자동차 임베디드 시스템 SW의 구조

먼저 임베디드 시스템이란

 

임베디드 시스템은 Applicatoin, Middleware, OS, Hardware로 나눌 수 있다.

이때 임베디드 시스템의 HW에는 MCU, AP, transceiver, analog device, passive component, 버튼, 스피커 등이라 할 수 있다.

 

Application
	Middleware
		OS
Middleware
Hardware(MCU,AP, device 등)

 

다음으로 임베디드 시스템의 SW는 시스템SW와 어플리케이션 SW로 나눌 수 있다. 

• System SW
  • 임베디드 시스템 자체 동작을 관리하는 SW(어플리케이션과 무관)
  • ex: device driver, OS, compiler, command interpreter
• Application SW
  • 사용자가 원하는 일을 수행하는 SW이다. 
  • 흔한 예시로 워드, 엑셀, 매트랩, 게임 등이라고 생각할 수 있다.

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임베디드 SW

범용 SW는 표준 플랫폼이 있다.
예를 들어 CPU, OS, 언어, I/O 등등

하지만 임베디드 SW는 다양한 시스템별로 플랫폼이 정해져있지 않다.
도어락, 냉장고, 비행기 등 각 시스템에 맞는 임베디드 SW개발이 필요하다. 

때문에 목적에 맞는 성능의 CPU, OS는 없을수도 있고, 언어는 어셈블리를 쓸 수도 있다. 입출력장치, 리소스 등 전부 다르다. 
-> 하드웨어와 SW에 대한 깊은 지식이 필요하다. 

OS

임베디드 시스템에서 OS없이 구현할 수 있다.

ECU제어로직 Application program의 경우 Device Driver를 이용해 HW를 제어한다. 

OS를 사용하지 않는 임베디드 시스템에서 HW를 제어하는 시스템SW를 Firmware 펌웨어라고 한다.

OS를 사용하여 제어하면 Application program에 System call 로 더 편리한 기능을 제공한다. 

• OS의 역할
  • =System call의 집합체 
  • 자원  효율적 관리
  • 하드웨어 이상의 확대된 기능을 제공

그렇다면 임베디드 OS는 일반 OS와 어떤 점이 다를까.

Embedded OS	General Purpose Computer OS
저비용 작은크기 적은 application 기능 단일 임무 수행	고 비용 큰 크기 많은 application 기능 여러 임무 수행
제한적 도구와 언어, 짧은 실행 시간	다양한 도구와 언어, 긴 실행 시간
AUTOSAR OS, QNX, VW.OS, AAOS, ccOS, FreeRTOS	Windows, MacOS

 

Middleware

미들웨어는 OS와 Application의 중간에 있다. 

• 추가적인 기능을 제공하는 SW
• 어플리케이션, 데이터, user를 연결하는 요소
• 클라이언트와 서버 사이 정보 교환하는 역할 
• 서로 다른 ECU간 데이터 교환을 가능하게 함
• 각 프로그램 구현 방법이나 위치를 몰라도 데이터 교환을 가능하게 한다. 

네트워크를 통해 정보 교환하는데 미들웨어는 각프로그램이 네트워크의 상세 내용을 몰라도 주고받게 한다.

 

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임베디드 HW

대표적인 자동차 임베디드 시스템의 하드웨어로 센서와 액추에이터가 있다. 

센서 (Sensor)

센서는 외부의 물리적 또는 화학적 자극을 전기적 신호(전압이나 전류)로 변환하는 장치다.

• 기본 작동 원리: 외부의 물리적/화학적 입력이 들어오면 이를 전압(Voltage)이나 전류(Current) 값으로 내보낸다.
  
   
• 스마트 센서: 최근에는 단순히 전기 신호만 주는 게 아니라, 내부에서 데이터를 처리해 디지털 값(예: 0100 0011...)으로 바꾸고, CAN이나 Ethernet 통신을 통해 정보를 전달하기도 한다.

주요 센서 예시

• 산소 센서(Oxygen Sensor): 배기가스의 산소 농도를 측정해 농도에 비례하는 0~1.1V 사이의 전압을 출력다.
• 온도 센서(Coolant Temperature Sensor): 냉각수의 온도에 비례하는 값을 나타다.
• 거리 및 인지 센서:
  • 카메라: 전체 면에 대한 시각 정보를 제공하며 데이터양이 크다.
  • 라이다(Lidar): 한 면에서 몇 개의 라인에 대한 정밀한 거리 정보를 제공한다.
  • 레이더(Radar) & 초음파 센서: 특정 포인트에 대한 거리 정보를 제공한다.

신호 조절기 (Signal Conditioner)

Signal Conditioner란 신호의 레벨을 조정하는 회로를 말한다. 센서의 출력이 항상 완벽하진 않기에 신호 조절기가 필요하다.

• 역할: 센서의 실제 출력(Actual Response)은 이상적인 값(Ideal Response)과 차이가 있을 수 있는데, 이를 선형화하거나 노이즈를 제거(필터링)하여 정확도를 높인다. 비선형적 출력을 선형적 형태로 만든다.
• 해상도 향상: 예를 들어 산소 센서의 0~1.1V 신호를 0~4.4V로 증폭시켜 더 정밀하게 읽을 수 있게 돕는다.

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액추에이터 (Actuator)

액추에이터는 제어기에서 받은 전기 신호를 물리적인 움직임(Motion)이나 작동(Operation)으로 바꾸는 장치다. 라틴어 'Actus(수행)'에서 유래된 이름이다.

 

주요 액추에이터 예시

• 모터(Motor): 입력 전압에 비례해서 회전하며 물리적 동력을 만든다.
• 연료 인젝터(Fuel Injector): 엔진에 연료를 정밀하게 분사한다.
• 점화 플러그(Spark Plug): 연료를 폭발시키기 위해 전기 불꽃을 튀긴다.
• 릴레이(Relay) & 밸브(Valve): 스위치를 붙였다 떼거나, 통로를 여닫는 역할을 한다.
• 기타 장치: 밤길을 비추는 헤드라이트, 핸들 조작을 돕는 전자식 파워 스티어링(EPS), 정보를 보여주는 디스플레이, 소리를 내는 스피커 등이 모두 액추에이터의 범주에 포함된다.

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ECU 차량용 전자제어장치

ECU의 역할

• 센서를 통해 차량의 정보를 받아들임
• 제어 로직에 의해 정해진 계산
• 결과를 액추에이터에 보내 차량 동작 

예시

• Engine ECU
  • 페달, 온도, 산소 등 센서 데이터, 타 ECU에서 데이터 수집(CAN(FD) 혹은 이더넷 통신)
  • ECU연산
  • 인젝터, 점화장치 등 제어
  • 제어 결과 전송
• SVM(Surround View Monitor) ECU
  • 여러 카메라 데이터 송신 -> ECU연산 -> 디스플레이 
• ADAS ECU
  • 카메라, 레이다, 라이다, 초음파, 네비게이션 등 -> ECU -> 모터, Chime, LED 등 

ECU 구조

• Signal Conditioner: 센서의 신호 처리 모듈
• MCU(AP): 제어로직 수행 
• Regulator: 15V를 5V로 변환(ECU 동작을 위한)
• Conn.: 커넥터
• Transceiver: 예를들어CAN프레임으로 적절한 전압 형태로 변환해 보내거나 받거나
• Analog device: 모터 구동을 위해 필요한 에너지 전류 공급 
• Passive Comp.: 저항, 인덕터, 커패시터