무대 방송 조명용 디지털 디머 시스템 분석

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무대 방송 조명용 디지털 디머 시스템 분석

2010년 3월 2일 (화) 11:32:02 | 지면 발행 ( 2010년 2월호 - 전체 보기 )

㈜스타L.V.S(www.starlvs.com)
이장원 대표이사
(02)352-4063 / jwlee02@unitel.co.kr

랙 컨트롤러

1. 랙 컨트롤러의 기능과 하드웨어 설계

⑴디머랙의구성
디머 랙은 크게 랙 컨트롤러, 디머 모듈 그리고 디머 컨트롤러로 구분된다. 랙 컨트롤러는 디머 모듈에 조명 레벨을 전달하고 조명 상태를 파악하는 등 디머 랙의 전반적인 제어를 맡는 핵심적인 부분을 차지한다. 디머 모듈은 내부에 디머 회로를 구성하고 있어 전송받은 조명 레벨을 통해 조명을 제어하게 되며, 디머 컨트롤러는 랙 컨트롤러와 디머 모듈 사이에서 디지털 디머 레벨값을 위상값으로 변환하는 중계 역할을 맡고 있다.
① 디머 랙의 하드웨어 구성
랙 컨트롤러는 콘솔과 DMX 512 통신으로 연결되어 각 조명기기의 밝기 레벨값(0~100%)을 받아들이게 되고, 이 레벨값들을 조명기기가 실제로 제어될 위상각으로 변환하여 디머 모듈 컨트롤러로 전송하게 된다.
디머 모듈 컨트롤러는 최대 12개가 연결될 수 있으며, 랙 컨트롤러와는 CAN 통신으로 연결되어 있다. <그림 1>과 같이 1개의 디머 모듈 컨트롤러는 디머 모듈 2개, 그리고 1개의 디머 모듈은 2대의 조명기기의 밝기를 제어하게 된다. 그러므로 1대의 디머 랙은 총 96개의 조명기기를 제어할 수 있다. 더 많은 조명기기를 제어하기 위해서는 2대 이상의 디머 랙에 DMX 512 통신을 병렬로 연결하면 된다. 전면부 LCD와 KEY는 사용자 인터페이스를 위해 장착되어 있기 때문에 사용자는 LCD 및 KEY 조작을 통해 디머 랙의 상태와 조명기기의 출력 레벨값 및 상태를 파악 할 수 있다.

[그림 1] 디머 랙의 하드웨어 구성도

[그림 2] 디머 랙의 기능적인 구성도

② 디머 랙의 기능적인 구성
조명기기들의 레벨값을 받기 위해 콘솔과는 2채널의 DMX 512 통신을 하게 되며, OUTLOOK으로부터 실제 아날로그값을 전송받을 수 있다. 또한 별도의 PC를 사용해 디머 랙의 에러로그 메시지를 확인할 수 있다. 내부에는 CAN통신으로 랙 컨트롤러와 디머 모듈 컨트롤러가 연결되어 있으며, 랙 컨트롤러는 CAN 통신을 통해 알맞은 위상값을 전송하게 된다. 디머 랙 내부에는 Zero-Crossing 회로가 있는데, 이 회로가 위상각 제어 방식을 따르기 때문이다. Zero-Crossing회로는 외부의 3상 4선식 전원을 입력받아 3상에 대한 Zero-Cross 신호를 만들어내며, 랙 컨트롤러와의 연결 없이 디머 모듈 컨트롤러로 직접 연결되어 있다. 디머 모듈 컨트롤러는 전송받은 위상값을 Zero-Cross 신호를 이용해 디머 모듈 SCR의 게이트 신호를 펄스 형태로 만들어 전송한다.

⑵ 랙 컨트롤러의 기능
① 조명 레벨값의 송 · 수신
랙 컨트롤러의 가장 중요한 기능으로는 콘솔로 부터 조명 레벨을 전달받아 디머 컨트롤러로 분배하는 것이다. 콘솔과 랙 컨트롤러는 DMX 512 통신으로 연결되어 있으며, 랙 컨트롤러는 DMX 512 통신을 통해 전송받은 조명 레벨을 CAN 통신을 통해 각 디머 컨트롤러로 재전송한다.
② Zero-Crossing 신호 발생
Zero-Crossing 신호란 교류 파형이 0값을 통과할 때 발생하는 신호를 뜻한다. 이는 회로적으로나 소프트웨어적으로나 쉽게 검출 가능하다. 하지만 Zero-Crossing 신호는 디머의 위상각 제어방식의 핵심적인 요소로서, 실제 조명 레벨을 조정하는 위상의 잣대 역할을 하기 때문에 정확한 타이밍에 신호를 발생해 줄 수 있어야 한다.
③ 조광 특성 곡선의 분석
콘솔로부터 전송받은 조명기기의 밝기에 대한 레벨값은 실제 우리가 디머 모듈로 출력하고자 하는 위상값과는 차이가 있다. 이는 조명기기들이 AC 전원에 의해 제어되기 때문이다. 그러므로 랙 컨트롤러에서는 콘솔로부터 받은 레벨값을 해당하는 위상값으로 변환해 주는 연산 프로그램이 필요하다. 이를 위해 조광 특성 곡선을 분석하여 랙 컨트롤러 프로그램에 레벨값-위상값 변환 테이블을 작성했다.

[그림 3] 랙 컨트롤러의 PCB 보드 구성도

[그림 4] CCS의 다이어그램

④ 부가 기능
가. 패닉(PANIC)
패닉이란 디머 랙 또는 콘솔의 기능적인 오류나 탈착으로 인해 조명기기의 제어가 불가능할 때 사용되는 기능으로서, 조명기기들은 미리 설정된 값인 100% 또는 0%로 켜지거나 꺼지게 된다. 설정값은 랙 컨트롤러 내에 Dip 스위치로 On/Off를 설정할 수 있게끔 되어 있다. 패닉은 디머 랙에 부착되어 있는 버튼을 눌러 수동으로 작동할 수 있으며, 또는 랙 컨트롤러가 탈착됐을 경우에 자동으로 작동한다. 극장에서 연극을 상영하다가 랙 컨트롤러가 고장을 일으켰을 경우 극장 내부가 어두워 자칫사고가 날 수 있지만, 패닉 기능을 이용한다면사고를사전에예방할수있다.
나. LCD와 LED로 오류 및 상태 표시 기능
디머 랙의 상태를 파악한다는 것은 교류전원, 디머 모듈, 외부기기들과의 접속 상황 등을 통칭하는 것이다. 교류전원은 조명기기의 전원을 공급하게 된다.
이 교류전원의 전력이 크고, 디머 랙을 장시간 운전할 경우가 많기 때문에 화재를 불러올 수 있는 등 위험요소가 크다.
사용자는 가용전압과 전류를 수시로 확인할 수 있으며, 디머 랙은 일정 용량을 초과할 경우 경고등이 점멸하게 되고 전력이 차단되게 된다. 또한 디머 모듈의 종류를 파악하고, 디머 모듈로부터 내부온도와 사용전류를 전송받게 된다. 발열이 심한 경우에는 디머 랙에 장착된 팬을 고속으로 기동시켜 온도를 낮추게 된다. 이는 디머 모듈에 사용된 SSR의 스위칭으로 발생한 높은 열에 의한 내부 IC 고장을 막고, (특히 SSR) 디머 랙을 장기적으로 사용할 수 있도록한다. 사용자는 랙 컨트롤러의 LCD 창을 통해 디머 랙의 상태를 확인할 수 있으며, 교류전원의 최대 전압, 전류 등의 최고 수위를 정하여 LCD를 보지 않고 경고 LED를 통해 확인할 수 있다.

⑶ 랙 컨트롤러의 하드웨어 설계
① 랙 컨트롤러의 회로도와 보드 구성도
가. PCB 보 드 구성도
<그림 3>은 랙 컨트롤러의 구성도이며, 총 3장의 PCB로 이루어져 있다. 디스플레이 부분, 컨트롤러 부분 그리고 인터페이스 부분으로 나누어져 있으며, 먼저 디스플레이 부분에는 LCD, LED, 버튼 부분이 들어가 있다. 컨트롤러 부분에는 CPU와 주요 부품들이 주를 이루고 있으며, 인터페이스 부분에는 외부기기들과 연결해야 할 커넥터, Panic 설정 버튼, Zero-Crossing 검출 회로 그리고 전원의 입력 부분이 있다.

2. 랙 컨트롤러의 소프트웨어

⑴ 개발 툴-Code Composer Studio
CPU의 소프트웨어를 코딩하기 위해서는 TMS320LF24x 계열의 CCS(Code Composer Studio)가 필요하다. <그림 4>에 나와 있듯이 CCS는 프로그램의 코딩 작업을 위한 툴을 제공해 주고 있으며, 소스 코드의 컴파일 기능, 디버깅 기능 그리고 분석해 주는 기능까지 가지고 있다. 또한 Target Board와 JTAG(Joint Test Action Group)로 연결되어 막강한 디버깅 기능까지 가지게 된다. 실제로 소프트웨어를 작성한 부분은 Target Board의 FLASH Ram에 들어가게 된다.
CCS는 FLASH에 COFF Object 파일을 구워주는 기능을 제공함으로써 사용하기에 적합한 개발툴이라 할 수 있다.

⑵ 소프트웨어 작성
① DMX 512 프로토콜
국제 통신 규격인 DMX 512는 디지털 멀티플렉스 신호를 의미한다. 이것은 광원과 관련된 장비와 함께 사용되는 가장 공통적인 국제 표준 규격이다. DMX 512는 데이터 링크당 512 컨트롤 채널까지 제공한다. 본래 이러한 채널들은 램프의 빛 밝기를 조절하며, 이것을 512개의 광원에 연결된 콘솔 위에 있는 512 슬라이더라고 생각할 수 있다. 각각의 슬라이더 단자는 데이터 링크를 통해서 0과 255 사이에 있는 8비트값을 보낸다.
0의 값은 광원이 완전히 Off 되는 반면, 255의 값은 광원이 완전히 On 한 상태를 말한다. DMX 512 데이터는 두 개의 와이어를 통해 표준 RS-485 전송 장치를 사용해 1초당 250,000비트씩 데이터를 전송한다. DMX 512는 광원 조광 모듈과 광원 콘솔 연결에 대한 표준 방법이다. DMX 512의 특징은 다음과 같다.

- DMX 512는 다중 리시버에 한 개의 컨트롤링 소스를 연결하는 방법이다.
- 시리얼 데이터는 마이크로폰과 같은 케이블을 통해서 4,000피트까지 전송될 수 있다.
- 512 디바이스까지 혹은 디바이스에 있는 기능은 8비트 분해능으로 컨트롤 될 수 있다.
- 모든 채널은 연속적으로 안전하게 재생될 수 있다.
- 비록 DMX 512 표준이 업그레이드(Upgrade) 된다 할지라도, 기존 장비는 어떤 새로운 변경된 버전에서도 똑같이 계속 작동된다.

[그림 6] CAN 타이밍도

② CAN 프로토콜
CAN은 초기에 자동차 산업 분야에 적용하기 위해 고안된 시리얼 네트워크 통신 방식이다.
1986년 자동차 내 서로 다른 세 개의 전자 장치간 통신을 위한 통신 장치 개발을 자동차 업체인 벤츠의 요구에 의해 자동차 부품 업체인 독일의 보쉬가 최초로 개발했다. CAN 버스는 마이크로 컨트롤러 사이에서 통신망을 형성하며 2가닥의 꼬임선으로 연결된 반이중 통신(Half Duplex) 방식으로, 짧은 메시지를 사용하는 고속 응용 시스템에 적당하다. 더불어 외부의 노이즈 등에 강인성을 가져 통신 에러율을 최소화 하는 높은 신뢰성을 가지고 있다. 이론적으로는 2,032개의 서로 다른 디바이스를 하나의 네트워크상에 연결해 통신을 수행할 수 있으나, CAN 트랜시버의 한계로 인해 110개까지 Node를 연결하여 사용할 수 있다. 실시간 제어가 가능한 1Mbps(ISO 11898 규격)의 고속 통신을 제공함과 동시에, 자동차 환경과 같은 심각한 노이즈 환경에 적합하도록 에러검출 및 에러 보정 기능이 있다.

3. Zero-Crossing 발생 회로
랙 컨트롤러에는 제로 크로스(Zero-Crossing) 시점을 디머 컨트롤러로 전송하고, 시점에 오류는 없는지 확인한다. 조명기기를 위상각 제어 방식으로 제어하기 위해서는 교류전원의 제로 크로스 시점을 정확하게 알아내는 것이 중요하다. 랙 컨트롤러의 제로 크로스 회로는 디머 랙으로 들어오는 교류전원(3상 4선식)을 입력받아 3상의 제로 크로스 시점을 구형파로 정형하여 디머 컨트롤러로 전송하게 된다. <그림 7>은 제로 크로스에 대한 구성도와 그 페이저도이다.

변압기는 델타-와이 결선을 이용했고 적분기 회로와 원 샷 회로를 거쳐 정형화 시켰으며, 3개의 페이저도는 원 신호, 변압기, 적분기를 거친 신호를 나타낸 것이다. 이런 일련의 과정을 거치는 이유는 적분기가 신호의 고조파 성분과 글리치를 상쇄시켜 주기 때문에 단상을 변압하여 만들어낸 Zero-Cross 신호보다 정밀한 신호를 발생시킬 수 있기 때문이다.

4. 조광 특성 곡선의 분석

⑴조광 특성 곡선
조광 특성 곡선은 조광 제어 입력에 대한 조광출력의 광속비를 나타낸 것으로, 자극에 대한 감각의 일반적인 법칙(Weber-Fechner's Law)을 따르고 있다. <그림 8>은 각종 조광 특성 곡선을 나타낸 것이며, 특징은 다음과 같다.

○ S자형 특성
- 조광 제어 입력에 대해 위상각을 1차적으로 제어하는 경우의 조광 곡선
○ 1승 특성
- 조광 제어 입력에 대해 광량이 직선적으로 변화하도록 한 것이다.
- 광속이나 조도의 합성 시 색의 변화가 자연스럽게 보인다.
○ 2승 특성 또는 2.3승 특성
- TV 특성, Munsell Curve 또는 시감도 직선 특성이라고도 하며, 조광 제어 입력의 변화와 시감도의 변화를 일치시킨 것으로 이것을 단순화 시킨 것이 2승 특성이다.
- 연극 등 일반적인 조광기에 기준으로 적용되는 특성이다.
○ 2.7승, 3승 또는 3.4승 특성
- 조광 제어 입력과 조광 전압이 비례하도록 한 특성으로, 백열전구를 사용하면 3.4승 곡선이 된다.
- 비교적 어두운 장면을 천천히 변화시키는 경우에 이 특성이 유효하다.

⑵ 1승 특성 곡선에 대한 분석
조광 특성 곡선 중에서 실제 조광 제어 입력에 대해 광량이 직선적으로 변화하도록 하는 1승 곡선에 대해 분석하여 테이블화 했다.
<그림 9>는 조명기기에 걸리는 AC 전압이며, 알파로 표시된 위상값에 의해 불 밝기가 제어되는 모습을 나타냈다.

디머 모듈 컨트롤러

1. 디머 모듈 컨트롤러의 기능과 하드웨어 설계
디머 모듈 컨트롤러는 랙 컨트롤러와 디머 모듈의 연결 고리 역할을 한다. 기본적으로 1개의 디머 모듈 컨트롤러는 2개의 디머 모듈을 제어하게 되며, 이는 조명기기를 동작시키기 위한 4개의 게이트 신호를 발생시켜야 함을 뜻한다. 랙 컨트롤러에서 CAN 통신으로 수신되는 데이터는 4개 조명기기에 대한 위상값이며, 디머 모듈 컨트롤러는 디머 모듈 내부의 상태(전류, 내부 온도)를 센싱하여 랙 컨트롤러로 송신하게 된다.

⑴ 디머 모듈 컨트롤러의 기능
① 위상각 발생
디머 모듈 컨트롤러는 랙 컨트롤러에서 CAN통신을 통하여 4개 채널에 대한 위상값을 전송받아 저장한다. 그리고 받은 위상값을 디머 모듈 SCR의 게이트 신호(Gate Pulse)로 만들어 주게된다. 랙 컨트롤러에서 전달된 Zero-Cross 신호를 시작으로 하여, 게이트 신호가 발생해야 할 시간을 측정하게 된다. CPU는 측정된 시간에 도달하게 되면 게이트 신호를 발생하여 주게 된다.

② 디머 모듈 센싱
디머 시스템의 제어 대상인 조명기기는 최종적으로 디머 모듈에 의해 동작하게 된다. 디머 모듈 컨트롤러는 디머 모듈의 상태를 센싱하여 각 조명기기를 제어함에 있어 문제가 발생하는지를 모니터링 할 수 있다. 조명기기에 흐르는 전류, 디머모듈의 내부 온도는 물론, 디머 모듈이 랙에 장착되어 있는지에 대해서도 파악할 수 있으며, 이 정보는 CAN 통신으로 랙 컨트롤러에 전송한다.
③ Install 기능
Install은 디머 모듈이 랙에 장착되어 있는지와 장착 시 디머 모듈의 용량을 알려주는 기능이다.
이는 하드웨어적으로 구성되어 있으며 <그림 10>과 같다. 모듈별로 삽입된 저항이 다르며, CPU의 ADC 기능을 이용하여 전압을 측정해 디머 모듈의 용량을 알아내고, 장착되지 않은 경우에 ADC값이 0을 나타내게 된다.

⑵ 디머 모듈 컨트롤러의 하드웨어 설계
① 하드웨어 구성도
디머 모듈 컨트롤러와 디머 모듈의 주요 구성도는 <그림 11>과 같다. 사용한 마이크로 컨트롤러는 CAN 통신 기능을 가진 8051 계열의 T89C51CC01이며, 모듈 내부의 상태 센싱(전류, 온도)을 위한 ADC(Analog to Digital Converter)기능과 게이트 신호를 발생하기 위한 PCA(Programmable Count Array) 기능을 가진다. 랙 컨트롤러와 디머 모듈들 간에는 CAN 통신으로 연결하여 다중 통신을 지원하게 되며, 이는 복잡한 연결이 필요치 않는 장점이 있다.
② 디머 모듈 컨트롤러의 CAN ID 설정
<그림 12, 13>은 각각 랙(Rack)의 CAN 연결도와 CAN ID 설정을 나타낸다. 그림에서 디머는 3상 4선 전원(R, S, T, N)으로 연결되어 있으며, Dimmer 1, 4, 7, 10은 R상, Dimmer 2, 5, 8, 11은 S상, 그리고 Dimmer 3, 6, 9, 12는 T상에 연결되어 있다. 이렇게 연결됐을 때 디머 모듈 컨트롤러의 CAN ID는 <그림 13>과 같이 세팅이 돼야만 하며, 이 ID에 맞지 않을 경우 잘못된 채널의 위상값을 수신하게 된다. 그림의 Dimmer Mother Board는 디머 모듈과 디머 모듈 컨트롤러를 하드웨어적으로 연결하기 위한 기판을 말하며, 다른 기능은 없다.

2. 디머 모듈 컨트롤러의 소프트웨어

⑴ 소프트웨어 알고리즘
디머 모듈 컨트롤러의 소프트웨어는 모두 인터럽트를 사용해 작성되어 있다. 사용된 인터럽트는 총 3가지로 PCA, CAN, 외부 인터럽트이다.
<그림 14>는 인터럽트 내부 수행 알고리즘이다.

마무리

디지털 디머 시스템을 구성하고 있는 디머 장치들(랙 컨트롤러, 콘솔 키보드, 디머 모듈 컨트롤러)의 기능을 정의해 하드웨어를 설계했다. 설계된 하드웨어는 테스트 프로그램을 통하여 각각의 기능을 확인했으며 검증된 기능들은 다음과 같다.

○ 랙 컨트롤러
- 제로 크로싱 신호 발생 회로
- 조광 특성 1승 곡선의 조명 레벨
- CAN/DMX 512 통신의 프로토콜 변환 기능
- LCD/LED/Button을 사용한 사용자 인터페이스
○ 콘솔 키보드
- PC와 USB 통신
- Fader/LED/Button을 사용한 사용자 인터페이스
○ 디머 컨트롤러
- 4개의 SCR을 조정하여 조명기기 제어
- 디머 모듈의 상태(전류, 온도, Install) 센싱

기능을 검증한 실험은 단시간 내에 이루어졌기 때문에 디머 시스템의 내구성이나 장기간 운전 시의 과열 문제 등을 고려하지 않았으며, 이는 시스템의 안정성을 논외로 하여 생각한 것으로 볼 수 있다.
또한 현재 디머 시스템을 조광 특성 1승 곡선으로 실험했기 때문에 다른 특성의 곡선을 반영하지 않았지만, 보다 완벽한 시스템을 위해서는 각 특성곡선의 반영은 필수적으로 구현돼야 할 요소이다.
이러한 문제들은 추후 시간을 가지고 차근히 접근하여 충분한 실험을 통해 이루어져야 하겠다.