대우일렉트로닉스 – 세계 최초 MPEG 동영상 재생의 연속 회전디스크 홀로그래픽 저장장치를 위한 CompactRIO 서보 컨트롤 시스템

Author(s):
강병복 선임연구원 - 대우일렉트로닉스 DM연구2팀

Industry:
Electromechanics/ Electrotechnics

Products:
CompactRIO

The Challenge:
정보 저장장치는 정보통신, 정보처리와 함께 멀티미디어 시대의 3대 산업 중의 하나로, 관련 기술의 연구개발 방향은 기존 광 저장장치 및 자기 저장장치를 포함한 2차원 저장장치의 기술 한계를 극복하기 위하여 3차원 저장장치 (3-Dimensional Storage)로의 패러다임이 천이될 것으로 예상되는 가운데, 최근 큰 주목 하에 연구되고 있는 3차원 저장장치 기술이 홀로그램을 이용한 광 저장장치이다.

The Solution:
Holographic Data Storage의 연구 개발 방향은 그림 2와 같이 페이지 단위로 데이터를 기록하고 페이지 단위로 데이터를 읽는 병렬 데이터 기록/재생 시스템으로 원리상 페이지 지향적인 메모리(Page-oriented Memory)로써 입출력 방식으로 LCD, CCD, CMOS등을 이용한 병렬 신호처리 방식을 사용함으로써 근본적으로 데이터 전송률(Data Transfer Rate)을 1Gbps 정도로 고속화 시킬 수 있으며 데이터 접근 시간(Access Time)도 수십 sec 수준으로 매우 빠르게 구현할 수 있고 저장밀도 측면에서도 이론적으로는 1Tbit/cm3의 고밀도 기록이 가능한 장점을 지니고 있다.

홀로그래픽 정보 저장 장치에 대한 소개
정보 저장장치는 정보통신, 정보처리와 함께 멀티미디어 시대의 3대 산업 중의 하나로, 관련 기술의 연구개발 방향은 기존 광 저장장치 및 자기 저장장치를 포함한 2차원 저장장치의 기술 한계를 극복하기 위하여 3차원 저장장치 (3-Dimensional Storage)로의 패러다임이 천이될 것으로 예상되는 가운데, 최근 큰 주목 하에 연구되고 있는 3차원 저장장치 기술이 홀로그램을 이용한 광 저장장치이다. Holographic Data Storage의 연구 개발 방향은 그림 2와 같이 페이지 단위로 데이터를 기록하고 페이지 단위로 데이터를 읽는 병렬 데이터 기록/재생 시스템으로 원리상 페이지 지향적인 메모리(Page-oriented Memory)로써 입출력 방식으로 LCD, CCD, CMOS등을 이용한 병렬 신호처리 방식을 사용함으로써 근본적으로 데이터 전송률(Data Transfer Rate)을 1Gbps 정도로 고속화 시킬 수 있으며 데이터 접근 시간(Access Time)도 수십 sec 수준으로 매우 빠르게 구현할 수 있고 저장밀도 측면에서도 이론적으로는 1Tbit/cm3의 고밀도 기록이 가능한 장점을 지니고 있다.

그림 1. 롤로그래믹 정보 저장 창치와 한국NI CompactRIO

그림 2. 시스템 다이어그램 및 기록/재생

그림 3. Disk Type HDDS / Card Type HDDS / Cubic Type HD

NI의 CompactRIO를 이용한 Prototype의 구현
우선 시스템에서 제어를 해야 하는 부분이 액츄에이터 3개와 CMOS 카메라의 Enable/Disable의 판단과 제어 이렇게 4가지로 요약할 수 있다. 이때, 각각의 액츄에이터들은 정밀한 제어를 요하기 때문에, feedback신호를 받아서 제어하고 디스크의 위치에 따라 위치 정보를 알려주는 센서까지 부착하여 실시간 모니터링 하였다.
NI의 CompactRIO 장비는 다른 컴퓨팅 보드와는 달리, 자체 펄스를 생성하는 부분까지 coding하는 low level부분까지 담당하는데, 장비를 세밀하고 유저가 원하는 대로 제어할 수 있는 장점이 있지만, 모든 기능들을 coding으로 구현해야 한다는 단점이 있다. 시스템의 액츄에이터 중에서 모터 부분이 좀 까다로운 부분이었는데, 가속과 감속에 대한 함수를 자체 설계를 해서 모터가 미끄러지는 현상 없이 제어해야 했기 때문이다. 그림 3의 Block Diagram에서 왼쪽 하단의 점선이 CompactRIO와 자체 제작한 Terminal 기능을 겸한 보드를 나타내고 있다. 이 중에서 각 액츄에이터의 driver부분은 별도 제작하여 CompactRIO와 연결시켰다. 그림에서 보듯이 CompactRIO가 feedback신호를 받아서 가감속 제어를 하며, 동영상 재생을 위해서 대우 자체의 신호처리 기술로 개발된 FPGA보드와 통신하는 부분까지 담당하였다. 이는 상당한 속도로 변하는 MPEG decoder 앞 단의 버퍼에 쌓여진 데이터들의 양을 체크하여 Data Transfer Rate를 조절하는 것을 나타내고 있다.

그림 4. Video Demonstration을 위한 Control Block Diagram

그림 5는 실제 위의 설계들을 그대로 구현한 것을 보여주고 있다. 오른쪽 상단의 시스템 그림이 이번 2005 한국 전자 전시회에 전시되었던 시스템의 사진이다. 실제 시스템과 LabVIEW로 실시간 제어는 물론, 안정적인 동작을 유지할 수 있었던 좋은 사례였다. 무엇보다도 S/W를 정확하게 버그 없이 코딩하는 것도 중요했겠지만, 장비들과 보드간의 통신들을 놓치거나, 오작동을 일으키지 않았기 때문에, 전시회 기간 동안의 안정적인 성능은 회사에 좋은 결과와 함께 제품에 대한 신뢰를 남기게 되었다.

그림 5. 대우 HDDS Proto II를 제어하는 LabVIEW 환경

HDDS Prototype II 시스템의 효과 및 영향
이번 프로토 타입의 개발은 무에서 유를 창조하였다는 것에 큰 의미가 있다. 국내뿐만 아니라, 세계적으로도 참고거나 모방할 만한 시스템이 없기 때문에 대부분의 것들을 독자적으로 연구 개발하게 되었다. 개발 기간만 수개월 예상했던 수천 만원대의 DSP chip Board 개발을 FPGA 기반인 NI CompactRIO로 바꾸어서 성능의 저하 없이 비용을 수백 만원 대로, 또한 개발기간을 1개월로 단축하여 홀로그래픽 저장 장치 업계에선 처음으로 이번 KES 2005(한국 전자 전시회 2005)에 출품하여 호평을 받았다. 광 스토리지 업계의 로그맵에서 차세대 저장매체인 홀로그래픽 광 정보 저장장치의 신속한 대응으로 말미암아 국제적인 표준화 대응에 대한 기술 우위를 확보하게 되었고, 이에 적지 않은 역할을 한 한국내쇼날인스트루먼트에도 감사 드린다. National Instruments의 재구성 가능한 고속의 FPGA 장비를 사용하여 주어진 프로젝트를 이렇게 신속하고 깔끔하게 마칠 수 있었다는 것에 놀라울 뿐이다.

그림 6. 대우 Prototype 의 “2005한국전자전”에서의 시연 모습

그림 7. 05. 11월에 동아일보에 게재된 개발에 관련된 기사

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강병복 선임연구원
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