NI-DAQmx 기반 TSN 동기화 정확도

TSN(Time Sensitive Networking)은 표준 이더넷, 특히 IEEE 802.1 표준이 발전된 것으로, 네트워크를 통한 시간 동기화와 이더넷 기반 개방 네트워크에 대한 결정성 있는 저지연 통신과 같은 기능을 추가합니다. TSN 동기화는 IEEE 802.1AS 표준을 통해 제공되어 호환 이더넷 스위치와 종단국 간의 자동 동기화를 가능하게 합니다. 이렇게 하면 장치 간에 하나의 이더넷 케이블만 필요하기 때문에 분산 측정 시스템을 동기화하는 방법을 단순화합니다. 케이블은 측정 데이터와 같은 모든 일반적인 네트워크 패킷을 전달할 뿐만 아니라 IEEE 802.1AS 서브넷의 모든 장치가 동기화하는 공유되는 시간도 제공합니다.

이 동기화 기술은 TSN이 있는 CompactDAQ 이더넷 섀시의 출시와 함께 NI-DAQmx 17.1에 도입되어 네트워크를 통해 분산 측정 시스템을 동기화하는 간단한 방법을 제공합니다. IEEE 802.1AS 서브넷의 모든 디바이스가 공유된 시간 개념을 가지고 있기 때문에 NI-DAQmx에서는 처음으로 시간 기반 트리거와 타임스탬프를 사용하여 네트워크로 연결된 시스템 전체에서 동기화 및 상관 관계를 달성할 수 있습니다. 동기화 방법으로 시간을 사용하면 알려진 불확실성의 정도로 여러 장치의 데이터를 상호 연관시키는 간단한 접근 방식을 제공합니다. 이 백서에서는 전체 동기화 정확도에 영향을 줄 수 있는 요인을 살펴보고 NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스의 네트워크 정확도를 결정하는 데 NI가 사용하는 방법에 대해 설명하며 자체 측정 시스템의 정확도를 특성화할 수 있는 방법을 보여줍니다.

TSN 분산 측정 시스템을 설계하고 구현할 때는 네트워크 동기화 정확도에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 여기에는 분산 어플리케이션을 위해 선택된 토폴로지, IEEE 802.1AS 서브넷에서 선택된 IEEE 802.1AS 그랜드 마스터(GM) 클럭의 품질, 동기화된 어플리케이션 내에서 사용되는 I/O 채널의 타이밍 아키텍처가 포함됩니다.

토폴로지

동기화된 분산 측정 시스템은 일반적으로 여러 노드로 구성됩니다. 이러한 노드가 연결되는 방식은 사용하는 토폴로지에 따라 다릅니다. 동기화된 분산 측정 시스템의 세 가지 기본 토폴로지는 라인, 링 및 스타입니다.

그림 1:  라인 토폴로지

그림 2: 링 토폴로지

그림 3: 스타 토폴로지

TSN을 사용하여 네트워크의 장치를 동기화할 경우 주어진 토폴로지의 모든 디바이스 간에 공통된 시간 개념이 분배됩니다. 토폴로지 내의 라인에 있는 장치의 수가 증가함에 따라 동기화에 참여하는 연결의 수도 증가합니다. 각 연결은 동기화 정확도에 수십 나노초의 불확실성을 추가합니다.

NI-DAQmx 기반 측정 시스템 설계에 대해 더 알아보기

그랜드 마스터

클럭을 네트워크를 통해 직접 공유할 수 없기 때문에 TSN 기반 디바이스는 자체 클럭과 네트워크의 기준 클럭 간의 관계를 측정하고 조정하여 동기화합니다. IEEE 802.1AS 스펙에서 GM(Grand Master) 클럭이라고 하는 기준 클럭은 선출 알고리즘을 통해 자동으로 선택됩니다. 선출은 클럭의 품질, 추적 가능성, 우선순위를 기준으로 하며 동점자가 있을 경우에는 디바이스의 MAC 주소를 참고합니다.

GM 클럭에는 위상 노이즈 및/또는 앨런 편차를 포함한 안정성 스펙이 있습니다. 서브넷의 기타 모든 TSN 디바이스에도 이와 유사한 스펙이 있으며, 자신의 클럭을 GM 클럭에 맞춰 자주 조절하므로 저주파수 위상 노이즈가 더해집니다.

GM 클럭의 영향과 NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 달성하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오. 

I/O 타이밍 아키텍처

광범위한 고품질 측정을 제공하기 위해 C 시리즈 모듈 및 FieldDAQ 디바이스는 샘플 클럭 타이밍 및 오버샘플 클럭 타이밍의 두 가지 주요 그룹으로 분리된 다양한 유형의 타이밍 아키텍처를 사용하여 지원됩니다. 이러한 모듈을 혼합하면 동기화의 정확도에 영향을 줄 수 있습니다.

샘플 클럭 타이밍 모듈은 섀시의 타이밍 엔진이 생성하는 샘플 클럭을 기준으로 작동합니다. 이러한 설계를 바탕으로 클럭들은 TSN 서브넷의 다른 클럭과 위상 정렬됩니다. 수집 또는 생성 작업의 타이밍은 타이밍 엔진 및 모듈 자체에 있는 디지털 지연을 기준으로 결정됩니다.

스캔 모듈은 샘플 클럭 타이밍 모듈의 유형으로, 모든 채널을 위한 하나의 아날로그-디지털 컨버터(SDC)를 포함하고 있습니다. 단일 ADC가 수집 대상 채널마다 독립적으로 작동하기 때문에 스캔 모듈은 채널당 지연을 증가시킵니다. 스캔 모듈과 비스캔 모듈을 동기화할 경우, 스캔 모듈의 샘플을 다른 모듈 유형의 샘플과 세심하게 연결해야 합니다.

오버샘플 클럭 타이밍 모듈은 상시 가동되는 고정밀 클럭을 기준으로 작동합니다. TSN 탑재 cDAQ-9185/9189 이더넷 섀시에서는 이러한 클럭이 섀시 자체에서 생성되며 다른 섀시 클럭에 맞춰 조정되지만, 위상 정렬은 수행되지 않습니다. 이러한 클럭들은 드리프트가 발생하지는 않으나 최대 샘플 주기의 절반까지는 섀시 간 차이가 있을 수 있습니다. 클럭은 상시 가동되므로 이러한 클럭의 데이터를 동기화하려면 동기화 펄스라는 또 다른 신호가 필요합니다. 이러한 신호는 모듈이 데이터 생성 또는 소비를 시작할 수 있는 시점을 나타냅니다. 이 신호가 없으면 클럭을 네트워크에 맞춰 동기화할 수는 있으나 데이터에 맞춰 동기화할 수는 없을 것입니다. NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스는 시간을 동기화 펄스로 사용함으로써 분산 시스템 개발을 간소화할 수 있습니다.

NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 수행하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

아날로그 입력 C 시리즈 모듈과 NI-DAQmx를 동기화하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

NI-DAQmx 기반 TSN 하드웨어 디바이스의 경우, 타이밍 및 동기화 섹션의 디바이스 스펙에 "네트워크 동기화 정확도"에 대한 스펙이 있습니다. 이것은 시스템의 홉 수를 증가시키는 혼합 타이밍 아키텍처와 토폴로지 선택 기반 구성에서 주어진 동기화 정확도를 알려줍니다. 경우에 따라 NI는 시스템에서 동일한 모듈과 적은 수의 홉으로 최적화된 구성을 사용할 때 달성할 수 있는 동기화 정확도 수준을 보여주는 스펙도 제공합니다.

다음 두 문단에서는 8슬롯 cDAQ-9189 섀시를 사용하여 이러한 스펙을 벤치마킹할 때 사용되는 구성의 두 가지 예를 살펴보겠습니다.

네트워크 동기화 정확도

이 테스트 예제는 다양한 타이밍 아키텍처로 구성된 모듈 선택 및 라인 토폴로지의 다중 홉으로 구성된 구성과 같은 다양한 요인에서 불확실성을 가져왔습니다. 시스템은 단일 호스트 PC에 네트워크로 연결된 라인 토폴로지의 cDAQ-9189 섀시 6개로 구성되었습니다. 모든 섀시의 클럭 품질과 추적 가능성, 우선순위가 동일했기 때문에 MAC 주소가 가장 큰 섀시를 기준으로 GM을 결정하여 8슬롯 cDAQ-9189 이더넷 섀시 중 하나를 IEEE 802.1AS 서브넷의 GM으로 선택했습니다. 토폴로지에서 동기화에 참여하는 연결 수를 최대한 늘리기 위해 GM이 체인 끝 중 하나에 위치하도록 구성했습니다. IEEE 802.1AS로 디바이스를 동기화할 때, IEEE 802.1AS 프로토콜은 디바이스 간의 케이블 길이를 보정하므로 이더넷 케이블 길이가 일치하는지 확인할 필요가 없었습니다. 6개의 섀시에는 다양한 SAR 및 DSA 기반 모듈이 설치되었습니다. 그런 다음 알려진 외부 웨이브폼이 생성되어 모듈의 모든 아날로그 입력 채널로 전송되었습니다. 그리고 아날로그 입력 채널에서 파형을 가져와 신호 처리를 수행하여 모든 아날로그 입력 채널 간 시스템의 최대 위상 오프셋을 결정했습니다. 모든 동기화 성능 수치는 경험적 결과를 기반으로 했으며 일반적인 동작을 보였습니다.

최적화된 구성에서의 네트워크 동기화 정확도

이 테스트 예제는 최적화된 구성을 개발하기 위해 가능한 모든 불확실성을 제거했습니다. 시스템은 단일 호스트 PC에 네트워크로 연결된 라인 토폴로지의 cDAQ-9189 섀시 2개로 구성되었습니다. 이 토폴로지는 연결된 두 섀시의 MAC 주소에 의존하기 때문에 MAC 주소가 가장 높은 섀시가 IEEE 802.1AS 서브넷의 GM이 되었습니다. 2개의 섀시만 연결된 이 시스템은 서브넷의 모든 장치에 도달하는 데 단일 홉만 있으면 됩니다. 이는 스타 토폴로지 동작과 유사합니다. 앞의 예와 같이 IEEE 802.1AS 프로토콜이 디바이스 간의 케이블 길이를 보정하기 때문에 두 디바이스 간의 이더넷 케이블 길이(이더넷 사양 내라면)는 문제가 되지 않았습니다. 가능한 모든 불확실성을 제거하기 위해 이 테스트의 두 섀시에는 동일한 모듈이 사용되어 시스템이 한 가지 유형의 타이밍 아키텍처로만 구성될 수 있었습니다. 그런 다음 알려진 외부 웨이브폼이 생성되어 모듈의 모든 아날로그 입력 채널로 전송되었습니다. 그리고 아날로그 입력 채널에서 파형을 가져와 신호 처리를 수행하여 모든 아날로그 입력 채널 간 시스템의 최대 위상 오프셋을 결정했습니다. 모든 동기화 성능 수치는 경험적 결과를 기반으로 했으며 일반적인 동작을 보였습니다.

TSN 동기화 측정 시스템을 설계할 때, 데이터에 대한 사후 처리를 수행할 때 불확실성 정보를 알고 있도록, 달성 가능한 일반적인 동기화 정확도를 특성화하는 것이 가장 좋습니다. NI는 두 가지 다른 구성에서 시스템의 일반적인 동작에 대한 동기화 정확도 스펙을 제공하지만, 이는 디바이스의 일반적인 동작을 나타내며 I/O 동기화 정확도는 시스템에 따라 다릅니다. 측정 시스템의 성능을 특성화하려면 알려진 신호를 수집하거나 생성한 뒤 결과에서 예상 속성을 테스트하십시오. 아날로그 입력 동기화의 경우, 서로 다른 섀시의 여러 채널에서 알려진 주파수의 사인파를 수집하고 수집한 신호의 위상과 주파수를 추출하십시오. 주파수의 에러는 GM 오실레이터와 알려진 신호를 생성하는 클럭 간의 주파수 차이를 나타냅니다. 동기화된 측정 시스템에서 이 에러는 모든 지점에서 일관됩니다. 위상 에러는 다른 디바이스 클럭 간의 일시적인 위상 차이와 I/O 모듈 신호 경로의 차이를 반영합니다. 동일한 모듈의 경우 위상 에러는 측정 시스템 내 디바이스 간 홉 수에 따라 커져야 합니다.

NI-DAQmx 기반 TSN 디바이스로 고정밀 측정을 달성하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.