Design and Implementation of Ethernet Interface Based on F28335 and W5500

Abstract

Vehicle Control Unit (VCU) is the core controller of the whole vehicle control, which usually manages each system of the vehicle through the automobile bus. In this paper designs an embedded system developed specifically for VCU Ethernet communication. The system uses TI’s TMS320F28335 microcontroller as the processing unit. For the characteristics of the processing chip itself, the network chip is used to adopt the W5500 Ethernet chip with integrated TCP/IP protocol. In order to realize the data sending and receiving function, the Ethernet communication function of the whole vehicle VCU is realized through the virtual SPI bus connection method of the I/O interface of F28335.

차량 제어 장치(VCU)는 차량 전체 제어의 핵심 컨트롤러로, 일반적으로 자동차 버스를 통해 차량의 각 시스템을 관리합니다. 본 논문에서는 VCU의 이더넷 통신을 위해 특별히 개발된 임베디드 시스템을 설계합니다. 

이 시스템은 TI의 TMS320F28335 마이크로컨트롤러를 처리 장치로 사용합니다. 처리 칩 자체의 특성상, 네트워크 칩으로는 TCP/IP 프로토콜이 통합된 W5500 이더넷 칩을 채택했습니다. 

데이터 송수신 기능을 구현하기 위해, F28335의 I/O 인터페이스의 가상 SPI 버스 연결 방식을 통해 차량 전체 VCU의 이더넷 통신 기능을 구현했습니다.

1장 서론

1-1. 자동차 산업의 변화와 VCU의 역할
순수 전기 자동차는 제로 에미션(Zero-emission) 특성으로 인해 전통적인 내연기관 차량을 점차 대체하고 있습니다.
차량 제어기(VCU)는 자동차의 '두뇌'와 같은 역할을 하며, 각 하위 시스템의 중요한 기능과 작업을 조정하고 관리하는 스케줄링 및 제어 센터 역할을 합니다.
VCU 기술은 차량 기업의 독립적인 지적 재산권과 제품 수준의 핵심 기술을 반영하는 핵심 요소가 되었습니다.

1-2. 기존 통신 방식의 한계
현재 VCU 시스템의 필드버스(Fieldbus)는 통신 표준이 통일되지 않았고, 일부 컨트롤러 및 센서와의 호환성에 어려움이 있습니다.
기존 CAN 통신은 대역폭이 1 Mbit/s에 불과하여, 연산 능력이 향상된 도메인 컨트롤러 간의 방대한 데이터 상호 작용 수요를 충족하기에 부족합니다.
따라서 대역폭, 신뢰성 및 예측 가능성 측면에서 더 높은 요구 사항이 제기되고 있습니다.

1-3. 이더넷 기술 도입의 배경 및 문제점
차량에 확장 가능한 컨트롤러와 센서가 계속 추가됨에 따라, 이더넷 기술 도입이 문제 해결의 핵심 방법이 되었습니다.
일반적으로 임베디드 시스템에서 이더넷을 구현하려면 LwIP와 같은 소프트웨어 프로토콜 스택을 사용해야 합니다.
그러나 VCU의 메인 칩은 이더넷 외에도 많은 기능을 수행해야 하므로, MCU의 메모리가 부족하여 소프트웨어 프로토콜 스택을 직접 구현하기에 저장 공간이 충분하지 않은 문제가 발생합니다.

1-4. 본 논문의 해결책
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 차량용 제어기 특성에 맞춰 TMS320F28335와 W5500(하드웨어 TCP/IP 스택 통합 칩)을 결합한 이더넷 시스템을 설계하였습니다.

 

2장. 아키텍쳐 

2-1. 핵심 하드웨어 구성
주 프로세서: 고정밀, 저전력, 빠른 타이밍 특성을 가진 32비트 DSP 프로세서인 TMS320F28335를 채택하여 시스템 운영을 담당합니다.
이더넷 제어 칩: W5500 칩을 사용하여 네트워크 전송의 하위 계층 기능을 제공합니다.
인터페이스 구축: DSP의 이더넷 인터페이스를 구축하여 네트워크 통신을 실현합니다.

2-2. 데이터 흐름 및 통신 구조 (Figure 1 참조)
데이터 수집: VCU는 섀시 정보 수집 시스템(차체 센서, 스위치 센서 등)으로부터 CAN 버스 또는 이더넷을 통해 데이터를 수집하고 이를 조정 및 제어합니다.
상위 컴퓨터와의 상호작용: 처리된 정보는 메인 제어 컴퓨터의 상위 소프트웨어로 전송됩니다.
원격 제어: 메인 제어 컴퓨터의 원격 제어 터미널은 이더넷을 통해 차량 제어기(VCU)로 신호를 보냅니다.
시스템 실행: VCU는 수신된 신호를 바탕으로 섀시의 각 시스템(안티록 브레이크 시스템, 서스펜션 제어기 등)이 작동하도록 조율합니다.

이 아키텍처는 고성능 DSP와 하드웨어 TCP/IP 스택을 갖춘 W5500을 결합하여, 기존 CAN 통신의 대역폭 한계를 극복하고 차량 내외부의 효율적인 데이터 교환을 가능하게 합니다

3장. 하드웨어 디자인

A. W5500 기능 구조

W5500은 WIZnet에서 출시한 고성능 이더넷 인터페이스 칩 시리즈 중 하나입니다. 이 칩은 내부적으로 전체 하드웨어 TCP/IP 스택, 10/100M 이더넷 데이터 링크 계층(MAC) 및 물리 계층(PHY)을 통합하고 있으며, TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP, PPPoE 등의 프로토콜을 지원합니다. 또한 외부 마이크로컨트롤러(MCU)와 쉽게 통합할 수 있도록 SPI(Serial Peripheral Interface)를 제공합니다. W5500은 80MHz의 속도를 지원하는 고효율 SPI 프로토콜을 채택하여 고속 네트워크 통신을 더 효과적으로 실현할 수 있게 해줍니다.

B. McBSP 논리 연결 방식

산업 자동화 시스템은 일반적으로 제어 시스템 및 수집 시스템과 같은 여러 하위 시스템으로 구성됩니다. 이러한 하위 시스템은 종종 독립적인 네트워크 연결을 요구하므로, 전체 차량 제어기에는 여러 개의 이더넷 인터페이스가 장착되는 경우가 많습니다. 여러 인터페이스를 보유하면 다중 무선 링크를 구축할 수 있어, 무선 연결의 신뢰성과 네트워크 중복성(Redundancy)을 향상시킵니다. 또한, 이러한 인터페이스들은 산업 장비 통신 시 데이터 전송을 위해 서로 다른 통신 프로토콜 사용을 지원할 수 있어 시스템의 유연성과 적용성을 높여줍니다.

4장. 소프트웨어 디자인

A. 네트워크 통신 소프트웨어 설계
산업 제어 분야에서는 장치의 안정성과 신뢰성이 매우 중요합니다. VCU의 MCU 역할을 하는 DSP28335에는 내부 SPI 인터페이스와 SPI로 구성 가능한 두 개의 McBSP 모듈이 있습니다. 이는 다중 채널 이더넷 인터페이스의 중복성(Redundancy) 요구사항을 충족합니다. 즉, 하나의 네트워크 인터페이스에 장애가 발생하면 자동으로 다른 네트워크 인터페이스로 전환하여 네트워크의 지속적이고 안정적인 운영을 보장하며, 모든 인터페이스가 연결에 실패할 경우 성공할 때까지 위 과정을 반복합니다.

B. McBSP의 SPI 마스터 장치 소프트웨어 초기화
McBSP를 SPI 마스터 장치로 구성하려면 다음과 같은 설정이 필요합니다:
각 제어 레지스터의 해당 비트를 0으로 설정하여 프레임 동기 로직, 샘플 레이트 발생기, 수신기 및 송신기를 리셋 상태로 둡니다.
직렬 포트 제어 레지스터(SPCR1, SPCR2), 수신 제어 레지스터(RCR1, RCR2), 송신 제어 레지스터(XCR1, XCR2), 샘플 레이트 발생 레지스터(SRGR1, SRGR2)를 포함한 각 제어 레지스터를 구성합니다.
이러한 레지스터들은 SPI 요구사항에 맞춰 구성되어야 합니다.
샘플 레이트 발생 레지스터 구성 시, 입력 클록 소스를 내부 입력 클록인 LSPCLK로 설정하고 클록 신호(CLKG)와 프레임 동기 신호(FSG)의 주기를 계산합니다.
다채널 컨트롤러 레지스터(MCR1, MCR2) 및 포트 제어 레지스터(PCR)와 같은 기타 관련 제어 레지스터를 구성합니다.
데이터 전송 중 인터럽트 요청을 생성할 수 있도록 인터럽트 활성화 비트를 구성하고, 인터럽트 처리 함수에서 데이터 처리 및 프로그램 판단을 수행합니다.

C. 시리얼 포트-이더넷 변환 프로그램
시리얼 포트와 네트워크 포트 간의 변환은 DSP와 컴퓨터에 연결된 이더넷 변환 모듈에 의해 완전히 수행되며, 시리얼 데이터의 송수신은 DSP가 완료합니다.
DSP는 인터럽트 방식을 채택하며, 터미널에서 보낸 명령이 이더넷 변환 모듈의 버퍼로 전송된 후 변환되어 송신됩니다.
DSP가 데이터를 수신하면 인터럽트 요청이 생성되고, 인터럽트 함수 내에서 수신된 명령을 처리하여 실행할 프로그램을 결정합니다.
반대로 DSP가 데이터를 보낼 때는 보낼 데이터 프레임을 먼저 버퍼로 전송하며, DSP는 시리얼 방식으로 이더넷 변환 모듈에 데이터를 보냅니다.
이후 모듈은 데이터를 데이터그램으로 캡슐화하여 호스트 컴퓨터로 전송하고 해당 데이터베이스에 저장합니다.

D. 이더넷 통신 프로그래밍 설계
통신 작동 원리에 따라 프로그램은 다음과 같은 핵심 단계로 칩을 초기화하고 구성해야 합니다:
DSP를 초기화하여 SPI의 초기 구성을 완료합니다.
게이트웨이 IP 주소, 서브넷 마스크, 물리 주소(MAC), 로컬 IP 주소, 포트 번호 및 통신 모드를 포함한 네트워크 통신 관련 파라미터를 초기화합니다.
이더넷 칩의 하드웨어 리셋을 수행하고 W5500의 PHYCFGR 레지스터에 있는 LINK 플래그 비트를 지속적으로 감지합니다.
LINK 비트가 1로 변하면 이더넷 연결이 완료되었음을 의미합니다.
W5500의 구성을 초기화하고 네트워크 포트에 필요한 송신 버퍼 영역 및 버퍼 크기를 설정합니다.
게이트웨이 서버를 확인하여 연결 요청을 통해 게이트웨이 도달 가능 여부를 판단합니다. 도달 가능하면 연결하고 소켓 포트를 초기화하며, 타임아웃 발생 시 연결될 때까지 다른 이더넷 모듈을 선택합니다.
소켓 상태(Socket State) 바이트에 따라 현재 포트의 작업 모드를 확인하고, TCP 서버, TCP 클라이언트 또는 UDP 모드로 설정합니다.
W5500 칩 인터럽트 처리 함수를 설정하고 이를 메인 루프의 시작점으로 사용하여 데이터 수신을 시작합니다.
데이터 수신 성공 시 데이터를 처리하고 처리된 결과에 따라 서로 다른 터미널로 명령을 보냅니다. 데이터를 받지 못한 경우 정기적으로 각 터미널에 연결 성공 프롬프트를 보냅니다.

5장. 테스트 & 검증

NetAssist 소프트웨어를 통해 이더넷 통신 전송 실험을 수행합니다. 네트워크 케이블의 한쪽 끝은 W5500 모듈의 네트워크 포트에 연결하고, 다른 쪽 끝은 컴퓨터에 연결합니다. 네트워크 파라미터 설정 시 다음의 주의 사항을 준수해야 합니다.
W5500의 게이트웨이 IP 주소와 PC 주소는 반드시 동일한 서브넷에 있어야 합니다.
W5500의 물리 주소(MAC)는 고유해야 하며, 다른 장치와 중복되어서는 안 됩니다.
W5500의 포트 번호와 IP 주소는 상위 컴퓨터(PC)와 동일하게 설정할 수 없습니다.

5-1. TCP 클라이언트(TCP Client) 테스트
파라미터 설정을 완료한 후 TCP 클라이언트 기능 테스트를 수행합니다. 코드에서 모드를 TCP_CLIENT로 변경하고, NetAssist 소프트웨어에서 목적지 IP 주소와 목적지 포트 번호를 설정합니다. PC를 TCP 서버로 설정하여 데이터 송수신 통신 테스트를 진행합니다. 실험 결과는 그림 5와 같습니다.

5-2. TCP 서버(TCP Server) 테스트
TCP 서버 기능 테스트를 수행하기 위해 코드에서 모드를 TCP_Server로 변경합니다. NetAssist 소프트웨어에서 로컬 IP 주소와 로컬 포트 번호를 설정하고, PC 측을 TCP 클라이언트로 설정하여 데이터 송수신 통신 테스트를 수행합니다. 실험 결과는 그림 6에 나타나 있습니다.

6. 결론

자동차의 전동화와 지능화를 지원하기 위해, 전기 자동차의 핵심 부품인 **VCU(차량 제어기)**는 높은 계산 성능, 높은 통신 대역폭, 그리고 높은 기능 안전성을 갖추어야 합니다.

본 논문에서는 다음과 같은 성과를 도출하였습니다.
시스템 설계: 저전력 고성능인 F28335 칩과 하드웨어 TCP/IP 프로토콜 스택이 통합된 W5500 칩을 채택하여 VCU 탑재에 적합한 임베디드 이더넷 시스템을 설계했습니다.
다중 네트워크 포트 구현: McBSP를 기반으로 한 다중 네트워크 포트 설계는 서로 다른 시스템 간의 네트워크 상호 연결을 실현할 수 있게 합니다.

기술적 이점: 이더넷 통신 기술의 장점을 충분히 활용하여 기존 전송 방식의 단점을 보완하였으며, 이는 현재 VCU 지역 네트워크(Regional Networking) 발전 방향에 부합합니다.

 

 

Design_and_Implementation_of_Ethernet_Interface_Based_on_F28335_and_W5500.pdf

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