배터리 구동 IoT 환경에서 USB 접속 기술 구현방법

지난 십년 동안 USB 표준은 사용 편리성과 플러그앤플레이(plug-and-play) 기능성, 견고성으로 다양한 기기에 연결할 수 있는 인터페이스로서 산업 및 소비자 기기 설계자들이 채택해 온 기술이다.

USB는 소비자가 주변 기기를 제어하고 데이터를 전송하는 방법을 단순화 시키고자 하는 주목적을 달성했다. 30억개 이상의 USB 사용 가능 기기가 시장에 출시되고 있는 가운데 USB는 컨수머 애플리케이션에서 가장 빠르게 성장한 인터페이스이며 산업 시장에서 괄목할 만한 성장을 이룬 기술로 손꼽히고 있다. 

그러나 USB의 사용 편리성, 플러그앤플레이 기능, 견고성은 임베디드 솔루션 설계자, 특히 사물 인터넷(IoT) 환경에 맞는 전력 민감한 배터리 구동식 연결 기기 제품을 설계하는 엔지니어가 고려해야 되는 요소다. 소형 휴대용 기기의 경우 통신 인터페이스로서 USB를 추가하면 최소한 애플리케이션 전류 소비는 2배 증가하며 처음에 의도했던 것보다 더 많은 용량의 배터리가 필요하게 된다. 

일반적인 통신용 시리얼 인터페이스를 범용 USB 인터페이스로 업그레이드하면 에너지 예산에서 예측하지 못한 제한이 따르곤 한다. 따라서 개발자의 설계 방향은 소비자가 선호하지 않는 방향으로 갈 수 있다.

즉 배터리 크기를 2배로 확장시키고 비용을 추가시킬지 또는 필수적인 차별화 기능을 축소해야 할지 선택해야 하는 경우가 있다. 이 기고글에서는 USB 표준이 모든 PC 연결을 표준화한다는 목표로 시작한 후 IoT용 소형 배터리 구동 기기에 이르기까지 모든 기기와 통신을 실현시킨 최신 기술로써 발전한 과정에 대해 살펴보고자 한다. 

USB 발전사
1990년대 말 제조된 데스크탑 PC 뒷면을 살펴봤다면, 컴퓨터에 다양한 형태의 하드웨어를 연결하기 위한 표준이 많다는 것을 금방 알게 될 것이다. 연결 옵션은 5핀 DIN, PS/2, 시리얼 포트, 병렬 포트, 그리고 아마도 SCSI(scuzzy) 한 개 또는 두 개가 있으며 게임을 한다면, 사운드 카드에 게임 포트가 있을 것이다. 

USB 개발자는 이와 같은 분리된 연결 부분들을 인식하고, 1995년 다른 모든 연결 부분들을 대체할 수 있는 한 개의 공용 M2M 표준을 개발하기 시작했다. 1990년대 말, USB가 처음 채택되었을 때 다양한 연결 부분에 추가되는 또 다른 커넥터로 PC에 추가되었다.

그러나 2000년대, USB가 사실상 보편화되면서 몇 번의 업데이트를 거친 후 이제 가장 광범위하게 사용되는 M2M 인터페이스 중 한 가지가 되었다. USB 표준의 성공은 노트북이나 스마트폰을 보면 확실하게 알 수 있다.

스마트폰의 커넥터(연결 단자)는 USB 뿐이다. 2010년 이후 노트북을 구매했다면, 디스플레이용 커넥터와 네트워크 커넥터를 비롯해 USB 커텍터만 있다는 걸 알 수 있다. 또한, 터치패드와 키보드, 기타 현재 노트북과 태블릿에서 사용되는 주변 기기는 USB로 메인 프로세서와 통신한다. 

USB 표준은 연결 구성을 기기와 호스트로 분류한다. 호스트는 통신을 시작하고 전력을 공급하는 기기이다. 책상에 있는 노트북 또는 데스크탑 PC가 이에 해당된다. 이 기기는 호스트에 연결해서 호스트의 요청에 간단하게 반응하는 다운스트림(downstream) 기기이다. 책상에 있는 마우스와 키보드가 USB 기기의 사례이다.

USB 커넥터의 매력은 연결된 기기에 전력을 공급해서 마우스 또는 외장 하드 드라이브에 외부 전력 공급이 필요 없다는 것이다.

USB 표준은 호스트가 기기에 최소한 100mA의 전류를 공급한다고 명시하고 있으며 운이 좋다면, 500mA도 공급이 가능하다. 이러한 전력 성능은 초기USB 표준에서 시작된다. PC는 항상 호스트였으며, 벽에 설치한 콘센트를 통해서 전력을 공급받았다.

PC 애플리케이션에 주전원을 항상 풍부하게 공급할 수 있기 때문에, 이와 같은 USB 표준 요구 사항은 저전력 애플리케이션용 USB 개발 중단이 현실적으로 효과적이었다. 

그러나 검증 받은 M2M 인터페이스가 오늘날의 배터리 구동식 IoT 환경을 충족시킬 경우 무슨 일이 벌어질까? 호스트가 항상 휴대용 기기라면 어떤 영향을 미칠까? 
 
오늘날의 USB 하드웨어에 대한 영향
현재 휴대용 기기 애플리케이션의 경우, 많이 사용되는 용어가 ‘전력 예산이다. 전력 수요는 기기가 얼마나 많은 에너지를 소비하는지를 표시하며, 배터리 크기와 필요한 배터리 수명을 기준으로 한다.

예를 들면, 250mA 배터리가 있으며 2일간(48시간) 배터리 수명이 필요한 애플리케이션의 전력 예산은 약 5mA이다. 이와 같은 전력 예산은 센서 인식 및 처리에서 통신 및 구동 화면에 이르기까지 개발자가 원하는 모든 기기 기능에 적용되어야 한다.

마이크로컨트롤러(MCU)가 더욱 작아지고, 배터리가 지난 20~30년간 이상 진화하면서, 휴대용 풍속계, 오실로스코프에서 디지털 음주측정기, 원격제어기기까지 휴대용 전자 기기가 폭발적으로 증가해왔다.

그러나 쿼드코어 기가헤르쯔(gigahertz) 프로세서가 포함된 스마트폰이 출시되면서 제조업체가 전력이나 사용자 인터페이스를 처리하는 것에 대해 더 이상 우려하지 않게 되었고 이에 따라 스마트폰과 함께 더욱 많은 휴대용 기기들이 출시되고 있다.

이러한 시장동향은 저렴한 비용의 추가적인 기기의 확산을 촉진하고 있다. 스마트폰용 Kickstarter-backed Vaauvud 풍속계, 아이폰에 연결하는 음주 측정기 등이 이에 해당된다. 이 두 가지 애플리케이션은 저렴하지만 최적은 아닌 애드혹 인터페이스인 HiJack 인터페이스를 사용한다. 

사실상 범용이며 사용자 친화적인 휴대용 기기를 설계하기 위해서는 USB와 같이 더욱 적합한 M2M 인터페이스를 선택할 것이다. USB는 호스트와 무관한 기기를 설계할 수 있도록 하며 이것은 맥(Mac) 또는 윈도우 전화기 또는 안드로이드 태블릿 등 어디에 연결해도 문제가 되지 않는다는 것을 의미한다.

따라서 추가적인 이 모든 기기들을 USB를 이용해 매일 사용하는 배터리 구동 기기로 연결하고 싶다면, 원래 USB 사양에서 전혀 문제가 되지 않는 전력 소비가 USB 기반 솔루션 선택을 위한 최우선 순위로 급부상하게 된다.

온보드 주변기기와 통신하기 위해 태블릿 또는 노트북의 중요한 배터리 수명을 낭비하고 싶지 않을 것이다. 배터리를 빨리 소모시키는 단순한 스마트폰 용 추가 앱도 원하지 않을 것이다.

범용 M2M 인터페이스의 경우 거의 모든 외장 기기를 사용할 수 없기 때문에 적합한 USB 가능 하드웨어를 선택해서 더욱 소량의 에너지를 사용할 수 있는 기기를 개발할 수 있다.

배터리 구동 환경을 위한 USB 기술
USB 기술이 사용 편리성, 플러그앤플레이 기능을 유지하면서 전력 소비 측면에서 개선될 수 있는 방법을 이해하기 위해 우선 USB 통신 원리를 간단히 살펴보자. 일반적으로 호스트만 전송기능을 담당할 수 있다.

통신 상태가 아니더라도 호스트는 1000분의 1초마다 기기에 지속적인 메시지를 전송합니다. 기기는 사용 가능한 데이터를 가지고 있는 경우, 응답할 것이다. 이와 같이 활성 모드에서 기기는 최대 전력이 100mA이며 호스트는 기기가 요청에 즉시 반응할 것으로 예측된다.

호스트가 지속적인 메시지를 3ms동안 전송하지 않으면 기기는 정지 상태로 되면서 즉시 전류 소모를 3mA이하로 줄인다. 

정지 상태의 경우 대부분의 기기는 전원을 끌 수 있으며 대부분 물리층 프로토콜에서 가장 전력을 많이 사용하는 부분의 전원을 차단할 수 있다.

현재 MCU는 간단하게 3mA 정지 전류를 실행할 수 있지만 이와 같이 높은 수치로 유지할 필요는 없다. 세밀한 에너지 모드가 있는 MCU는 이 모드에서 PHY 의 전류 사용량을 포함해서 최대 3uA를 달성할 수 있어야 한다.

그러나 활성 모드에서, 일반 키보드 기기의 USB 통신을 검사할 때, 활성 모드는 사실상 활성 모드가 아니다. 대부분의 시간 동안 기기는 호스트가 데이터를 전송하기를 기다린다.

그러나, 호스트가 기기에 응답을 요청하면 언제든지 즉각적인 반응을 제공해야 한다. 대부분의 구현에서 충분한 응답 시간을 보장하기 위해 항상 USB 주변 기기를 48MHz로 유지하는 이유이다. 이와 같은 특별한 사례에서, 연결되고 활성상태인 경우에도, 통신 라인은 97% 대기 상태이다.

배터리 구동 애플리케이션을 위해 최적화된 USB 구현은 이와 같은 전력 관리 사항들을 고려하고, 시계가 필요한 시점과 운영 시간, 전력 차단을 할 수 있는USB의 다른 부분을 정확하게 결정한다.

실리콘랩스는 USB 인터페이스를 현재 배터리 구동 사물 인터넷 환경에서 더욱 효율적으로 활용할 수 있도록 하기 위해, 제조업체와 고객들의 피드백을 적용한 디자인 특허 2건에 대한 승인을 기다리고 있다. 활성 상태에서도 에너지 효율적인 통신은 크리스탈이 없는 USB 오실레이터를 적용하고 그림 1에 보듯이 전력을 많이 소비하는 USB 연결 부분을 패킷 간에 비활성화시킴으로서 실현될 수 있다. 

물론 저전력 USB는 개발자와 사용자가 볼 수 없는 방식으로 구현해야 한다. 주목할 만한 것은 그림 2에 설명된 바와 같이 저전력 모드(LEM)로 전력 소비를 현저히 감소시킨다는 것이다.

개발자는 이 기술을 크리스탈이 없는 USB 구현, 클록 복구 등 다른 공간 및 비용 절감 기능과 결합시켜서 추가적인 외장 기기가 필요 없이 진정으로 초저전력 범용 사물통신 인터페이스를 실현할 수 있다. 

결론
USB 인터페이스는 일반적인 데스크탑 PC에서 복잡한 케이블을 감소시킬 수 있는 단순한 소망에서 출발해서 사실상 소비자 기기 인터페이스용 표준으로 발전해 왔다. USB 가능 휴대용 기기의 확산으로 통합된 USB 주변 기기에 대한 새로운 설계 요구 사항이 요구되고 있다.

새로운 지능형 USB 하드웨어는 비용 및 전력을 감소시키면서 배터리 수명을 연장할 수 있다. 크리스탈이 없는 USB 기술과 결합할 때, 광범위하게 사용되는 USB 표준은 모든 연결 기기를 스마트하고 에너지 친화적인 기기로 연결성을 구현시킬 수 있다.

글 : 알프 페터 시버스텐(Alf Petter Syvertsen), 실리콘랩스 32비트 MCU 제품담당
자료제공 : 실리콘랩스(www.silabs.com)