고 더 높은 전압으로 동작할 수 있으므로 적용 범위를 확대할 수 있다. 운전 경험을 향상시키기 위한 용도로 자동차 섀시에 사용하기 위해서는 성능은 더 높으면서 크기는 충분히 컴팩트한 32비트 컨트롤러가 적합하다.


차량 내부와 외부     
혁신적이며 복잡한 소프트웨어 제어 기능에는 32비트 MPU가 적합하다. 인포테인먼트와 운전자-자동차 인터페이스를 들 수 있다. 프로세싱 성능이 거의 컴퓨터 한 대와 맞먹는 32비트 MPU가 다량의 데이터를 분석하고, 이 데이터에 따라서 애플리케이션을 실행하고, 첨단 보안 기능을 사용해서 사이버 위협을 방어한다.
32비트 MPU의 보안 기능은 데이터 무결성을 높이는 데도 사용된다. 선도적인 MPU 제품들은 오디오 및 비디오 기능까지 포함함으로써 사용자 경험을 풍부하게 할 수 있다. 32비트 MPU를 사용해서 시스템의 데이터 프로세싱 정확도를 높이고 소프트웨어 응답을 향상시킬 수 있다.

자동차의 연결성이 높아지면서 데이터 발생량도 급속히 증가하고 있다. 프로세서는 데이터를 수집하고, 처리하며, 어떤 조치를 취할지 결정한다. 이 데이터를 활용하면 자동차의 탄소 배출을 줄이고 안전을 높이고 운전 경험을 향상시키는 소프트웨어 제어 기능이 가능하다.
MCU와 MPU는 자동차에 이미 많이 사용되고 있다. EV가 가속화함에 따라서 16비트 및 32비트 MCU와 32비트 MPU를 사용해서 자동차에서 소프트웨어 제어가 보다 수월해졌다. MCU와 MPU를 사용하면 다량의 센서 데이터를 수집하고 처리할 수 있다. 기존에 구축되어 있는 이 같은 프로세싱 인프라를 토대로 해서 소프트웨어 제어가 가능하다. 이는 자율주행차를 향한 행보를 한 발 더 내딛도록 할 것이다.