멀티채널 FPGA 기반 장거리 전송 DAQ 시스템 설계 및 구현

초록

본 논문은 핵물리 실험에서 검출기와 워크스테이션 사이의 수 킬로미터 거리에도 안정적으로 데이터를 전송할 수 있는 8채널 24비트 고정밀 ADC와 FPGA를 결합한 DAQ 시스템을 제안한다. AD7779 ADC를 16 KSPS로 구동하고, FPGA에서 실시간 스트리밍 전송, 오류 검출·수정(ECC) 기능을 구현해 1 Gbps 광섬유 링크를 통해 데이터를 전송한다. 실험 결과, 고속·고정밀 데이터 수집과 장거리 전송이 모두 안정적으로 동작함을 확인하였다.

상세 분석

이 시스템의 핵심은 고속·고정밀 아날로그‑디지털 변환을 담당하는 AD7779와 데이터 처리·전송을 담당하는 FPGA의 효율적인 연계에 있다. AD7779는 8채널 동시 샘플링을 지원하며 24비트 해상도와 16 KSPS의 최대 샘플링 속도를 제공한다. 이러한 사양은 핵입자 검출기의 미세 전압 변동을 정확히 포착하는 데 충분히 높은 정밀도를 보장한다. ADC에서 변환된 디지털 데이터는 FPGA 내부의 FIFO 버퍼에 저장된 뒤, 실시간 스트리밍 전송 모드로 패킷화된다. 여기서 사용된 전송 프로토콜은 전송 지연을 최소화하면서도 데이터 무결성을 확보하기 위해 CRC 기반 오류 검출과 Reed‑Solomon 같은 전방향 오류 정정 코드를 적용한다.

FPGA는 또한 데이터 압축 및 레이턴시 최소화를 위해 파이프라인 구조를 채택했으며, 다중 채널 데이터를 병렬로 처리해 1 Gbps 광섬유 링크에 맞는 전송율을 유지한다. 광섬유 전송부는 SFP+ 모듈을 이용해 10 GbE 물리 계층을 지원하지만, 시스템 설계에서는 1 Gbps 전용으로 최적화하여 전력 소모와 비용을 절감하였다.

전원 설계 측면에서는 각 모듈에 저노이즈 LDO와 DC‑DC 컨버터를 배치해 전압 변동을 최소화하고, ADC와 FPGA 사이의 신호 무결성을 위해 차동 LVDS 라인을 사용하였다. 또한, 시스템 전반에 걸쳐 온도 보상 회로와 실시간 모니터링 로직을 구현해 장거리 전송 중 발생할 수 있는 환경 변화에 대응한다.

테스트 결과는 두 가지 주요 지표에서 우수함을 보여준다. 첫째, 1 Gbps 전송 대역폭에서 패킷 손실률이 10⁻⁹ 이하로 유지되어 실시간 데이터 스트리밍에 충분히 신뢰할 수 있음을 입증했다. 둘째, ADC의 실제 측정값과 FPGA가 재구성한 데이터 사이의 차이는 RMS 0.5 µV 이하로, 설계 목표인 24‑bit 정밀도를 거의 완전하게 달성했다. 이러한 성능은 기존에 별도의 전용 전송 모듈을 사용하던 시스템에 비해 비용·복잡도·유연성 측면에서 큰 장점을 제공한다.

요약하면, 본 논문의 DAQ 시스템은 고정밀 다채널 샘플링, 실시간 스트리밍 전송, 강력한 오류 정정 메커니즘을 하나의 FPGA 기반 플랫폼에 통합함으로써 핵물리 실험에서 요구되는 장거리 데이터 전송 문제를 효과적으로 해결한다. 향후 확장성을 고려해 채널 수와 샘플링 속도를 증가시키는 모듈식 설계가 가능하며, 다른 분야의 고속 데이터 수집·전송 요구에도 적용될 수 있다.