PCM 저장장치는 크게 전원부, 제어부, SD 메모리, EXT_JIG로 나눌 수 있고, 저장장치의 설계 요구규격 및 설계 규격은 Table 2와 같다. PCM 데이터 저장장치는 원격측정장치 메인 모듈로부터 NRZ-L의 데이터를 최대 7 Mbps 속도로 받는다. PCM 저장장치의 저장 용량은 약 120분 저장할 수 있도록 하였으며, PCM 데이터 파일의 크기를 고려하여 약 32 GB 이상의 메모리 카드를 적용하였다. PCM 파일은 FAT32 방식으로 저장하게 하여 윈도우와 맥 OS에서 읽고 쓰기가 가능하게 하였고, 무엇보다 안정성을 우선으로 설계하였다. 원격측정장치 메인 모듈과 저장장치는 RS-422/485 입력 인터페이스를 갖고, 저장장치의 출력은 RS-422/ 485와 RJ-45 인터페이스를 구현하여 사용자 편의성을 높였다. NEOS Ver4.17의 실시간 운영체제를 사용하여 저장장치 내부의 편의성을 고려하였다. 또한 이동식 저장장치의 특성을 고려하여 전력 소모를 5V/1A 이하로 작동하게 하였으며 시험 비행체의 전원이 비정상적으로 끊길 경우를 대비하여 공급전원이 꺼지면 전압이 강하하는 상태를 감지하여 자동으로 PCM 데이터 저장을 안전하게 종료할 수 있도록 설계하였다.

PCM 저장장치의 하드웨어 블록도는 Fig. 2에 도시하였다. Intel FPGA Cyclone V를 사용하여 프로그래밍 가능한 FPGA와 ARM CPU(Cortex A-9)를 적용하였다. FPGA는 RS-422/485 트랜시버, ADC, 필터 등을 구현하였다. FPGA에 탑재하는 펌웨어는 QSPI EEPROM (Quad Serial Peripheral Interface Nor Flash)에 저장이 되고, PCM 파일 저장 시 참고되는 기준 시간은 RTC (Real-Time Clock)를 사용하였다. RTC의 백업 배터리로 Lithium Coin battery를 사용하였으며, 환경시험 규격을 맞추기 위해 동작 온도가 −40 ℃에서 +85 ℃ 이상인 부품 소자를 적용하였다. RTC의 동작범위는 2.2 V ~ 5.5 V로, RTC 백업 배터리는 주기적으로 체크하도록 하였다. Cortex-A9 CPU의 메인 메모리로는 1 GB DDR3 메모리를 적용하였다. 비행체가 비상 상황이나 돌발 상황에 직면하여 원격측정장치 메인 모듈로부터 전원을 공급받지 못하는 상황을 대비하여 ADC가 전원을 관찰하게 하여 저장장치의 전원이 해제되면 ADC로 모니터링된 전압의 강하 추이를 보고 자동으로 파일 저장종료 신호를 생성한다. 그리고 저장된 PCM 데이터를 고속으로 사용자에게 출력할 수 있도록 Gigabit Ethernet 인터페이스를 적용하였다. 이때 FPGA와 HPS(Hardware Processor Subsystem)에 사용되는 클락은 TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)로 −30 ℃에서 +70 ℃의 동작범위를 갖는다. 원격측정장치 메인 모듈과 PCM 저장장치 사이의 전압 차를 해소하기 위하여 Buffer를 삽입하였다. 원격측정장치 메인 모듈로부터 명령어를 입력하기 위하여 FT232R을 사용하여 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 인터페이스가 가능하게 하였다.

PCM 저장장치는 5 V 전원을 원격측정장치 메인 모듈에서 전달받아 저장장치 내부에서 1.1 V ~ 3.3 V로 변환 과정을 거쳐 내부 전원을 공급한다. 각각의 DC- DC 컨버터와 레귤레이터 블록다이어그램은 Fig. 3에 표현하였다. EXT_JIG는 외부 장비에서 오는 PCM 파일을 저장하거나 재생할 때 사용하며, 원격측정장치로부터 전원공급을 받지 않아도 사용이 가능하도록 별도로 외부로부터 직류 전원 공급이 가능케 하였다. 피드스루 캐패시터(Feedthrough Capacitor)를 이용하여 고주파 노이즈를 제거하고, DC-DC 컨버터를 이용하여 원하는 전압으로 낮춰준 후 안정적인 전원공급을 위하여 레귤레이터를 추가하였다. PCM 저장장치의 전원이 두절되려고 하면 사전에 저장종료 명령을 내리기 위하여 OP-Amp와 ADC를 사용하여 전압을 모니터링 하였다.

원격측정장치 인코더(TLM Encoder)는 메인 모듈에서 데이터를 코드화하고 영상을 압축하는 역할을 수행한다. 원격측정 인코더와 PCM 저장장치는 RS-422/485로 연동하였으며 PCM 저장장치에 전원이 인가되어 저장할 준비가 되면 TLM 인코더에 REC_TLM_DATA_P/N 신호를 보내 저장 준비가 됨을 알린다. 원격측정장치 인코더는 PCM 저장장치가 준비됨을 알고 Ack 신호로 TLM_REC_DATA_P/N을 보낸다. 원격측정장치 Encoder 는 Ack 신호 전송 후 TLM_REC_FRAME_P/N을 이용하여 NRZ-L 데이터를 보낸다. 이때 데이터의 전송속도는 최대 7 Mbps이다.

원격측정 데이터가 원격측정장치 메인 모듈이 아닌 외부의 EXT-JIG를 이용해 수신기로부터 전달이 된다면, EXT_BIT_DATA/CLK_INPUT을 통하여 NRZ-L 데이터 및 클럭(CLOCK)이 전송이 된다. 같은 방법으로 저장된 데이터를 재생할 때 Fig. 4와 같이 EXT_NRZ_ DATA/CLK_OUTPUT을 통하여 데이터와 클럭을 전송한다. 사용자의 편의성을 높이고자 원격계측 수신소와 인터페이스를 맞추어, 어느 수신소에서도 저장장치로 획득한 PCM 데이터를 저장하고 재생할 수 있도록 하였다.

PCM 저장장치는 ARM 기반의 HPS 및 LOGIC이 내장된 SoC FPGA(Cyclone V)를 사용함으로써, 시스템 전력과 비용 및 PCB(Printed Circuit Board) 공간을 효율적으로 사용하였다. 앞 절에서 언급한 PCM 저장장치의 FPGA 내부 구성도를 Fig. 5에 자세히 표현하였다. NRZ-L 입력 데이터는 입력 PCM 데이터 전처리 로직(Logic)과 버퍼(Buffer)를 거쳐 FPGA 로직으로 입력되면 HPS를 거쳐 SD CARD(저장장치)에 저장이 된다. NRZ-L 데이터 출력은 반대의 경로를 통해 전달된다. HPS의 CPU는 Cortex-A9가 사용되었고, OS로는 한컴 MDS인 NEOS Ver4.17이 사용되었다. Cortex-A9와 NEOS를 이용하여 SD/MMC, Ethernet, GPIP 인터페이스와 I2C, controller, DDR3 controller, QSPI controller, UART controller 구성이 가능하였다. PCM 저장장치의 소프트웨어 레이어 구성도는 Fig. 6에 표현하였다.

PCM 저장장치 내 SD CARD 32 Gbyte 내의 저장파일명은 1번부터 160번까지로 생성되도록 하여 파일 1개당 용량을 190 Mbyte로 제한하였다. 원격측정장치 데이터를 분할하지 않으면 데이터 전체가 덮어씌워지면서 직전에 저장된 전체 데이터가 유실될 가능성이 크고, 데이터를 너무 작게 분할할 경우 저장장치에 저장되는 파일의 수가 많아져 사용자가 다수의 파일을 다운로드하고 병합해야 하므로 사용성이 불편해진다. 파일 1개당 용량 190 Mbyte로 결정은 다음 수식을 따라 결정하였다.

여기서 X는 PCM 데이터 파일의 크기, FS는 PCM 저장장치에서 영상과 PCM이 통합된 데이터가 분할 저장되는 파일의 단위 크기, E[X]는 실제 저장된 PCM 파일 크기의 평균, σ는 PCM 파일 크기의 표준편차이다. R은 PCM 저장장치에서 저장되는 영상과 PCM 데이터에 대한 PCM 데이터의 비율이다. k는 저장장치에서 통합된 데이터를 몇 개로　나누어 저장할지 사용자가 결정하는 상수이다. 기존의 비행체 점검과정으로 획득한 PCM 데이터를 바탕으로 위 계산식을 적용하였고, 얻은 평균값 E[X]는 150 MB, σ는 40이었으며, k는 4로 적용하였다.

Fig. 7과 같이 160번째 파일이 저장이 완료되면 다시 첫 번째 파일부터 순차적으로 덮어씌우는 방식으로 저장하도록 하였다. 또한 저장파일에 시간 정보 기록하여 저장 시작과 종료 시점을 구분케 하였다. 저장 시간은 앞선 2.1절에 기술된 RTC를 이용한다.

PCM 저장장치가 지상 수신소와 연동하기 위한 운용도는 Fig. 8에 표현하였다. 체계 점검과정에 획득된 데이터는 궁극적으로 지상 수신소와 연동되어 데이터를 재생하거나 비행시험을 통해 획득된 데이터는 담당자들에게 배포된다. 즉 최종 사용자는 지상 수신소가 되며 담당자들은 각각의 PC로 저장된 데이터를 확인한다. 지상 수신소와 PCM 저장장치는 EXT_JIG를 통하여 DATA와 CLK을 보내고, 사용자는 이더넷 인터페이스를 통하여 데이터를 받고 UART 인터페이스를 통해 명령을 보낸다. PCM 저장장치의 사용자 운용 개념도는 Fig. 9에 표현하였다. PCM 저장장치가 저장할 준비가 되면 사용자(User)는 NEOS 콘솔(Command Consol) 창을 통해 저장, 재생, 전송, 삭제 등의 명령어를 보내고, PCM 저장장치는 이 명령에 따라 데이터를 저장, 재생, 출력 및 삭제 한다.

PCM 저장장치를 단독으로 점검하거나 지상 자료처리시스템과 연동하기 위하여 EXT_JIG 모듈을 설계하였다. 탑재 비행 중 저장장치로 저장한 데이터를 지상 자료처리 장치로 제공하기 위해 데이터 출력(데이터/클럭) 하고 반대역으로 지상 자료처리 장치의 비트싱크 출력(데이터/클럭)을 입력받아 저장할 수 있도록 NRZ 데이터 입/출력을 위한 BNC 포트가 장착되었다. 또한, 외부 직류 전원 장치를 통해 전원공급이 가능하도록 설계하였다. NRZ-L 신호를 전달받기 위하여 입력단에는 RS-422/485 트랜시버를, 출력단에는 버퍼를 삽입하였다. RJ-45 및 UART 인터페이스, RTC 배터리 체크, LED 및 자체점검 단자를 삽입하여 편의성을 높였다. EXT_JIG는 Fig. 10에 표현하였다.