무대 방송 조명용 디지털 디머 시스템 분석

㈜스타L.V.S(www.starlvs.com)
이장원 대표이사
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개요

최근 생활수준 향상에 따라 고급 주택 및 대형 사무실에서는 각 구성원들의 시력 보호 및 능률 향상, 실내분위기 조성 등을 위해 적절한 조명 시스템 설치를 매우 중요시 여기고 있다. 특히 24시간 점등을 필요로 하는 백화점, 주차장, 주유소, 상가, 대형빌딩 및 건설 현장 등에서는 최상의 조명환경 제공과 건물관리의 효율화 제공을 위해 디머(Dimmer) 시스템의 설치가 절실히 요구되고 있다. 또한 상황과 장소에 따라 조명광의 조도를 조절하거나 변화시키기 위해서는 디머 시스템이 꼭 필요하다.
하지만 국내의 경우 현존 아날로그나 디지털 디머 시스템에 대한 특허가 미미하고, 개발 또한 저조한 편이다. 기존의 국내 제작 디지털 디머는 크기가 작고 안정성이 미달되어 빈번한 고장이 발생하는가 하면, 부하쪽 단락사고나 고장 발생 시 보호 장치가 미흡하여 퓨즈 & 트라이액(Triac) 소자 고장이 자주 발생하는 문제점이 있다. 이런 문제점들을 해결하여 좀 더 향상된 디지털 디머 장치를 설계 및 개발하고, 시스템을 구성하는 방법을 제시하고자 한다.
디지털 디머 시스템은 개개의 조명기기의 효과와 동작을 제어하기 위한 디머 모듈 컨트롤러와, 디머 모듈들을 원활하게 제어하기 위한 랙 컨트롤러, 그리고 사용자 인터페이스를 위한 콘솔로 구성했다. 각각의 디머장치는 그 기능을 먼저 정의하고 하드웨어를 설계, 소프트웨어를 작성했으며, 많은 수의 조명기기가 사용자의 명령에 따른 동작을 원활히 수행할 수 있도록 시스템을 구성하는 방법을 소개한다.

디지털 디머 시스템의 구성

디지털 디머 시스템은 사용자 인터페이스를 제공하고 조명 패턴을 저장할 수 있는 디머 콘솔(Dimmer Console)과, 실제로 조명기기를 제어하고 인터페이스 하는 디머 랙(Dimmer Rack)으로 크게 나눌 수 있다.
<그림 1>은 디지털 디머 시스템을 세부적으로 나타낸 것으로, 디머 랙의 내부를 주요 블록도로 나타냈다. 디머 랙은 랙 컨트롤러, 디머 모듈 컨트롤러, 디머 모듈 3가지로 나눌 수 있다. 이렇게 구성요소를 분리하여 기능을 정리하는 것은 디머랙을 보다 효율적으로 제어하는 동시에, 각각의 조명기기의 연결선 처리도 한결 쉬워지기 때문이다. 다음은 디머 랙의 구성 장치들의 기능을 간략하게 정리한 것이다.

콘솔(Console)

1. 콘솔의 구성
콘솔은 <그림 3>과 같이 크게 일반 PC와 콘솔전용 키보드로 이루어져 있다. 콘솔 전용 키보드는 조명기기의 레벨값을 제어하기 위한 페이더(Fader)와 버튼을 위해 하드웨어를 따로 구성하여 제작했다. USB/DMX 512 변환기를 사용하여 랙(Rack)으로 조명 레벨을 전송한다. PC와의 통신은 모두 USB를 사용하여 탈착이 간단하고, 데이터 전송률이 빠르다.

2. 콘솔 키보드의 기능과 하드웨어 설계
⑴ 콘솔 키보드의 기능
콘솔은 사용자가 조명기기의 제어를 보다 쉽게하기 위한 유저 인터페이스가 목적이다. 그러나 일반 키보드로 조명기기의 레벨값을 제어하는 것은 매우 불편하므로, 콘솔을 위한 전용 키보드를 설계하고 제작했다. 다음은 콘솔 키보드가 갖추어야 할 기능이다.

⑵ 콘솔 키보드 하드웨어 설계
사용자의 입력을 받는 것이 주목적으로서, 많은 수의 버튼과 페이더의 입력을 효율적으로 처리하기 위해 어드레스와 데이터버스를 사용하여 회로를 구성했다. 이에 요구되는 Chip Select 신호는 간단하게 GAL을 사용하여 로직을 꾸몄다.
CPU는 Atmel社8051 계열에서 일반적으로 쓰이는 T89C51AC2를 사용했다. 콘솔과의 통신을 목적으로 고속 통신 능력과 핫플러깅(Hotpluging)기능을 가진 USB 통신을 사용했고,
CPU의 ISP 기능과 별도의 디버깅 기능을 목적으로 RS232C 통신을 사용했다. 프로그램과 데이터 메모리는 T89C51AC2 내부의 플래시를 사용했으며, 외부 메모리는 장착하지 않았다.
Digital Input과 Output 내부의 구성은 <그림 4>와 같다. 이와 같이 구성함으로써 Data/Address Bus로 많은 수의 포트를 구현할 수 있다.

① 주요 부품 및 소자
가. CPU
Atmel社의 8bit8051 계열인 T89C51AC2를 사용했다. 특징은 <표 1>과 같다. 프로그램과 데이터는 모두 내부의 플래시를 사용해 저장했으며, 특히 플래시는 ISP 기능을 지원해 프로그램 작성과 수정 시에 편리하다.
나. GAL
소자들의 Chip Select 신호와 USB IC Chip Select 신호를 만들기 위해 사용됐다. 내부의 로직은 ABEL Compiler를 사용하여 Address Decoder를 구현했다. GAL 22V10은 최대 지연시간이 4㎱로 동작 속도가 매우 빠르고, I/O 핀수가 22핀으로서 콘솔 키보드를 구현하기에 적합하여 선정하게 됐다.
다. USB
PC와 Target Board의 USB 통신을 위해서 FTDI社의 FT245BL을 사용했다. 이 IC는 데이터 전송률 1MBps로서 일반 USB 통신 속도에 비해 비교적 느리지만, CPU와의 인터페이스 하기가 매우 쉽고, 별도로 PC의 디바이스 드라이버를 제공함으로써 개발 기간을 단축할 수 있다는 이점이 있다. FT245BL의 주요 특징은 <표 2>와같다.

② 하드웨어 세부 설계
가. 아날로그 입력부
아날로그 입력부는 T89C51AC2 내부의 자체 ADC 모듈을 최대한 활용하도록 설계됐다. 콘솔키보드의 아날로그 입력은 총 62개이지만, T89C51AC2에서 지원하는 ADC 채널의 값은 8개이므로 아날로그 멀티플렉서를 사용한 추가회로를 설계했다. 각각의 아날로그 멀티플렉서의 컨트롤 신호는 GAL의 로직을 통해 접근이 가능하다.
아날로그 입력의 시작단인 페이더(Fader)는 10K의 슬라이드형 가변저항이며, ADC할 때의 입력 임피던스를 낮추고, 전압 레벨을 0~3V로 조정하기 위하여 Op-Amp를 사용한 비반전 회로를 구성했다.

나. 디지털 입력부
디지털 입력부는 버튼이 클릭됐는지에 대해 판단할 수 있도록 설계돼야 한다. <그림 5>는 4*4 키스캔(Keyscan) 회로의 한 예로서, 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 이 회로는 버튼이 동시에 3개 이상 눌려졌을 시에 오류가 발생할 수 있는 단점이 있다. 하지만 콘솔 키보드에서는 3개 이상 누를 경우가 없다고 판단하여 키스캔회로를 구성했으며, 3개 이상 동시에 눌려졌을 경우에는 소프트웨어에서 오류로 처리할 수 있게 했다.
다. 디지털 출력부
디지털 출력부는 표시 LED를 구동하고 있으며, 디지털 입력부와 유사한 하드웨어를 가진다.

③ Target Board의 PCB 전 · 후면 사진
완성된 콘솔 키보드의 모습과 그 PCB의 규격은 <그림 6>과 같다. PCB는 총 5장으로 이루어져 있다.

3. 콘솔 키보드 소프트웨어
⑴개발툴소개
① 카일 컴파일러(KEIL Compiler)
T89C51AC2의 소프트웨어를 작성하고 컴파일하기 위해, 8051 계열의 마이크로프로세서의 개발 툴로서 통합개발환경(IDE=Integrated Development Environment)을 제공하는 카일
컴파일러를 사용했다. IDE는 컴퓨터를 이용하여 어플리케이션(Application)을 개발하는 과정에서 에디터, 컴파일러, 어셈블러, 링커, 디버그 등 각각의 단계가 모두 하나의 프로그램 안에 통합되어 있는 것을 나타낸다. 프로그램들이 통합되어 불필요한 작업을 줄이게 됨으로써 개발 기간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

② FLIP(Flexible In-system Programmer)
FLIP은 Atmel社에서 제공하는 소프트웨어로서, C51 계열 디바이스의 ISP를 지원해 준다.
RS232C, USB, CAN 3가지 통신을 선택하여 ISP를 지원하게 되며, 현재 쓰인 통신은 RS232C를 선택했다.

⑵ 소프트웨어 알고리즘
매 50㎳마다 페이더, 버튼의 값을 읽어 들여 업데이트하며, 이전 값과 차이가 발생하는 이벤트가 발생할 경우 USB 통신을 통하여 PC로 전송한다. 그리고 LED는 PC에서 USB 전송이 있을 시 값을 업데이트하게 된다. <그림 7>은 콘솔 키보드 소프트웨어의 흐름도이다.

4. USB 프로토콜
⑴ 송신 프로토콜
키보드에서 입력받은 버튼값과 페이더값을 전송하는 프로토콜의 패킷 형식이다. 먼저 <그림 8>은 콘솔 키보드의 모든 버튼값과 페이더를 전송하는 패킷이며, <그림 9>는 현재 상황에서 이벤트 발생 시 전송하는 패킷이다. 여기서 이벤트란 버튼이 눌리거나 페이더가 움직였을 때를 뜻한다.
두 가지 모드는 CMD byte에 의하여 결정이 되고, 첫 번째 패킷은 일반적으로 콘솔 소프트웨어의 초기 기동 시 주로 쓰이며, 키보드에 세팅된 초기값을 저장하는 것이 주목적이다. 두 번째 패킷은 사용자가 키보드 작동 시 사용된 버튼값과 페이더값 만을 체크하여 전송하는 방식으로서 불필요한 데이터 전송을 막고 보다 효율적으로 통신이 가능하게 해 준다.

⑵ 수신 프로토콜
USB 수신에도 두 가지 모드가 존재한다. <그림 10>의 Case 1과 2는 커맨트(CMD)를 통하여 구분하며, Case 1은 콘솔 키보드의 모든 데이터를 요구하는 명령으로 데이터는 가지고 있지 않다.
Case 2는 LED의 데이터를 싣고 있으며, 키보드는 데이터를 수신한 즉시 LED값을 업데이트하게 된다