[첨단 헬로티]

테스트 비용 90% 절감, 마쯔다 자동차 전기화 가속

"NI 테스트 플랫폼 및 에코 시스템을 활용해 HILS뿐만 아니라 로봇, 이미지 처리 시스템, 음성 합성 시스템, 노이즈 시뮬레이터, GPS 시뮬레이터를 성공적으로 개발했고, 이를 바탕으로 전자 부품용 통합 자동 테스트 시스템을 구축했다. 수반되는 수동 작업 및 결과 판단 등의 업무에 소요되는 시간이 모두 90% 가까이 단축되어 연간 수억 엔이 절감됐다" 

- 도모히코 아다치(Tomohiko Adachi) 마쯔다 모토(Mazda Motor Corporation)  수석 엔지니어

복잡해지는 테스트 환경에서 로직 및 견고성 평가

누구나 알고 있듯 차량에 내장되는 전자 장치의 수는 나날이 증가하고 있다. 전자 장치는 자동 앞 유리 와이퍼와 도어록뿐 아니라 이제 조명, 에어컨, 파워트레인, 인포테인먼트 및 심지어 다양한 종류의 안전 시스템을 포함한 많은 차량 구성 요소의 일부가 됐다. 초기 자동차에는 소량의 CPU만 장착돼 있었지만 요즘은 자동차 한 대에 탑재되는 CPU의 수만 100개에 이른다. 

마쯔다(Mazda)의 '전자장치 테스트 및 연구 그룹(Electronics Testing and Research Group)'은 파트너사에게 고품질의 제품을 제공하기 위해 모든 전자 부품의 '로직'과 '견고성'을 평가한다. '로직'은 각 전자 부품의 기능을 의미한다. '견고성'의 개념을 이해하려면 먼저 전자 부품의 작동 환경이 항상 이상적인 상태가 아니라는 점을 이해해야 한다. 예를 들어 변동폭이 큰 전원 전압, 높은 레벨의 노이즈 또는 바람직하지 않은 품질의 입력 신호 적용과 같은 극한 조건에서도 전자 부품이 사용될 수 있도록 한다. 견고성은 극한 환경에서 올바른 로직으로 작동하는 구성 요소의 기능을 의미한다. 즉, 각 전자 부품이 이러한 어려운 조건을 얼마나 견딜 수 있는지 그 정도를 평가하고자 했다.

전자 부품의 로직 및 견고성에 대한 평가는 늘 진행돼 왔다. 전자 부품 수가 얼마 되지 않고 단순 기능만 수행했던 시절에는 각 구성요소를 특수하게 준비된 환경에서 개별적으로 테스트했다. 하지만 전자 부품이 점차 다양해지고 기능도 복잡해짐에 따라 몇 가지 문제들이 대두되기 시작했다. 이제는 여러 전자 시스템 간에 통신이 이뤄지고 있으며, 한 시스템의 작동이 다른 시스템의 결과에 따라 좌우되는 방식이 점차 늘어나고 있다. 따라서 시스템의 개별적인 테스트 외에도 멀티 시스템 테스트를 수행해야만 이러한 시스템의 기능을 의미 있게 평가할 수 있다. 뿐만 아니라 시스템의 견고성도 평가해야 한다. 하지만 구성 요소와 유닛이 점차 다양해짐에 따라 평가해야 할 항목 수가 기하급수적으로 증가하고 있다. 평가 시스템을 자동화해야 할 명분이 분명해진 것이다.  

마쯔다가 시장의 이러한 수요를 인지한 것은 대략 10년 전이었다. 하지만 당시에는 모든 요구 사항을 충족하는 평가 시스템이 존재하지 않았다. 따라서 문제를 정면으로 돌파해보기로 결정했다. 즉, 로직(기능)을 검증하고 연동되는 전자 부품의 견고성을 철저하게 평가할 수 있는 시스템을 구축하고 자동화하기로 결정한 것이다. 

소프트웨어 형식의 자동 테스트 시스템 구축

당시 마쯔다에서 구축하려 한 시스템은 규모가 매우 크고 복잡했다. 개발 작업이 수년쯤 걸리고 단계적으로 진행될 것으로 예상됐다. [그림 1]은 첫 번째 단계의 도식이다. 1단계 시스템은 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation) 엔진, 로봇 및 이미지 처리 시스템 등의 요소로 구성된다. HILS 엔진의 경우 PXI(측정용 PCI 확장) 제품과 RIO(재구성 가능한 I/O) 모듈로 구성된 NI HILS 시스템이 사용됐다. 이러한 하드웨어 제품에서 작동하는 소프트웨어는 랩뷰(LabVIEW) 시스템 디자인 플랫폼을 사용하여 개발됐다.

HILS를 이 시스템에 통합한 이유는 다음과 같다. 첫째, 마쯔다는 개발 및 달성에 있어 '세계 최초'라는 타이틀을 거머쥐기 위한 강력한 의지를 가지고 있다. 마쯔다의 경우, 경쟁에서 앞서고자 모델 기반 솔루션의 개발 및 실제 사용을 진전시키는 데 중점을 두고 있다. 이러한 혁신의 문화에서 가능하면 모델을 활용해 전자 부품을 평가하려는 시도는 당연했다. 하지만 특정 부품은 간단하게 모델링하기가 불가능하다는 점을 깨달았다. 모델링이 적합하지 않은 부품에는 대체 시스템을 사용하는 것이 일반적이었지만, 그 대신 마쯔다는 HILS 시스템의 기능을 확장하기로 결정했다. NI의 PXI 플랫폼은 다양한 테스트 시스템을 구축하는 데 적합하므로 HILS 부분과 확장 부분을 단일 시스템 상에서 구축할 수 있었다.

특정 부품의 경우 모델로 변환할 수가 없으며, 인간과 자동차 간의 인터페이스 구현은 상당히 어려운 작업이다. 모델 기반 형식으로 변환이 불가능한 구성 요소의 가장 쉬운 예로 속도계를 들 수 있다. 차량 속도의 값으로 '50km/h'를 표시하는 속도계가 있다고 가정해보자. 이 경우 컨트롤러는 '50km/hr'을 표시하는 명령을 전기 신호로 발생시킨다. 이러한 신호는 시뮬레이션 중에 평가할 수 있으며 실제 차량에서도 확인할 수 있다. 

시스템이 올바르게 작동하는 한 속도계는 신호 수신 결과인 '50km/h'를 표시할 것이다. 그러나 '50 km/h'가 실제로 표시되는지 확인하려면 사람이 눈으로 직접 결과를 봐야 한다. 즉, 운전자가 자동차에서 들어온 정보를 인지하는 프로세스는 모델로 변환할 수 없다. 마찬가지로, 자동차와 정보를 주고받기 위해 운전자가 수행하는 작업도 모델링할 수 없다. 예를 들어 운전자는 버튼을 눌러 에어컨을 켜거나 끌 수 있으며 터치 패널을 탭하여 네비게이션 시스템을 작동할 수 있다. 이러한 작업으로 인해 발생하는 미묘한 상태 변화를 정확히 복제하는 모델을 구축하는 일은 불가능하다.

모델 없이 시스템을 검증하는 것은 매우 어려웠지만, 마쯔다는 "Be a driver"라는 모토에 따라 추가적으로 노력을 기울여 어려운 검증 업무에 필요한 테스트 엔지니어링 전략 및 방법을 개발하기로 했다. 앞서 설명한 대로 운전자와 자동차 간의 상호 작용을 모델링하는 일은 매우 어렵다. 최대한 단순하게 생각해보면, 운전자가 자동차(전자 부품)와 통신하려면 버튼과 같은 특정 장치의 조작이 있어야만 한다. 그리고 이러한 조작을 수행하려면 사람의 손이 당연히 필요하다. 실제 현실에서는 수동으로 테스트를 진행하는 것이 일반적이지만 수동 테스트에는 막대한 시간과 노력이 소모된다. 따라서 평가를 자동화하는 메커니즘을 개발하는 것이 중요했으며, 메커니즘 개발을 위해 전자 부품을 작동시키는 로봇을 추가했다. 이 컴퓨터 제어 로봇이 사람 대신 버튼을 누르고 터치 패널을 조작하도록 만들었다. 

자동차(전자 부품)에서 운전자에게 정보를 전달하는 방법도 고려해야 했다. 다시 속도계를 예로 들면, 전통적인 테스트 프로세스에서는 '50km/h'가 실제로 표시되었는지 확인하기 위해 사람이 직접 눈으로 디스플레이를 확인했다. 이 평가 부분을 자동화하기 위해 이미지 처리 시스템을 추가했다. 구체적으로 자동 프로세스에는 속도계의 디스플레이를 카메라로 촬영하고, 그 후 확보한 이미지를 처리하여 결과가 올바른지 여부를 결정하는 작업이 포함된다. 

7 세그먼트 LED 디스플레이를 사용해 속도를 표시한 경우, 카메라는 LED 디스플레이를 촬영하고 확보한 이미지를 처리하여 숫자를 식별하고 표시된 속도를 확인한다. 속도가 아날로그 방식인 바늘(Needle)로 표시되는 경우에는 이미지 처리를 사용하여 바늘의 각도를 측정하고, 이 값을 이용해 시간당 킬로미터 단위의 속도를 계산한다. 컨트롤 유닛과 디스플레이의 신호를 모니터링하고 비교하는 방식을 통해 시스템은 속도가 올바르게 표시되는지 판단할 수 있다.

이 시스템에서는 소프트웨어 형식의 가상 시스템(가상 전자 부품)을 사용해 각 전자 부품을 대체할 수도 있다. 모든 전자 부품이 완성될 때까지 평가를 진행할 수 없다는 점은 엄청난 제약이다. 가능한 한 빨리 테스트를 시작하고 결과를 얻고자 했으므로, 가능하다면 실제 전자 부품 대신 가상 전자 부품을 사용했다. 이 가상 부품은 실제 부품과 유사하게 작동할 뿐만 아니라 외관 및 느낌도 실제 부품과 매우 흡사하다. 가상 부품을 활용하는 이러한 기능 덕분에 유연한 테스트가 가능해졌다. 테스트의 내용에 따라 필요한 경우 실제 부품 사용이 가능하지만, 그렇지 않은 경우에는 가상 부품을 사용할 수 있다.

지금까지 자동 테스트 시스템의 부품을 검증하는 로직에 대해 설명했다. 로직 외에도 견고성 평가 기능을 추가할 필요가 있었다. 마쯔다는 견고성 검증을 매우 중시하며, 단순히 로직이 올바른 것인지 그 여부를 결정하는 일 이상의 작업이 필요했다. 마쯔다에서 견고성을 평가하려면 우선 논리적으로 올바른 작업이 한계에 도달하는 조건을 확인한 다음 마진의 양을 결정한다. 평가 통과에 필요한 마진의 양은 독립적인 내부 표준에 따라 결정된다. 이 평가 프로세스를 통해 회사는 우수한 사용자 경험을 제공하는 동시에 마쯔다 및 공급 업체의 설계 부서에 정확한 피드백을 제공할 수 있다.

견고성 테스트에 이용되는 가장 대표적인 조건은 변동이 심한 전원 전압과 높은 노이즈 환경이다. 예를 들어 평가 대상인 전자 부품이 정확하게 작동을 멈추는 지점을 확인하기 위해 전원 공급장치의 전압을 변경할 수 있다. 높은 노이즈 환경에서 견고성을 평가하기 위해 2단계(Second Stage) 시스템용 노이즈 시뮬레이터가 추가됐다[그림 1].

▲그림 1. 첫 번째 단계의 도식

하지만 불리한 조건에서의 로직 성능이 견고성 평가를 받는 유일한 요소라고 할 수는 없다.  자동차 기능에는 자동차를 작동시키기 위한 음성 명령 기능이 포함되며, 이 또한 견고성 평가의 대상이 된다. 이러한 종류의 견고성 평가를 위해 음성 합성 시스템도 추가됐다. 이 시스템은 일본어와 영어 모두와 호환되며, 다양한 강약 및 표현 방식을 가진 남녀노소의 목소리를 사용하여 음성 명령을 내보낸다. 이처럼 다양하게 변형되는 명령에도 불구하고, 얼마나 지침을 정확히 인식할 수 있는지 파악하기 위해 시스템의 견고성 평가가 필요했다. 

세 번째 단계에서는 GPS 시뮬레이터가 추가됐다. 이 GPS 시뮬레이터는 일본 전역의 여러 위치에서 GPS 좌표용 모의(Mock) 무선 신호를 생성하는 데 사용됐다. 덕분에 실제로 여러 장소로 이동하지 않고도 모의 평가를 수행할 수 있었다. GPS 시뮬레이터의 변화무쌍한 전파 강도에도 시스템이 올바르게 작동할 수 있는지를 평가하고자 했다. 이는 견고성 평가에 포함되는 또 다른 요소였다. 이 세 번째 단계에서는 작동 로봇을 한 번에 여러 위치를 터치 또는 탭할 수 있는 형식으로 업데이트했다. 

네 번째 단계에서는 GPS 시뮬레이터가 전 세계적으로 사용될 수 있도록 업그레이드됐다. 또한 음성 합성 시스템에 스페인어 지원을 추가했다. 보안 취약점을 탐지하기 위한 블루투스 신호 분석기와 퍼즈(Fuzz) 테스트 툴도 추가했다[그림 2]. 문제는 위에서 논의한 모든 기능을 갖춘 시스템을 설치하려면 상당한 규모의 공간이 필요하다는 점이다. 따라서 보다 편리한 테스트를 위해 전체 시스템을 소형 시스템 단위로 분할했고, 분할된 각 시스템에는 원래 시스템에서 선별된 기능을 포함시켰다[그림 3, 그림 4].  

▲그림 2. 네 번째 단계의 도식 

▲그림 3. 분할된 소형 시스템의 외관 1

▲그림 4. 분할된 소형 시스템의 외관 2

이러한 방식으로 여러 개의 연동형 전자 부품의 로직 및 견고성을 자동으로 평가할 수 있는 시스템을 구축하는 데 성공했다. 앞서 언급했듯 마쯔다에서 개발한 시스템은 이전에는 존재하지 않았으며, 완전히 새로운 개념에 기반하고 있다. 게다가 매우 복잡하고 규모가 큰 시스템이었다. 이러한 성과를 달성하는 데 기여한 몇 가지 요인들이 있다.

우선 마쯔다의 '전자장치 테스트 및 연구 그룹'이다. 다시 말해 마쯔다가 자체 전문 테스트 엔지니어링 팀을 보유하고 있다는 사실이 성공에 중요한 역할을 했다. 전자 부품 평가 기술에 한계가 보이기 시작하면, 테스트 엔지니어는 어떠한 변화를 주어야 할지 고민한다. 여러 테스트 업무를 외부에 아웃소싱한 경우 이러한 복잡한 문제 해결은 불가능하다. 고도로 전문화된 사내 팀의 존재는 가능한 솔루션과 해당 구현 방법을 철저히 탐구할 수 있다는 사실을 의미한다.즉, 마쯔다가 이러한 문제를 해결하는 데 주도적인 역할을 할 수 있도록 자체 내부 조직을 갖추는 것이 매우 중요했다.

또 다른 기여 요인은 NI 제품군이다. NI의 강점 중 하나는 파트너 및 관련 회사의 호환 제품을 포괄하는 NI 플랫폼 중심 에코시스템이다. 마쯔다가 구축한 시스템에는 로봇, 이미지 처리 시스템, 음성 합성 시스템 및 기타 여러 요소가 통합됐다. 단일 회사의 제품으로부터 이러한 모든 요소를 확보하기란 어렵다. 그 대신, 여러 회사의 제품 중에서 최적의 요소를 선정하고, 이 요소들을 랩뷰 및 기타 솔루션을 사용해 NI의 HIL 시스템과 통합했다. 이것이 성공의 핵심 요소가 됐고, NI 에코시스템의 기여가 매우 컸다고 할 수 있다. 보편적으로 적용되는 턴키 솔루션을 적용할 수도 있었지만, 최초의 시스템을 구축한다는 목표를 고려할 때, NI 솔루션이 마쯔다의 요구에 가장 잘 부합했다.

또한, NI 제품이 제공하는 고성능과 고수준의 자유로운 프로그래밍 지원 환경은 본 시스템을 개발하는 데 필요한 완벽한 여건을 제공했다. 하드웨어 성능 면에서 높은 샘플링 속도(시간 해상도)는 중요한 요소이며, 시스템 로직 검증에는 밀리초 단위의 시간 해상도가 필요했다. 반면 노이즈의 영향은 마이크로초 단위로 샘플링하지 않는 한 평가할 수 없었다. NI 하드웨어는 마이크로초 단위로 샘플링할 수 있는 유일한 제품이었다. 

여기에 NI 하드웨어에는 사용자 프로그래밍이 가능한 FPGA가 내장돼 있다. 이 정도 수준의 자율성을 지원하는 제품은 NI 하드웨어뿐이다. 턴키 방식 솔루션의 경우, 사용자가 각각 업데이트된 자동차 세대별로 완전히 새로운 시스템을 구입해야 할 가능성이 높다. 턴키 솔루션과 달리 NI 솔루션은 유연하고 지속 가능하다. 선택 모듈을 추가하거나 수정하기만 하면 거의 모든 NI 하드웨어를 계속 사용할 수 있다. 이 시스템의 또 다른 큰 장점은 미래의 수요에 적응하는 능력이다.

당사에서 새로 개발한 시스템을 이용해 여러 연동형 전자 부품의 로직 검증 및 견고성 평가가 가능하다. 이러한 시스템이 이전에 존재하지 않았다는 것을 감안하면, 당사가 달성한 결과는 더욱 놀랍지 않을 수 없다. 다양한 테스트에 대한 관련 작업 및 결과 판단을 자동화하는 것도 가능했다. 이로 인해 작업량을 크게 줄이게 되는 성과를 달성했다. 단일 전자 부품의 경우 수동 테스트에 비해 테스트 시간이 90% 단축됐다. 카메라를 사용해 속도계와 같은 계측기의 사진을 촬영한 후, 시스템의 자동 평가 기능을 사용하여 이미지를 처리함으로써 작업 시간도 이전에 비해 90% 단축됐다.

혁신적 테스트를 위한 시스템의 확장

당사가 최근에 개발한 시스템은 점진적으로 발전할 것이다. 현재 NI의 제품 기반 시스템을 사용해 모든 전자 부품을 평가하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 이유로, '전자장치 테스트 및 연구 그룹'은 현재 파워트레인 관련 부품을 비롯한 모든 전자 부품을 타깃으로 하고 있다. 이 새로 개발된 시스템에 앞서 턴키 HIL 시스템을 이용해 파워트레인 관련 부품들을 평가했다. 파워트레인 관련 부품들은 현재 시스템의 타깃 항목에서 제외됐다.

마쯔다는 엔진이든 전자 부품이든 관계없이 세계 최초의 제품을 지속적으로 개발할 것이다. 뿐만 아니라 자동차 부품의 혁신을 위해서는 혁신적인 테스트가 필요하므로, 마쯔다는 자체 평가 프로세스도 지속적으로 발전시킬 것이다.

글: 도모히코 아다치(Tomohiko Adachi) 마쯔다 모토(Mazda Motor Corporation)  수석 엔지니어