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Overview
This patent describes a communication system for distributed nuclear power equipment where external devices speak CAN (serial bus) while internal plant systems use Ethernet. The core approach is to place an MCU between the two domains to parse, normalize, and forward data bidirectionally, while adding electrical isolation to improve robustness in harsh environments.

Main Content

The system defines two data paths:

• External-to-internal: CAN-received external data is parsed by the MCU into “first analysis data,” then forwarded over Ethernet to the central processing side and into nuclear power equipment systems.
• Internal-to-external: Ethernet-received internal data is parsed by the MCU into “second analysis data,” then forwarded over CAN to external equipment.

To reduce Ethernet implementation complexity on the MCU side, the design selects a WIZnet W5500 Ethernet controller. W5500 integrates a hardwired TCP/IP stack, 10/100 Ethernet MAC+PHY, and provides up to 8 independent hardware sockets, allowing a simpler socket-oriented firmware model over SPI (up to 80 MHz).

System Context
The proposal targets distributed networking and remote data handling in nuclear power equipment, where reliability and portability matter and where heavier solutions (e.g., PCI/FPGA-based communication designs) can be costly or harder to reuse across platforms.

Architecture / Design Considerations

• Isolation boundary: A network transformer (and a digital isolator on the CAN side) is used to electrically isolate segments, aiming to mitigate ground loops, surge, ESD, and hot-plug related risks.
• CAN transmission scheduling: The MCU uses a mailbox-like buffering model for CAN transmission, including chunking logic when payloads exceed a mailbox capacity.
• Rate alignment: The design includes baud-rate matching mechanisms between external devices, MCU, and central processing.

Possible Implications

• A practical gateway blueprint for mixed-fieldbus systems where legacy CAN networks must interoperate with Ethernet-based supervisory systems.
• Reduced firmware stack burden (via W5500) can shorten integration time, but increases reliance on correct SPI/Ethernet controller initialization and isolation design quality.

Conclusion
This is a bidirectional CAN↔Ethernet gateway pattern tuned for high-reliability environments, combining isolation practices with an MCU-based parser/bridge and a WIZnet W5500 to simplify Ethernet connectivity.

전체 개요

본 특허는 원전 설비 분산 네트워킹 환경에서 외부 장치(CAN) 와 원전 내부 시스템(Ethernet) 사이를 연결하기 위한 양방향 게이트웨이(브리지) 구조를 제안하고 있습니다. 핵심은 MCU가 중간에서 데이터를 “그냥 전달”하는 수준을 넘어서, 수신 데이터 파싱(분석) 후 포맷을 정리해 양쪽으로 중계하는 역할을 맡는다는 점입니다.

문제의식과 기술적 맥락 재구성

기존 접근으로 언급된 PCI 카드/FPGA 기반 통신 설계는, 고속 처리에는 유리할 수 있으나 개발 기간 증가, 이식성 저하, 설계 복잡도 증가라는 비용이 따라오기 쉽습니다. 이 특허는 그 비용을 줄이기 위해, 범용성이 높은 CAN + Ethernet 조합으로 돌아오되 “현장 신뢰성(절연 포함)과 구현 용이성(W5500 활용)”을 함께 가져가려는 방향으로 보입니다.

기술 흐름 설명

1) 외부 → 내부 (CAN → Ethernet)

1. 외부 장치가 CAN으로 데이터를 전송합니다.
2. MCU가 CAN 데이터를 수신하고, first analysis data로 파싱합니다.
3. 중앙 처리 측(central processing module)로 Ethernet을 통해 전달합니다.
4. 원전 설비/원전 컴퓨터 시스템 쪽으로 전달되어 내부 처리 흐름에 합류합니다.

2) 내부 → 외부 (Ethernet → CAN)

1. 원전 설비 내부 데이터가 Ethernet으로 중앙 처리 측에 도착합니다.
2. MCU가 Ethernet 측 데이터를 받아 second analysis data로 파싱합니다.
3. CAN 송신 경로로 외부 장치에 전달합니다.

여기서 중요한 점은 “양방향” 자체보다, 두 방향 모두에서 파싱/정리 계층이 MCU에 존재한다는 구조적 선택입니다. 이 지점이 “기존 접근 대비 이 구조의 핵심 차이”에 해당합니다.

왜 이런 구조가 나왔는지에 대한 해설

• 이식성 관점: CAN은 현장 단말/센서/제어기 쪽에서 레거시로 남아있는 경우가 많고, Ethernet은 상위 시스템(집중 모니터링/분석/원격 운영)에서 자연스럽게 선택됩니다. 따라서 두 세계를 연결하는 게이트웨이는 반복 등장하는 구성입니다.
• 검증 부담 관점: MCU에서 소프트웨어 TCP/IP 스택까지 책임지면, 스택 통합과 타이밍 이슈가 늘어납니다. 이 특허는 W5500을 사용해 이 부담을 줄였다고 해석할 수 있습니다(추론임). W5500은 하드웨어 TCP/IP 스택과 10/100 MAC+PHY, 8개 하드웨어 소켓을 제공해 MCU 펌웨어가 소켓 중심으로 단순화될 수 있습니다.
• 현장 신뢰성 관점: 네트워크 트랜스(이더넷) 및 디지털 아이솔레이터(CAN)를 구조에 포함시키는 것은, 접지 루프/서지/ESD/핫플러그 등으로 인한 고장 모드를 줄이려는 전형적인 선택입니다.

생소한 개념에 대한 풀어쓴 설명

• “Send mailbox”: CAN 컨트롤러가 송신 프레임을 하드웨어 버퍼(메일박스)에 담아 전송하는 구조를 의미합니다. 본 특허는 “메일박스가 비어 있으면 즉시 적재 후 송신, 비어 있지 않으면 대기/스위칭” 같은 흐름으로 송신 타이밍을 관리합니다.
• “데이터 분할 전송”: second analysis data가 한 번에 메일박스에 들어가지 않으면, 메일박스 크기에 맞춰 여러 조각으로 쪼개 순차 전송합니다. 이는 “일단 버퍼를 가득 채워 계속 흘려보내는” 형태로 구현 단순화를 노릴 수 있으나, 조각 재조립/순서 보장 정책이 애매하면 상위 계층에서 문제가 될 수 있습니다(추론임).

시스템 구성 및 선택지 해석

• W5500 제거 시: MCU가 직접 Ethernet MAC/PHY 및 TCP/IP 스택을 책임지는 설계로 이동하거나, 다른 이더넷 컨트롤러/스택 조합으로 바뀌게 됩니다. 이 경우 펌웨어 복잡도와 검증 범위가 커져 “포터블/저비용”이라는 시스템 성격이 약해질 가능성이 큽니다(추론임). W5500이 하드웨어 스택과 MAC/PHY를 통합 제공한다는 점이 이 선택의 중심 근거입니다.
• 절연(트랜스/디지털 아이솔레이터) 제거 시: 기능은 유지될 수 있어도, 접지 루프나 서지/ESD 이벤트에서 오동작 또는 영구 손상 가능성이 커져 “원전 환경에 맞춘 신뢰성”이라는 성격이 크게 바뀝니다.
• 메일박스 기반 분할/스케줄링 제거 시: CAN 송신에서 대용량/빈번한 데이터가 들어올 때, 지연/드롭/우선순위 역전 문제가 커질 수 있습니다(추론임).

내부 관점에서의 시사점

• 이 구조는 원전 제어 자체를 대체하는 것이 아니라, 필드 버스(CAN)를 상위 네트워크(Ethernet)로 끌어올리는 보조 수단으로 보는 편이 안전합니다. 즉, 안전 등급의 “최종 판단/제어”를 이 브리지에 맡기기보다는, 상위 제어 시스템이 검증된 논리로 판단하고 이 브리지는 정확한 전달과 격리를 책임지는 역할 분리가 바람직합니다(추론임).
• 또한 본 시스템에서 실패 비용이 큰 구간은 “전송 속도”보다 경계면(파싱/포맷 변환/격리)에서의 오류입니다. 잘못 파싱된 데이터가 반대편으로 전달되면, 단순 통신 장애를 넘어 잘못된 상태 인식이나 잘못된 제어 명령 전파로 이어질 수 있기 때문입니다(추론임).

FAQ (4–7)

Q1. 기존 PCI/FPGA 기반 통신 설계와 비교해 이 구조의 핵심 차이는 무엇인가요?
A1. 전용 하드웨어 중심(PCI/FPGA) 대신, MCU가 데이터 파싱과 중계를 맡고 표준 버스(CAN/Ethernet)를 결합합니다. 구현 난이도와 재사용성의 균형을 “부품 조합”으로 맞추려는 접근으로 보입니다.

Q2. 왜 Ethernet 쪽에 W5500을 쓰는 구성이 의미가 있나요?
A2. W5500은 하드웨어 TCP/IP 스택과 10/100 MAC/PHY를 통합해 MCU가 소켓 중심으로 구현할 수 있게 합니다. 결과적으로 MCU가 소프트웨어 스택까지 책임질 때 생기는 통합/검증 부담을 줄이는 방향으로 해석할 수 있습니다(추론임).

Q3. 이 시스템에서 실패 비용이 가장 큰 판단 지점은 어디인가요?
A3. 파싱/변환 경계면과 절연 경계면이 가장 위험합니다. 이 구간에서 오류가 나면 “전송 실패”가 아니라 “잘못된 의미의 데이터가 반대편으로 전달”될 수 있어, 결과 피해가 커질 수 있습니다(추론임).

Q4. CAN 메일박스와 데이터 분할 전송은 왜 언급될까요?
A4. CAN 송신 버퍼가 제한적이기 때문에, 큰 데이터를 그대로 보내기 어렵습니다. 본 특허는 메일박스 유휴 상태를 보고 적재하거나, 크기 초과 시 분할해 순차 전송하는 방식으로 송신 흐름을 안정화하려는 것으로 보입니다(추론임).

Q5. 이 설계가 ‘보조 수단’으로 위치한다는 말은 무슨 의미인가요?
A5. 이 구성은 주로 네트워크 간 연결과 전달 품질(절연 포함)을 책임지는 게이트웨이입니다. 안전 등급 판단이나 제어 로직 자체를 여기로 옮기면, 브리지 단의 오류가 곧바로 제어 실패로 연결될 수 있어 역할 분리가 더 안전하다고 보입니다(추론임).

저자 정보 (Author Information)

• 문서 성격: 특허 문서이므로 “논문 저자” 대신 발명자(Inventors) 와 출원인/권리자(Applicant/Assignee) 정보가 핵심입니다.
• 발명자(Inventors): 张琰, 郭俊骁, 顾开祥, 吕秀红, 冀建伟, 孟庆军, 张焕欣 (공개 표기 기준)
• 출원인/권리자(Applicant/Assignee): 중广核数字科技有限公司 (통용 영문 표기는 “CGN Digital Technology Co., Ltd.”로 번역되는 경우가 있습니다. 추론임)
• 소속/기관 성격 설명(공개 범위 내): 공개된 기업 정보 집계 자료에 따르면 해당 기업은 중국 광핵(中广核, CGN) 그룹 계열로 분류되며, 산업 자동화/정보화/제어·통신 및 관련 엔지니어링 영역의 사업 범위를 포함하는 것으로 나타납니다. 다만 이는 공개 데이터 집계 기반이므로 세부 기술 조직 구성이나 연구 배경은 확인이 제한적입니다(정보 제한).