SpaceWire 기반 데이터 획득 네트워크: FOXSI‑4와 FOXSI‑5

초록

FOXSI‑4와 차세대 FOXSI‑5 임무를 위해 SpaceWire와 RMAP를 활용한 모듈형 데이터 획득(DAQ) 시스템을 설계·구현하였다. 고속 FPGA 보드(SPMU‑001, SPMU‑002)와 실시간 지상 지원 장비를 통해 다양한 검출기(CMOS, CdTe‑DSD, Quad‑Timepix3)를 통합하고, 높은 광자 플럭스를 처리하면서도 낮은 지연·고신뢰성을 확보하였다. 동일 아키텍처는 2026년 예정된 FOXSI‑5에도 적용될 예정이다.

상세 분석

본 논문은 태양 플레어 관측을 목표로 하는 FOXSI‑4·5 사운딩 로켓 임무에 최적화된 데이터 획득 네트워크를 상세히 분석한다. 첫 번째 핵심은 SpaceWire와 Remote Memory Access Protocol(RMAP)의 결합이다. SpaceWire는 ESA·NASA·JAXA가 표준화한 고속 직렬 통신 프로토콜로, 100 Mbps 수준의 전송률과 낮은 레이턴시를 제공한다. RMAP를 이용하면 네트워크 상의 노드에 직접 메모리 읽기·쓰기 접근이 가능해, CPU 개입 없이도 실시간 데이터 스트리밍과 원격 제어가 이루어진다. 이러한 표준화는 다기관 협업 환경에서 인터페이스 통합 비용을 크게 절감하고, 향후 확장성을 보장한다.

두 번째 핵심은 FPGA 기반 읽기 보드인 SPMU‑001과 SPMU‑002이다. SPMU‑001은 AMD Spartan‑7 FPGA와 128 MB DDR2‑SDRAM을 탑재하고, SpaceWire 포트 6개와 Ethernet‑to‑SpaceWire 브리지, AXI‑RMAP 브리지를 제공한다. 이를 통해 각 CdTe‑DSD 검출기의 ASIC 파라미터를 RMAP 패킷으로 실시간 조정하고, 획득 데이터를 SDRAM에 버퍼링한 뒤 Raspberry Pi 4가 탑재된 데이터 전처리·저장 모듈로 전달한다. SPMU‑002는 Zynq UltraScale+ MPSoC를 사용해 CMOS 검출기의 고속 데이터 흐름을 SSD에 저장하고, 동시에 일부를 SDRAM에 복제해 Telemetry용 Quick‑Look 데이터를 제공한다. 두 보드 모두 모듈형 전원·신호 인터페이스를 갖추어, 전자 캐니스터 내부에 손쉽게 삽입·교체가 가능하도록 설계되었다.

세 번째는 시스템 전체의 타이밍 동기화이다. GPS 기반 1 Hz PPS 신호를 모든 보드에 분배해 UTC 기준의 절대 시각을 기록하도록 설계했으나, FOXSI‑4에서는 일부 보드만 PPS를 활용했으며, FOXSI‑5에서는 전 보드가 PPS를 완전 지원하도록 검증을 마쳤다. 이는 플레어 발생 시 급격히 변동하는 광자 플럭스에 대한 데이터 정렬과 포스트‑플라이트 분석 정확도를 크게 향상시킨다.

네 번째는 지상 지원 시스템(GSE)이다. Formatter 보드가 각 검출기 모듈로부터 Quick‑Look 데이터를 Pull‑Mode로 수집하고, EVTM(Ethernet via Telemetry)으로 최대 20 Mbps 속도로 전송한다. 명령은 1.2 kbps UART 라인을 통해 uplink 되며, 관측 시작·종료, 바이어스 전압 조정, 모드 전환 등을 실시간으로 제어한다. GSE는 PC 기반 소프트웨어로 데이터 시각화·저장·명령 전송을 수행해, 비행 중에도 플레어 특성에 따라 유연하게 설정을 변경할 수 있다.

마지막으로, Timepix3 검출기와의 통합 전략을 살펴보면, 기존 SpaceWire 기반 설계와 달리 UART 기반 직렬 통신을 선택해 개발 위험을 최소화했다. FPGA(Kintex‑7)가 이벤트 패킷을 PCAP 형식으로 저장하고, Raspberry Pi 3B+가 텔레메트리와 명령을 담당한다. 이는 제한된 텔레메트리 대역폭(≈ 20 Mbps) 내에서 필수적인 과학 데이터와 기본 통계만을 전송하도록 설계된 점이 특징이다.

전체적으로, 본 시스템은 고광자 플럭스, 다중 검출기, 제한된 하드웨어 자원이라는 사운딩 로켓의 제약을 극복하면서도, 향후 미션(FOXSI‑5)으로의 확장성을 확보하였다.