[기고] 데이터 링크 관리에 IO-Link 트랜시버를 활용하면 어떤 이점 있을까

2026-02-23 브라이언 콘델(Brian Condell) 디지털 마케팅 엔지니어 외 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

글: 브라이언 콘델(Brian Condell) 디지털 마케팅 엔지니어

마이클 잭슨(Michael Jackson) 솔루션 마케팅 담당 수석 엔지니어,

콘라드 쇼이어(Konrad Scheuer) 선임 수석 엔지니어

/ 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

IO-Link® 디바이스용 마이크로컨트롤러(MCU)는 IO-Link 표준에 명시된 타이밍 요건을 준수하는 과정에서 발생하는 과제들을 어떻게 극복할 수 있을까?

IO-Link 디바이스용 마이크로컨트롤러는 여러 작업들을 동시에 수행해야 하는 경우가 많으며, 이로 인해 IO-Link 표준에서 허용하는 정해진 시간 범위에서 요청에 응답하기가 어려울 수 있다. 특히 마이크로컨트롤러가 인터럽트 되면 안 되는 작업을 수행 중인 경우, 이러한 문제는 더욱 두드러진다. 이러한 타이밍 문제를 해결하기 위한 일반적인 방법은 IO-Link 스택을 전담할 마이크로컨트롤러를 추가로 사용하는 것이다. 이 방식은 IO-Link 디바이스와 IO-Link 마스터 간의 응답 시간 간격을 보다 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 이 방법은 전력 소모가 증가하고, 더 큰 PCB 면적과 그에 따른 대형 센서 하우징이 필요하다는 점에서 매우 비효율적이다. 더 나은 대안은 통신 경로에서 데이터 링크 계층과 물리 계층을 모두 관리할 수 있는 트랜시버를 사용하는 것이다. 이러한 트랜시버를 통해 해당 작업 부하를 디바이스 마이크로컨트롤러로부터 덜어내면, 더 작고 복잡하며 더 많은 기능을 제공하면서 비용 효율성도 높은 산업용 필드 계측기 설계가 가능하다.

머리말

라틴 작가 푸블릴리우스 시루스(Publilius Syrus)의 “두 가지 일을 동시에 한다는 것은 아무것도 제대로 해내지 못한다는 것과 같다”는 말은 다소 극단적으로 들릴 수 있다. 하지만 실제로 멀티태스킹은 작업을 의도한 방식이나 정해진 시간 안에 수행하지 못하게 만드는 상황을 초래하곤 한다. 산업 공정이 점점 더 복잡해지면서, 센서와 액추에이터 같은 필드 계측 장치는 프로세스 컨트롤러와의 지속적인 통신 등 여러 작업들을 동시에 수행하도록 진화해 왔다. 이로 인해 장치에 탑재된 마이크로컨트롤러에는 추가적인 오버헤드가 발생하며, 이를 주의 깊게 관리하지 않으면 프로세스 데이터가 유실될 수 있고, 그 결과 생산 중단(downtime)으로 이어질 수도 있다. 첨단 산업용 통신 프로토콜들은 바로 이러한 문제점들을 줄여 나가는 방향으로 설계되고 있다.

IO-Link 타이밍

IO-Link는 24V 기반의 3선식(point?to?point) 산업용 통신 표준으로, 산업용 디바이스와 IO-Link 마스터 간의 포인트-투-포인트 통신을 가능하게 하며, IO-Link 마스터는 다시 상위 프로세스 제어 네트워크와 통신하는 역할을 수행한다.

그림 1. IO-Link 마스터/디바이스 통신 인터페이스

IO-Link 애플리케이션에서 트랜시버는 물리 계층 인터페이스로 동작하며, 24V IO-Link 신호선과 데이터 링크 계층 프로토콜(스택)을 실행하는 마이크로컨트롤러를 연결하는 역할을 한다. IO-Link 통신은 프로세스 데이터(process data), 값 상태(value status), 디바이스 데이터(device data), 이벤트(event) 등 다양한 유형의 정보를 전송한다. 이러한 정보는 산업용 장치를 신속하게 식별하고 추적하며, 오류 발생 시 즉각적인 대처를 통해 다운타임을 줄일 수 있게 하는 데 기여한다. 또한 IO-Link는 원격 구성을 지원한다. 예를 들어 프로세스 알람이 트리거되는 임계값을 조정해야 할 경우, 기술자를 현장에 파견할 필요 없이 업데이트된 임계값을 IO-Link 연결을 통해 디바이스로 전송해 설정을 변경할 수 있다.

IO-Link 마스터 포트와 디바이스 간의 통신에는 여러 가지 타이밍 제약이 존재하며, 통신은 M-시퀀스 시간(M-sequence time)이라 불리는 정해진 스케줄에 따라 진행된다. M-시퀀스 메시지는 IO-Link 마스터가 디바이스로 전송하는 명령 또는 요청과, 이에 대한 디바이스의 응답 메시지로 구성된다.

그림 2는 IO-Link 마스터 포트와 디바이스 간 메시지로 구성된 M-시퀀스에서의 타이밍 매개변수를 나타낸 것이다. 디바이스는 디바이스 응답 시간 tA 내에 마스터에 응답해야 하며, tA의 범위는 1 Tbit ~ 10Tbit이다(Tbit = 비트 시간). COM3 보드 레이트 기준으로 tA는 4.3μs ~ 43μs 사이여야 하며, 이 범위를 벗어나면 마스터는 통신 오류로 인식하게 된다.

그림 2. IO-Link 통신에서의 M-시퀀스 타이밍

타이밍 문제 발생 시 대처 방안

IO-Link 디바이스용 마이크로컨트롤러는 여러 작업들을 동시에 수행해야 하는 경우가 많고, 이로 인해 tA로 정의된 허용 시간 내에 요청에 응답하기가 어려울 수 있다. 특히 중단이 불가능한 작업을 수행 중인 경우 이러한 문제가 두드러진다(흔히 이러한 유형의 작업을 NMI(nonmaskable interrupt)라 부른다). 디바이스 MCU가 지정된 응답 시간 내에 마스터의 요청에 응답하지 못하면 통신은 즉시 중단되며, 이후 IO-Link 연결은 다시 초기화 과정을 거쳐야 한다.

예를 들어 초음파 거리 센서의 경우, 마이크로컨트롤러는 다음과 같은 여러 작업들을 수행해야 한다:

? 초음파 버스트 송신

? 마지막 버스트에서 수신된 고유 신호(intrinsic line) 처리 후, 거리 계산

? 음속 보정을 위한 주변 온도 측정

? 센서 백그라운드 작업 관리(예: 전력 관리)

? IO-Link 주기적(cyclic) 요청에 대한 응답

? IO-Link 비주기적(acyclic) 요청에 대한 응답

마이크로컨트롤러가 지속적으로 데이터 샘플을 처리하다 보면, 데이터 링크 계층의 통신 작업을 처리할 수 있는 시간적 여유가 거의 사라지게 된다. 이로 인해 디바이스의 응답 시간에는 큰 변동이 발생할 수 있으며, 극단적인 경우 tA로 정의된 응답 시간 요건을 충족하지 못하는 상황이 발생할 수도 있다. NMI로 인해 발생하는 이러한 타이밍 문제는 단순히 더 빠르고 기능이 많은 마이크로컨트롤러를 사용하는 것만으로는 해결할 수 없다. 이 타이밍 문제에 대한 일반적인 해결책은 IO-Link 스택을 관리하기 위한 마이크로컨트롤러를 추가로 사용하는 것으로, 이를 통해 디바이스와 IO-Link 마스터 간의 응답 시간 간격을 보다 일정하게 유지할 수 있다. 그러나 이 방식은 추가적인 MCU 사용으로 인해 전력 소모가 증가하고, PCB 면적 역시 확대되며, 결과적으로 센서 인클로저의 크기까지 증가하게 된다. 이러한 요소들은 소형화·저전력화가 중요한 필드 디바이스 설계에서 매우 비효율적일 수 있다.

그림 3. 트랜시버와 통합 DC-DC 컨버터를 포함하는 MAX22516 IO-Link 상태 머신

데이터 링크 관리

보다 효율적인 대안은 통신 경로에서 데이터 링크 계층과 물리 계층을 모두 자체적으로 처리할 수 있는 IO-Link 트랜시버를 사용하는 것이다. MAX22516 IO-Link 상태 머신(그림 3)은 IO-Link 디바이스 트랜시버에서 일반적으로 요구되는 모든 기능을 통합하고 있으며, 24V C/Q 인터페이스, 통합 스텝다운 DC-DC 컨버터, 그리고 5V 및 3.3V 선형 레귤레이터를 포함한다. 이 디바이스는 IO-Link 데이터 통신의 타이밍을 전적으로 관리할 수 있는 완전한 상태 머신을 통합한 최초의 트랜시버이다. 이 트랜시버는 설정 및 유지보수 요청과 같은 IO-Link 마스터의 요청은 물론, 마이크로컨트롤러가 레지스터와 FIFO에 기록한 데이터를 기반으로 한 프로세스 데이터 전송까지 자율적으로 처리한다. 이 트랜시버를 사용하면 디바이스 마이크로컨트롤러가 IO-Link 마스터와의 통신을 직접 관리할 필요가 없기 때문에, 센서에 적용할 마이크로컨트롤러를 선택하는 데 있어 훨씬 더 많은 선택지를 가질 수 있다는 게 커다란 장점이다.

MAX22516은 IO-Link 마스터로부터 수신되는 메시지를 모니터링한다. 완전한 인덱스 서비스 데이터 유닛(ISDU) 설정 또는 유지보수 요청이 수신되면, IO-Link 마스터로 ISDU BUSY 메시지를 자동으로 전송하고 통신이 성공적으로 완료되었음을 디바이스 마이크로컨트롤러에 알린다. 이후 마이크로컨트롤러는 시간적 여유가 있을 때 필요에 따라 ISDU FIFO에 데이터를 로드할 수 있는데, 이 과정은 일반적으로 많은 사이클을 요구한다. 또한 트랜시버는 입력 프로세스 데이터(PDIn)와 출력 프로세스 데이터(PDOut)를 자체적으로 관리한다. MCU는 시간 제약 없이 PDIn FIFO에 새로운 데이터를 기록하고, PDOut FIFO에서 데이터를 읽을 수 있으며, 통합된 내부 버퍼는 FIFO 데이터가 처리되기 전에 손실되거나 덮어써지는 것을 방지한다.

그림 4는 단일 마이크로컨트롤러 기반 설계와 비교하여, 이 트랜시버를 적용했을 때 IO-Link 마스터에 대한 디바이스 응답 시간이 얼마나 크게 개선되는지를 보여준다. 응답 시간은 50% 이상 단축되며, 응답 시간의 변동성도 12 μs에서 0.25 μs로 크게 감소한다.

그림 4. 단일 마이크로컨트롤러를 사용해 IO-Link 통신을 관리하는 애플리케이션(왼쪽)과 MAX22516 트랜시버를 사용하는 경우(오른쪽)의 응답 시간 비교

MAXREFDES281 IO-Link 디바이스 레퍼런스 디자인(그림 5)은 MAX22516을 탑재하고 있으며, 다양한 유형의 IO-Link 센서에 대한 타이밍 성능을 검증하는 데 사용할 수 있다.

그림 5. MAXREFDES281 IO-Link 디바이스 레퍼런스 디자인

결론

마이크로컨트롤러가 여러 작업을 동시에 처리해야 하는 환경에서는 IO-Link 데이터 통신의 엄격한 타이밍 요구 사항을 안정적으로 충족하기 어려운 경우가 많다. 이러한 이유로 일부 장비 제조사는 IO-Link 스택을 전담하기 위한 별도의 마이크로컨트롤러를 추가로 채택해 왔다. 그러나 MAX22516 IO-Link 트랜시버는 모든 IO-Link 통신을 자체적으로 처리할 수 있는 상태 머신을 통합하고 있어, 설계자가 두 개의 마이크로컨트롤러를 사용할 필요가 없다. 그 결과, 메인 마이크로컨트롤러는 시간 제약이 큰 애플리케이션 작업에 더욱 집중할 수 있게 된다.

저자 소개

브라이언 콘델(Brian Condell)은 아일랜드 리머릭 소재 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 근무하는 디지털 마케팅 엔지니어이다. 2003년에 리머릭 대학교에서 전기공학 우등 학위를 취득했으며, 25년 넘게 반도체 업계에서 다양한 이력을 쌓았다. IEC 61508 규격 관련 HW/SW 설계를 위한 TUV 라인란트(TUV Rheinland) 인증 기능 안전 엔지니어 자격을 보유하고 있다.

마이클 잭슨(Michael Jackson)은 ADI SSG 사업부의 솔루션 마케팅 담당 수석 엔지니어이다. 전자공학 석사 학위를 보유하고 있다.

콘라드 쇼이어(Konrad Scheuer)는 ADI의 선임 수석 테크니컬 스태프 멤버이다. 2003년 파흐호흐슐레 알렌(Fachhochschule Aalen)에서 전기공학 학위를 받았다.

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