2.1 전체 구성

그림 2 무선 펌웨어 다운로드 시스템의 전체 구조

Fig. 2 Overall structure of the wireless firmware download system

그림 2는 무선 펌웨어 다운로드 시스템의 전체 구조를 나타낸다. 제안한 시스템은 호스트 PC, 무선 액세스 포인트(AP), Wi-Fi 모듈 및 DSP 기반 서브모듈 컨트롤러로 구성된 계층적 통신 구조를 사용한다. 호스트 PC와 AP 사이는 기존의 유선 Ethernet 통신을 이용하여 안정적인 데이터 전송을 수행하고, AP와 각 서브모듈 사이는 Wi-Fi를 이용하여 무선으로 연결된다. 이와 같은 혼합형 통신 구조를 적용함으로써 제어반 내부의 안정적인 통신 성능을 유지하면서도 다수의 서브모듈에 대한 반복적인 케이블 연결 없이 원격 펌웨어 다운로드를 수행할 수 있도록 하였다. 호스트 PC는 펌웨어 이미지를 관리하고 유선 Ethernet을 통해 AP로 데이터를 전송하며, AP는 이를 무선으로 각 서브모듈에 전달한다. 각 서브모듈에는 Wi-Fi 모듈이 탑재되어 있으며, UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 직렬 통신 인터페이스를 통해 DSP와 연결된다. 수신된 펌웨어 데이터는 Wi-Fi 모듈을 거쳐 DSP로 전달되고, 부트로더에 의해 처리되어 플래시 메모리에 저장된다. AP는 패널 내부에 고정 설치되며, 사전에 정의된 네트워크 설정을 이용하여 운용된다. 또한 변환기 제어반 내부의 폐쇄형(Local) 무선 네트워크에서만 동작하도록 구성하여 외부 인터넷과 분리된 환경에서 운용된다. 이에 따라 외부 네트워크로부터의 불필요한 접근을 최소화할 수 있으며, 모든 서브모듈은 사전에 설정된 네트워크 정보만을 이용하여 통신을 수행한다. 본 시스템은 기존 제어 시스템의 통신 구조를 변경하지 않고 무선 펌웨어 다운로드 기능만 추가하도록 설계하여 시스템과의 호환성을 유지하였다.

2.2 하드웨어 구성

Wi-Fi모듈은 듀얼 코어 DSP를 중심으로 구성된다. CPU1과 CPU2는 독립적으로 동작하며 각각 별도의 펌웨어를 실행한다. 무선 통신은 Wi-Fi 모듈을 통해 수행되며, 이 모듈은 DSP와 직렬 인터페이스를 통해 연결된다. Wi-Fi 모듈은 DSP의 하드웨어 리셋 신호를 통해 직접 초기화할 수 있도록 구성하였으며, 통신 오류 발생 시 모듈을 안정적으로 재시작할 수 있도록 하였다. 또한 상태 표시용 LED를 통해 부트로더의 동작 단계를 시각적으로 확인할 수 있도록 설계하였다. Wi-Fi 모듈과 DSP 간 통신은 AT 커맨드 기반으로 제어되며, TCP 연결이 수립된 이후에는 투명 모드(transparent mode)로 전환되어 직렬 포트가 TCP 소켓과 직결되는 구조로 동작한다. 이를 통해 상위 플래시 커널 계층에서는 통신 매체에 무관하게 동일한 패킷 구조로 데이터를 처리할 수 있다. 본 시스템에서는 Wi-Fi 모듈이 TCP/IP 프로토콜 처리를 담당하고 DSP는 기존 UART 인터페이스만 사용하도록 구성하였다. 따라서 DSP 응용 프로그램은 통신 매체의 종류와 관계없이 동일한 데이터 처리 구조를 유지할 수 있으며, 향후 다른 무선 통신 모듈을 적용하는 경우에도 DSP 프로그램의 수정 범위를 최소화할 수 있다.

2.3 서브모듈 식별 및 주소할당

다수의 서브모듈을 개별적으로 식별하기 위해 각 컨트롤러 보드에는 식별 정보 설정용 스위치가 장착되며, 이를 통해 보드별 고유 ID를 부여한다. DSP는 부팅 시 해당 ID를 읽어 결정하고, 이를 기반으로 각 서브모듈의 고정 IP 주소를 자동으로 산출한다. 이를 통해 호스트 PC는 보드 ID만으로 특정 서브모듈을 식별하고 통신할 수 있으며, 별도의 수동 설정 없이 다수의 서브모듈을 일괄적으로 관리할 수 있다. 이러한 방식은 사용자가 개별 IP 주소를 직접 설정하지 않아도 되므로 설치 과정에서의 설정 오류를 줄일 수 있으며, 다수의 서브모듈을 일관된 방식으로 관리할 수 있다. 또한 그룹 기반 다운로드 수행 시 대상 서브모듈을 효율적으로 선택할 수 있는 기반을 제공한다.

3.1 부트 시퀀스

DSP에 전원이 인가되거나 리셋이 발생하면 플래시 메모리에 저장된 부트로더가 가장 먼저 실행된다. 그림 3 은 부트로더의 전체 실행 흐름을 나타낸다. 부트로더는 시스템 초기화, 보드 식별 정보 확인, Wi-Fi 모듈 초기화 및 TCP 연결 수립 순서로 동작한 후 펌웨어 수신 대기 상태로 진입한다. Wi-Fi 연결에 실패한 경우에는 다운로드 과정을 건너뛰고 플래시에 저장된 사용자 애플리케이션으로 직접 제어를 전달한다. 정상적으로 TCP 연결이 수립되면 호스트 PC와 연결 확인 절차를 거친 후 펌웨어 다운로드 명령을 대기한다. 이와 같은 부트 시퀀스를 통해 Wi-Fi 연결이 실패하더라도 기존 사용자 애플리케이션을 정상적으로 실행할 수 있으므로, 무선 다운로드 기능의 오류가 시스템의 기본 제어 동작에 영향을 주지 않도록 하였다.

그림 3 부트로더를 이용한 펌웨어 다운로드 절차

Fig. 3 Firmware download procedure using the bootloader

3.2 Wi-Fi 연결 시퀀스

Wi-Fi 연결 절차는 모듈 동작 확인, 네트워크 모드 설정, AP 접속, TCP 서버 접속, 통신 모드 전환 순서로 진행되는 순차적 구조를 갖는다. DSP가 각 단계에서 명령을 전달한 뒤 정해진 시간 동안 응답을 확인하며, 응답이 정상이면 다음 단계로 진행하고 그렇지 않으면 절차를 중단하고 실패 원인을 기록한다. 연결에 실패하면 Wi-Fi 모듈을 재시작시켜 불완전한 상태로 남지 않도록 한다.

모든 단계가 완료되면 통신 모드가 전환되어, 이후 송수신은 별도의 명령어 해석 없이 데이터가 그대로 전달되는 방식으로 동작한다. 이를 통해 상위 계층은 통신 매체와 무관하게 동일한 절차로 펌웨어 다운로드를 진행할 수 있으며, 각 서브모듈은 자신의 식별 정보를 기반으로 접속할 서버 주소를 스스로 구성한다. 각 단계에서는 이전 단계의 완료 여부를 확인한 후 다음 단계로 진행하도록 구성하여 연결 절차의 일관성을 확보하였으며, 연결 실패 시에는 초기상태부터 다시 수행하도록 하여 비정상적인 연결 상태가 유지되지 않도록 하였다.

3.3 플래시 커널 통신 계층

통신 연결이 수립된 후 DSP는 PC와 짧은 신호를 교환하여 연결 상태를 확인한 뒤, 수신되는 명령의 종류를 판별하여 소거, 기록, 검증, 실행 동작으로 처리를 분기하는 루프구조로 동작한다. 각 명령 패킷은 동작 정보, 데이터, Checksum으로 구성된다. DSP는 데이터를 수신할 때마다 Checksum을 계산하여 PC가 보낸 값과 비교하며, 일치하지 않으면 오류로 처리한다. Checksum은 계산량이 작고 구현이 간단하여 DSP 기반 펌웨어 다운로드 시스템에 적합하며, 패킷 전송 과정에서 발생할 수 있는 데이터 오류를 검출하기 위해 적용하였다.

데이터 양이 많은 기록 동작에서는 일정 크기의 데이터 블록마다 Checksum을 확인하여 전송 도중 발생한 오류를 조기에 확인할 수 있도록 한다. DSP는 처리 결과를 응답패킷으로 회신하며, PC는 이 응답을 받은 뒤에야 다음 명령을 전송한다. 응답 패킷에는 명령 수행 결과와 오류 여부가 함께 포함되며, 오류가 발생한 경우 해당 명령은 실패로 처리되어 다음 단계로 진행하지 않는다. 이를 통해 통신 오류나 플래시 처리 오류가 이후 명령으로 전파되는 것을 방지하였다. 이러한 명령-응답 구조와 Checksum 기반 데이터검증 절차를 적용함으로써 무선 통신 환경에서 발생할 수 있는 데이터 손실이나 전송 오류를 조기에 검출할 수 있으며, 오류 발생 시 다음 단계의 수행을 차단하여 통신 및 플래시 기록의 신뢰성을 확보하였다.

플래시 처리 방법은 앞서 분류된 네 가지 동작을 실제로 수행한다. 소거 동작은 PC가 지정한 영역을 소거한 후, 해당 영역이 완전히 비워졌는지 재확인한다. 소거 검증에 실패한 경우에는 이후 기록 동작을 수행하지 않고 오류를 PC로 회신하여 잘못된 플래시 갱신을 방지하였다.

3.4 플래시 처리 방법

이미 소거된 영역에는 중복 소거를 수행하지 않는다. 기록 동작은 펌웨어 데이터를 블록 단위로 나누어 순차적으로 플래시에 기록한다. 대상 영역이 아직 소거되지 않았다면 기록 전에 자동으로 소거하며, 한 블록을 기록한 직후 Checksum을 이용하여 해당 블록의 데이터 무결성을 확인하고, 이상이 없는 경우에만 다음 블록 기록을 수행하여 오류를 조기에 검출한다. 검증에 실패한 블록은 이후 데이터 기록을 중단하고 오류 상태를 유지하며, PC는 해당 응답을 수신한 후 다운로드 절차를 종료한다. PC에 중간 결과를 회신하며 진행하고, 전송할 데이터가 없으면 종료한다.

검증 동작은 기록 완료 후 PC가 보유한 원본 데이터와 플래시에 기록된 내용을 블록 단위로 비교하여 최종 일치 여부를 확인한다. 이 과정에서도 각 데이터 블록의 Checksum을 재계산하여 PC가 보유한 Checksum과 비교함으로써 전송 과정 및 플래시 기록 과정에서 발생할 수 있는 데이터 오류를 검출한다. 불일치가 발견되면 해당 다운로드는 실패로 처리되며, 오류 위치와 함께 PC에 통보되어 사용자가 재다운로드를 수행할 수 있도록 하였다.

실행 동작은 PC로부터 명령이 수신되면 응답을 먼저 회신한 후, 대상 코어의 사용자 애플리케이션으로 제어를 넘긴다. 해당 영역에 유효한 펌웨어가 있는지 먼저 확인하며, 두 코어를 모두 갱신한 경우 하나의 명령으로 양쪽 코어가 함께 구동된다.

모든 플래시 동작은 일반 프로그램 실행 영역과 분리된 RAM 영역에서 수행되어, 플래시 갱신 중 해당 코드 자체가 영향을 받는 상황을 방지한다. 또한 각 단계의 처리 결과는 모두 PC에 회신되어 사용자가 다운로드 진행 상태와 오류 발생 여부를 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다.

3.5 PC 소프트웨어 구조

호스트 PC 소프트웨어는 .NET 8 기반 WPF(Windows Presentation Foundation) 애플리케이션으로 구현되었으며, MVVM(Model-View-ViewModel) 패턴을 적용하여 UI와 통신 로직을 분리하였다. 그림 5는 구현된 HMI 프로그램의 메인 화면을 나타낸다. 화면 좌측에는 TCP 서버 영역이 위치하며, 서버의 IP 주소와 포트 번호를 표시하고 서버 동작을 시작하거나 종료할 수 있다. 그 아래에는 그룹별 접속 허용 여부를 설정하는 영역과, 다운로드를 진행할 그룹을 선택하는 영역이 배치되어 있다. 화면 중앙에는 CPU1과 CPU2에 대한 작업 영역이 각각 독립적으로 구성되어 있으며, 각 영역에서 펌웨어 파일을 선택하고 소거, 검증, 기록, 실행 명령을 개별적으로 실행할 수 있다. 화면 하단에는 디바이스 목록이 표시되며, 각 서브모듈의 IP 주소, TCP 연결 상태, CPU1과 CPU2의 동작 상태 및 애플리케이션 버전, 다운로드 진행률, 마지막 오류 정보를 한 화면에서 실시간으로 확인할 수 있다. 화면 우측의 로그 영역에서는 연결 및 다운로드 과정에서 발생하는 이벤트가 시간순으로 기록되어, 동작 중 발생하는 상황을 추적할 수 있다.

다운로드 진행 중에는 중복 명령 전송을 방지하는 잠금 구조를 적용하였으며, 작업 완료 또는 예외 발생 시 반드시 잠금을 해제하도록 하여 동작 안정성을 확보하였다. 이를 통해 동일한 대상에 대한 중복 다운로드나 사용자 조작으로 인한 충돌을 방지할 수 있도록 하였다.

3.6 PC-DSP 연동 동작

PC 소프트웨어와 DSP 펌웨어는 서로 다른 환경에서 독립적으로 구현되었으나, 동일한 패킷 구조를 공유하여 하나의 시스템으로 동작한다. PC는 TCP 서버로서 DSP의 접속을 대기하며, DSP는 부트로더 동작 시 TCP 클라이언트로서 PC에 접속을 시도한다. 즉 전원 인가 시 다수의 서브모듈이 능동적으로 PC를 찾아 연결하는 구조이다.

연결 후에는 PC가 명령을 먼저 송신하고 DSP가 처리한 뒤 결과를 회신하는 흐름을 따른다. 예를 들어 사용자가 소거를 실행하면 PC는 대상 영역 정보를 담은 명령을 전송하고, DSP는 해당 영역을 소거한 뒤 결과를 응답한다. 기록 과정에서는 PC가 펌웨어 데이터를 블록 단위로 나누어 전송하고, DSP는 블록을 기록할 때마다 중간 결과를 회신한다. PC는 DSP의 응답을 확인한 후에만 다음 데이터 블록을 전송하므로, 무선 통신 중 오류가 발생한 경우 해당 블록에서 다운로드를 중단하고 재시도할 수 있다. 검증 단계도 동일한 방식으로 블록 단위 비교 결과를 주고받으며, 모든 검증이 끝나면 PC 화면에 완료 상태가 표시된다. 실행 명령이 전송되면 DSP는 응답을 먼저 회신한 후 제어를 사용자 애플리케이션으로 전환하며, CPU1과 CPU2는 독립적으로 다운로드를 진행할 수 있고 완료 후에는 하나의 명령으로 함께 구동된다. 이와 같은 연동 구조를 통해 PC와 DSP는 단계별 명령 확인과 처리 결과 회신을 반복하며 다운로드를 수행하므로, 이와 같은 구조를 통해 무선 통신 환경에서도 안정적인 펌웨어 다운로드 및 플래시 갱신이 가능하도록 구성되었다.

4.1 동시 다운로드 문제

대규모 MMC 시스템에서 모든 서브모듈에 동시에 펌웨어를 다운로드할 경우 무선 네트워크에 트래픽이 집중되어 통신 지연 및 데이터 손실이 발생할 수 있다. 또한 다수의 DSP가 동시에 플래시 기록을 수행하면 각 서브모듈의 처리 완료 시점이 분산되어 전체 다운로드 흐름의 동기화가 어려워진다. 시스템 전원 인가 시 모든 서브모듈이 동시에 부팅되어 TCP 서버에 접속을 시도하므로, 서버 측에서 접속 허용 범위와 다운로드 대상을 별도로 관리할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 네트워크 부하를 분산하고 다운로드 과정을 안정적으로 관리하기 위해 그룹 기반 순차 다운로드 방식을 적용하였다.

4.2 그룹 기반 순차 다운로드

제안된 시스템은 서브모듈을 다수의 그룹으로 분할한 후, 그룹 단위로 순차적인 펌웨어 다운로드를 수행하도록 구성하였다. TCP 서버는 전체 서브모듈의 접속을 허용하되, 실제 펌웨어 전송은 호스트 PC 소프트웨어에서 선택한 그룹에 속한 서브모듈에 대해서만 수행한다. 그림 6은 그룹 기반 다운로드 방식의 동작 구조를 나타낸다. 한 그룹의 다운로드가 완료되면 다음 그룹을 선택하여 동일한 절차를 반복하며, 이 과정을 전체 그룹에 대해 순차적으로 진행한다. 다운로드가 진행되지 않는 그룹의 서브모듈은 TCP 연결을 유지한 상태에서 사용자 애플리케이션을 정상적으로 실행하며, 선택된 그룹의 서브모듈만 다운로드 모드를 유지한다. 그룹기반 방식은 단위 시간당 네트워크 트래픽을 제한하여 통신 안정성을 향상시키고, 특정 그룹만 선택적으로 업데이트할 수 있어 운용 유연성을 높인다. 본 연구의 대상 시스템은 DC10kV 이하 시스템으로, 서브모듈의 정격전압을 1 kV로 설계하였다. 이에 따라 상단 암과 하단 암은 각각 최대 10개의 서브모듈로 구성되므로, 하나의 그룹을 10개의 서브모듈로 구성하였다. 따라서 제안한 그룹 기반 다운로드 방식은 서브모듈 수가 증가하는 대규모 MMC 시스템에도 동일한 구조로 적용 가능하며, 시스템 규모에 따라 그룹 크기와 다운로드 순서를 유연하게 설정할 수 있다. 이를 통해 시스템 규모가 증가하더라도 네트워크 부하를 효과적으로 분산하면서 안정적인 펌웨어 다운로드를 수행할 수 있다.

그림 6 그룹 기반 다운로드 방식의 동작 구조

Fig. 6 Operation structure of the group-based download method

5.1 실험 구성

제안된 시스템의 검증을 위해 듀얼 코어 DSP와 Wi-Fi 모듈이 탑재된 서브모듈 컨트롤러를 기반으로 실험 환경을 구성하였다. 호스트 PC와 패널 내부에 고정 설치된 무선 AP를 이용하여 무선 통신 환경을 구성하였으며, WPF 기반 HMI 프로그램을 통해 펌웨어 업로드 및 제어 기능을 구현하였다. 검증 단계에서는 20개의 서브모듈 컨트롤러를 대상으로 펌웨어 다운로드 실험을 수행하였다. 또한 CPU1과 CPU2에 대한 펌웨어 다운로드, 플래시 소거, 기록, 검증 및 실행 과정을 각각 수행하였으며, HMI 프로그램을 통해 각 단계의 진행 상태와 결과를 실시간으로 확인하였다.

5.2 실험 결과

실험 결과, 호스트 PC에서 전송한 펌웨어 데이터가 Wi-Fi 네트워크를 통해 각 서브모듈의 Wi-Fi 모듈로 정상적으로 전달되었으며, DSP에서 이를 수신하여 플래시 메모리에 안정적으로 기록함을 확인하였다. 소거, 기록 및 검증의 모든 단계가 오류 없이 수행되었으며, Checksum 오류는 발생하지 하였다. 검증 단계에서는 20개의 서브모듈 컨트롤러를 대상으로 펌웨어 다운로드 실험을 수행하였다. 또한 CPU1과 CPU2에 대한 펌웨어 다운로드, 플래시 소거, 기록, 검증 및 실행 과정을 각각 수행하였으며, HMI 프로그램을 통해 각 단계의 진행 상태와 결과를 실시간으로 확인하였다. 5.2 실험 결과, 호스트 PC에서 전송한 펌웨어 데이터가 Wi-Fi 네트워크를 통해 각 서브모듈의 Wi-Fi 모듈로 정상적으로 전달되었으며, DSP에서 이를 수신하여 플래시 메모리에 안정적으로 기록함을 확인하였다. 소거, 기록 및 검증의 모든 단계가 오류 없이 수행되었으며, Checksum 오류는 발생하지 않았다.

그림 7 실험 환경 및 결과 화면

Fig. 7 Experimental environment and result screen

다운로드 성공률은 100%를 기록하였으며, 20개의 서브모듈 모두에서 정상적으로 펌웨어 다운로드가 완료되었다. 동일한 조건에서 반복 다운로드 실험을 수행한 결과에서도 모든 다운로드가 정상적으로 완료되어 100%의 성공률을 유지하였다. 또한 CPU1과 CPU2에 대해 각각 독립적인 다운로드 및 실행을 수행한 결과 두 코어 모두 정상적으로 동작하였으며, HMI 화면에서 CPU1 및 CPU2의 애플리케이션 버전 정보가 정상적으로 표시되어 펌웨어 갱신이 성공적으로 완료되었음을 확인하였다. 림 7은 실험 환경 및 HMI 화면을 나타낸다. 기존 JTAG 유선 방식에서는 서브모듈 수에 비례하여 케이블 연결 및 다운로드작업을 반복해야 하는 반면, 그제안한 시스템에서는 호스트 PC 소프트웨어에서 그룹을 선택하여 다수의 서브모듈에 대해 순차적으로 다운로드를 수행할 수 있었다. 이를 통해 반복적인 케이블 연결과 패널 접근 작업을 제거하여 유지보수 절차를 단순화하였으며, 그룹별 다운로드 방식으로 작업 절차를 감소시키고 유지보수 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이상의 실험 결과를 통해 제안한 Wi-Fi 기반 펌웨어 다운로드 시스템은 다수의 서브모듈에 대해 안정적인 무선 다운로드가 가능함을 확인하였다. 또한 그룹 기반 순차 다운로드 방식을 적용함으로써 네트워크 부하를 효과적으로 관리하면서 유지보수 과정의 작업 효율성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 제안한 시스템은 기존 JTAG 기반 방식에서 요구되던 반복적인 물리적 접근을 제거하여 대규모 MMC 시스템의 유지보수 편의성을 향상시키는 데 효과적임을 확인하였다.