기초공학설계기초공학설계

개념 설계개념 설계

공학공학 설계설계 과정과정

문제 정의(요구사항정의)

기능구조수립

(요구사항정의)

기능 및 물리적 구조 수립

개념 전개 및 평가개념 전개 및 평가

각 구성 요소에 대한 대안평가

시스템-레벨설계

상세 설계검증 및 개선

제품

시작품 제작

기초공학설계2

제품

학습학습 목표목표

기능 구조의 핵심에 대해 논의할 수 있다기능 구조의 핵심에 대해 논의할 수 있다.

제품 사양 및 요구 조건에 기초한 기능 구조를 창출할 수있다있다.

기능 구조로부터 개념을 전개할 수 있다.

개념과 여러 가지 대안을 평가할 수 있다개념과 여러 가지 대안을 평가할 수 있다.

기초공학설계3

기능적기능적 분해분해

기능적 분해라?기능적 분해라? 시스템을 기능적으로 독립적인 하부 시스템 설계 문제로 분해

하부 시스템의 기능만을 제시하며 구체적인 방법을 제시하지 않하부 시 템의 기능만을 제시하며 구체적인 방법을 제시하지 않음

시스템

하부 기능

구성 요소

기초공학설계4

기능적기능적 분해분해

기능적 분해의 목적기능적 분해의 목적복잡한 하나의 시스템 대신 다루기 쉬운 여러 개의 하위 블록으로 나누어 다룸

하부 시스템에 대한 다양한 대안 제공으로 최종 솔루션에 대한다양한 후보 방안을 제공

제품을 모듈러 구조로 설계하고 각 블록을 독립적으로 분석하여제품을 모듈러 구조로 설계하고 각 블록을 독립적으로 분석하여개선 가능

기초공학설계5

기능기능 구조구조

전체 기능 다이어그램전체 기능 다이어그램

각 기능에 대한 입력값과 출력값으로 나타내는 블랙 박스로 표현로 표현

재료 및 정보, 에너지의 흐름을 포함

블랙 박스

입력 출력

기 능

블랙박스 모형

기초공학설계6

기능기능 구조구조 예예

쇼핑 카트쇼핑 카트쇼핑 물건 담기

무게를 지탱한다.

큰 물건을 담는다.

작은 물건을 담는다.

말랑말랑한 물건이나 음료수를 담는다말랑말랑한 물건이나 음료수를 담는다.

어린이 태우기무게를 지탱한다

어린이를 고정한다.

카트 이동카트의 전진카트의 전진

카트의 회전

카트의 정지

기초공학설계7

기능기능 구조구조 예예

쇼핑 카트의 전체 기능 다이어그램쇼핑 카트의 전체 기능 다이어그램

물건 담기

연하고무게지탱

물건

카트 운전 물건

연하고깨지는물건담기

큰물건담기

작은물건담기

아이 태우기아이

담기카트추진

회전 정지

아이아이

무게지탱

아이가탈 것

주기능 보조 기능

기초공학설계8

(하부 기능) (구성 요소)

기능기능 구조구조 수립수립 수행수행 절차절차

1 입력과 출력의 형태로 설계의 전체적인 기능을 표현1. 입력과 출력의 형태로 설계의 전체적인 기능을 표현블랙 박스 이용

기능에 대한 제한 조건 또는 솔루션은 고려하지 않음

입력과 출력은 재료, 정보, 에너지의 흐름으로 분류

2. 전체 기능을 여러 개의 필수적 하부 기능으로 나눔하부 기능은 명사+동사로 표현 (신호를 증폭한다)

3. 하부 기능간의 연관성을 표현하는 블록 다이어그램을 그린다린다

내부의 입출력 연결

재료, 정보, 에너지는 다른 선으로 표시

기초공학설계9

, ,

기능기능 구조구조 수립수립 수행수행 절차절차

4 시스템 경계를 그린다4. 시스템 경계를 그린다.

설계 수렴 과정을 진행함에 따라 유용한 제품을 도출하기위하여 포함 기능에 대한 경계가 필요하다.위하여 포함 기능에 대한 경계가 필요하다.

5 각 하부기능과 그들간의 관계를 표현하기 위한 적절한 요5. 각 하부기능과 그들간의 관계를 표현하기 위한 적절한 요소를 찾는다.

각 기능을 구성하는 요소 제시

기초공학설계10

기능기능 구조구조 예예 ((세탁기세탁기))

세탁기 블랙박스 모형세탁기 블랙박스 모형

세탁기더러운 옷

깨끗한 옷

때세탁기 때

입력 기능 출력

세탁기 하부 기능

필수적 하부 기능 하부기능 수행 방법

먼지 분해 물 또는 세제 첨가

먼지 분리 세탁

먼지 제거 린스먼지 제거 린스

수분 제거 탈수

옷 말림 더운 공기 공급

기초공학설계11

옷의 구김 방지 다림질

기능기능 구조구조 예예 ((세탁기세탁기))

블록 다이어그램블록 다이어그램물물 + 때

불리기(물과 세제

혼합)

깨끗한옷

옷 구김방지

(다림질)

수분제거

(스핀)

건조(덤불)

먼지분리(회전)

먼지 제거(스핀)

더러운 옷

물 세제 물 더운 공기

기초공학설계12

기능기능 구조구조 예예 ((세탁기세탁기))

시스템 경계시스템 경계

현대 일반 세탁기 세탁기+건조기 미래 세탁기

물물 + 때

불리기 옷 구김수분건조먼지분리 먼지 제거더러운 옷

불리기(물과 세제

혼합)

깨끗한옷

옷 구김방지

(다림질)

수분제거

(스핀)

건조(덤불)

먼지분리(회전)

먼지 제거(스핀)

더러운 옷

더운 공기

기초공학설계13

물 세제 물 더운 공기

기능기능 구조구조 예예 [[자동캔분쇄기자동캔분쇄기]]

분쇄된캔 투입투입구 분쇄된

캔배출기작동기 분해기정렬기 고정기

캔 투입

힘힘 힘 힘동력동력

기초공학설계14

개념개념 (Concept) (Concept) 전개전개

기능으로부터 개념 전개하는 순서기능으로부터 개념 전개하는 순서

1단계: 하부 기능 개발

가능한 선택적 기능을 많이 개발가능한 선택적 기능을 많이 개발

2단계: 각 기능이나 세부 기능들에 대해 사용될 수 있는 방법이나 수단을 열거한다.

세부기능을 달성할 수 있는 많은 수단을 개발

구체적인 방법과 수단을 조사하여 후보 리스트에 넣을 것

3단계 든 가능한 해법들을 포함하는 차트를 만든다3단계: 모든 가능한 해법들을 포함하는 차트를 만든다.

4단계: 가능한 조합들을 찾아낸다.

1, 2 단계에서 브레인스토밍을 통한 창의적 아이디어 발굴

기초공학설계15

개념개념 전개전개

개념 전개 시 각 기능에 대한 목표 사양을 고려개념 전개 시 각 기능에 대한 목표 사양을 고려

예) 이동 속도 지원 : 60 km/h, 데이터 전송률 : 100 Mbps

예) 캔 분쇄량 : 5개/분예) 캔 분쇄량 : 5개/분

예) 110 V 입력, 출력 5 V, 최대 소모 전력: 20 W

목표 사양을 만족할 수 있는 수단 열거

기존 개발 경험 이용기존 개발 경험 이용

벤치마킹 (Benchmarking) : 다른 유사 제품 조사

전문가 자문

기술 문서 조사

특허, 기술 논문, 기술 잡지, 관련 부품 조사

기초공학설계16

개념개념 전개전개 예제예제

자동 캔 분쇄기

자동캔 분쇄기의 형태학적 차트

자동 캔 분쇄기

기초공학설계17

개념개념 평가평가

대안들의 개념적 스케대안들의 개념적 스케치

개념 전개에서의 대안으로부터 다양한 조합을 스케치

자동 캔 분쇄기 개념 I

기초공학설계18

개념개념 평가평가 예예 ((자동캔분쇄기자동캔분쇄기))

개념 II 개념 III개념 II 개념 III

기초공학설계19

개념개념 평가평가 예예 ((자동캔분쇄기자동캔분쇄기))

개념 IV개념 IV

기초공학설계20

개념개념 평가평가 예예 ((자동캔분쇄기자동캔분쇄기))

개념 V개념 V

기초공학설계21

개념개념 평가평가

결정 매트릭스 방법 [Pugh 방법]결정 매트릭스 방법 [Pugh 방법]1. 판정 기준을 선정한다.

브레인 스토밍으로 판정 기준 도출

2안 비교순위 결정에 의해 판정 기준 순위를 매긴다.

판정 기준에 따라 가중치를 총합이 100이 되도록 선정 (상위 몇 개의 판정 기준을 선택해도 됨)위 몇 개의 판정 기준을 선택해도 됨)

요구 사항의 절대적 점수 산정 (0~10)

2. 비교할 개념 후보들을 선정한다.최종 6개 정도만을 선정

3. 점수를 산정한다.기준 또는 목표가 되는 하나의 개념 선정기준 또는 목표가 되는 하나의 개념 선정

평가 항목에 따라 기준에 대한 상대 점수를 준다. [+][-]

4. 전체 점수를 계산한다.

기초공학설계22

개념개념 평가평가

결정 매트릭스에 점수 계산 방법결정 매트릭스에 점수 계산 방법[+] 수, [-] 수

전체 합계

가중치 합계

점수 해석[+] 수, [-] 수로 강점 파악

어떤 조건에 대해 점수가 모든 개념에 대해 비슷하면 그 조건은 검토가 필요건은 검토가 필요.

애매모호하거나 해석이 다를 수 있음

가장 높은 점수에 대한 개념을 기준으로 반복 평가하여 최종 선정

팀 구성원마다 평가 후 팀에서 결정

기초공학설계23

평가표평가표 ((예제예제))

기초공학설계24

평가표평가표 ((예제예제))

기초공학설계25

설계설계 실습실습 예예

WCDMA 모뎀분석기 (MAT)WCDMA 모뎀분석기 (MAT)

요구사항요구사항 정립정립

모뎀분석기 개발 시간이 실제 모뎀 개발 시기보다 짧아야 한다모뎀분석기 개발 시간이 실제 모뎀 개발 시기보다 짧아야 한다.

실제 모뎀 개발 비용보다 비용이 훨씬 적게 들어야 한다.

검증할 모뎀에 실시간으로 데이터를 전송하거나 실시간으로 데이터를 수신할 수 있어야 한다이터를 수신할 수 있어야 한다.

다양한 형태의 송신 데이터를 전송할 수 있어야 한다.

수신 데이터를 다양하게 분석하여 오류 원인을 찾을 수 있어야한다.

다른 표준으로 (cdma2000, WCDMA, WLAN) 등에 이용 가능하여야 한다. (확장성)

모뎀의 다양한 클럭 주파수로 호환 가능해야 한다.

모뎀분석기가 전송하는 데이터는 오류가 없어야 한다.

모뎀이 원하는 시점에서부터 데이터를 전송할 수 있어야 한다모뎀이 원하는 시점에서부터 데이터를 전송할 수 있어야 한다.

다양한 형식의 데이터 (디지털 또는 아날로그)를 점진적으로 적용 가능하여야 한다.

기초공학설계27

요구사항요구사항 정립정립

Cont MODEM D/AUser

Equipment (UE)

RF

Base Station Digital Part(UE)

Baseband AnalogBasebandDi it l

Base Station RF Part

H t

MATRx

Digital

모뎀 분석기는기지국 신호를 수신분석Host

U

분석모뎀 분석기는기지국 신호를 대신 송신

User Equipment

(UE)MATTx

Base Station RF Part

기초공학설계28

목표목표 사양사양(Target Specifications)(Target Specifications)(Target Specifications)(Target Specifications)

동작 클럭 (주파수)동작 클럭 (주파수)

>= 3.84 MHz (WCDMA 시스템의 전송 속도)

3.84 x 8 MHz까지 동작작

모뎀과 연결하는 채널 수

최대 2개 (WCDMA는 송신 안테나가 2개임)

모뎀과의 인터페이스

디지털 LVTTL로 바로 연결 또는 아날로그 송수신 연결

3 84 MH 8 속도로 채널당 16 bit 를 동시 전달3.84 MHz x 8 속도로 채널당 16 bits를 동시 전달

테스트 모뎀 클럭 신호로 동기를 맞춤

개발 비용개발 비용

3천만원 (순수 재료비 및 용역비)

기초공학설계29

기능기능 구조구조 수립수립

아날로그신호 송신

아날로그 신호

송신신호생성

송신신호저장

디지털 신호송신

명령어전달 외부 트리거

디지털 신호

신호디스플레이 상태 디스플레이

디지털 신호

디 레이

수신신호

수신신호

디지털 신호수신

디지털 신호

신호분석

신호저장

수신

아날로그외부 트리거

기초공학설계30

아날로그신호 수신 아날로그 신호

기능기능 구조구조 수립수립디지털 모뎀 테스트기 (Ver.1)

D&A 모뎀 테스트기 (Ver.2)

세탁기+건조기

아날로그신호 송신

아날로그 신호

송신신호생성

송신신호저장

디지털 신호송신

명령어전달 외부 트리거

디지털 신호

신호디스플레이 상태 디스플레이

디지털

수신신호

수신신호

디지털 신호수신

디지털 신호

분석 저장수신

아날로그외부 트리거

아날로그 신호

기초공학설계31

신호 수신 아날로그 신호

기능기능 구조구조 수립수립

하부 기능 구성 요소하부 기능 구성 요소

개발 시기에 따라 개발 범위를 다르게 설정할 수 있음

송신 신호 생성

TRCHM d l t

CEncoder

Modulator

TRCHDecoder

Demodulator

수신 신호 생성

Decoder

기초공학설계32

개념개념 전개전개

방안 1 방안 2 방안 3

송신신호

생성

PC에서 비실시간생성

외부 하드웨어로 실시간 생성

몇 개의 테스트신호를 하드웨어에 저장사용

수신신호

분석

PC에서 소프트웨어로 비실시간 분석

외부 하드웨어로

실시간 분석

수신 데이터를 파일로 저장

(송신/수신) PC에 저장 외부 하드웨어 메모(송신/수신)

신호저장

PC에 저장 외부 하드웨어 메모리에 저장하고 FPGA로 제어

신호전송 PC에서 바로 송신 신호저장기에서 바로 신호전송기를 외부에신호전송 PC에서 바로 송신 신호저장기에서 바로테스트 모뎀과 연결

신호전송기를 외부에독립적으로 둠

(속도 완충기)

신호수신 PC에서 바로 수신 신호저장기에서 바로 신호수신기를 외부에신호수신 PC에서 바로 수신 신호저장기에서 바로테스트 모뎀과 연결

신호수신기를 외부에독립적으로 둠

(속도 완충기)

신호 디스플레이 PC 하드웨어 독립 오실로스코프와

기초공학설계33

신호 디스플레이 PC 하드웨어 독립

디스플레이

오실로스코프와

연결

개념개념 평가평가

개념 후보 I사용자 인터페이스, 제어,

개념 후보 I

테스트할TxFrontEnd

실시간 테스트 신호 발생

신호발생기

Host (PC)

테스트할

모뎀RxFrontEnd

신호수신기

개념 후보 II

Host (PC)플랫 케이블

Proccessor

기초공학설계34

개념개념 평가평가

개념 후보 III사용자 인터페이스, Host와 통신 송신 신호 저장 신호 전달 및

속도 완충개념 후보 III

테스트할

제어, 비실시간

테스트 신호 발생 TxMain

Proce

ControllerMemory

TxFrontEnd

Cont. I/F

속도 완충

H (PC)

모뎀

essor RxMain

ControllerMemory

RxFrontEnd

Cont. I/F

개념 후보 IV

Host (PC) 수신 신호 저장

송신 신호 저장 신호 전달 및

실시간 디스플레이TxMain

송신 신호 저장

ControllerMemory

TxFrontEnd

Cont. I/F

신호 전달 및

속도 완충

RxMain

ControllerMemory

RxFrontEnd

Cont. I/F오실로스코프

테스트

할 모뎀

기초공학설계35

수신 신호 저장

오실로스코프

개념개념 평가표평가표

Wt 개념 I 개념 II 개념 III 개념 IVWt 개념 I 개념 II 개념 III 개념 IV

개발 시기 20 ++ + +

개발 비용 15 + + + 기

실시간 데이터 송수신 20 --

다양한 송신 신호 생성 가능성 10 + + + 준

수신 신호의 다양한 분석 가능성 10 + + +

다른 시스템으로 확장 가능성 10 + + 치

잡음에의 강인성 7 -

다양한 데이터 포맷 지원 가능성 8 - -

수 6 4 5+수 6 4 5

-수 3 2 0

가중치 합계 37 40 65

기초공학설계36

가중치 합계 37 40 65