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근접센서 모듈을 활용한 임의조작 감지 기능 구현 방법
양대규 기자 | 승인 2018.06.27 08:30

[EPNC=양대규 기자] 의료 기기, 각종 계량기, 그 밖에 다양한 유형의 전자 시스템들은 악의적인 임의조작에 대한 감지 기능과 임의조작이 발생했을 때 시스템과 데이터를 보호할 수 있는 견고한 수단을 필요로 한다. 예컨대 의료 기기의 경우, 임의조작으로 인한 성능 저하는 환자들에게 심각한 피해를 입힐 수가 있다. 계량기의 임의조작은 위변조 행위로 이어질 수 있으며, 이것은 해당 회사에 매출 손실을 초래한다. 임의조작을 감지할 수 있는 견고하면서 영구적인 수단이 필요한 이유다.

임의조작 감지 기능을 구현하기 위해서 어떤 기법을 사용할지 검토할 때는 다음과 같은 여러 요인들을 종합적으로 고려해야 한다. 대개는 이런 요인들을 절충해야 하는 경우가 많다.

▲비용
▲어셈블리 공정
▲비파괴식 또는 파괴식
▲수동 또는 능동 감지
▲기계식 또는 반도체 기술

최근 2년 사이 휴대전화기 설계에 적외선(IR) 근접 센싱 기술이 널리 도입되는 추세다. 다양한 근접 센싱 모듈 제품이 속속 출시되고 있으며 저전력 소비 또는 광학적 누화 제거 같은 성능 특성들이 크게 향상되고 있다. 이에 따라 통합 IR 센서 모듈이 임의조작 감지용으로 매력적인 기술로 주목 받고 있다. 이 글에서는 IR 기반 솔루션과 기존 기법들을 비교하고, 상업적으로 출시된 IR 센서 모듈을 사용해서 임의조작 감지 회로를 구현하는 방법에 대해 알아보기로 한다.

임의조작 감지를 위한 기존 기법들

임의조작 방지를 위한 가장 단순한 방법은 전도성 소재로 된 띠를 사용하는 것이다. 이 띠가 건드려지지 않고 그대로 있으면 하나의 전기적 회로를 이룬다. 그러다가 보호하고자 하는 기기의 커버가 열리면 이 띠가 끊어지면서 개방 회로가 된다. 그러면 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통해서 호스트 컨트롤러가 이 개방 회로를 감지하고 임의조작이 발생한 사실을 알게 된다. 이 방법은 단순하고 비용도 저렴하나, 파괴식 기법이라는 한계가 있다. 커버를 다시 제자리에 돌려놓더라도 임의조작 방지 메커니즘이 끊어져 있으므로 더 이상 임의조작 이벤트를 감지하지 못한다. 대부분의 제품에 있어서 이런 일회성 감지 메커니즘은 부적절하다.

이에 반해 비파괴 방식은 흔히 쓰이는 전기기계식 스위치를 사용한다. 이 기법은 호스트 컨트롤러가 이 스위치에 연결된 GPIO 또는 ADC 입력을 모니터링한다. 만약 시스템의 인클로저가 열리면 스위치 상태가 전환된 것을 컨트롤러가 알게 될 것이다. 파괴식 방법과 비교했을 때, 이 방법의 장점은 커버가 제거되거나 혹은 임의조작이 발생한 후에도 인클로저를 재조립할 수 있으며 스위치를 디폴트 상태로 리셋할 수 있다는 점이다.

기계식 스위치를 사용할 때의 가장 큰 단점은, 공기 중의 산소나 습도로 인한 산화나 부식에 취약하다는 것이다. 시간이 지나면서 부식이 발생하면 금속 스위치가 한쪽으로 고착될 수 있으며, 그러면 커버가 열리더라도 스위치가 이를 감지하지 못한다. 특히 계량기 같은 경우에는 작동 수명이 수십 년에 이를 수도 있으므로 기계식 스위치를 사용하는 것은 바람직하지 않다.

[그림 1] 베이스와 커버로 이루어진 인클로저 모습. IR LED 이미터와 포토다이오드 검출기가 베이스에 탑재되며, 커버가 열린 것을 감지할 수 있다.

반도체 기술을 사용하면 부식이 발생하지 않을 뿐 아니라 비파괴적인 임의조작 감지 회로를 구현할 수 있다. [그림 1]은 IR LED 이미터와 포토다이오드 검출기를 기반으로 한 비파괴 방식의 솔루션을 나타낸다. 베이스와 커버를 조립하면 커버 상의 반사 탭이 포토다이오드 검출기와 맞춰진다. 베이스의 근접센서가 주기적으로 빛을 방출해서 커버가 제자리에 있는지를 확인한다. 만약 포토다이오드가 LED로부터 반사되는 빛의 세기가 특정 임계값을 넘는 것으로 감지하면 커버는 아무 이상이 없는 것이다. 커버가 열렸다면 포토다이오드로 반사되는 빛의 세기가 급격하게 감소할 것이다. 이것은 임의조작이 일어났음을 뜻한다.

이 방법은 비파괴식이다. 베이스에 IR LED와 포토다이오드를 탑재한다. 그리고 시스템 전원에 연결돼 있는 한 계속해서 작동한다.

이 솔루션은 디자인이나 어셈블리를 간단하게 할 수 있다. 베이스에만 회로들이 필요하고 커버에는 그렇지 않기 때문이다. 이 점은 자기 스위치를 사용한 비접촉 감지 방법과는 대조적이다. 이 방법은 커버에 영구 자석을 탑재하고 베이스의 스위치와 정렬시켜야 한다. 그러면 커버를 열었을 때 스위치로 노출되는 자기장이 약해짐으로써 무슨 일이 일어났다는 것을 알 수 있다. 이런 자기적 방법은 어셈블리하기가 좀더 복잡하며 부유 자기장으로부터 간섭 위험성이 있을 수 있다.

IR 센서 회로에서는 IR LED가 방출하는 펄스를 변조하는 것이 도움이 된다. 그리고 포토다이오드를 LED의 특수한 변조 방식을 인식하도록 구성할 수 있다. 포토다이오드는 LED로부터 방출되는 빛을 햇빛 같은 주변 IR 광원과 구분할 수 있으며, 그럼으로써 주변 빛의 광학적 간섭 때문에 임의조작을 감지하지 못하는 문제를 피할 수 있다. 이런 능동 임의조작 감지 메커니즘은 임의조작을 시도하려는 자들에게는 새로운 난관이 된다. 단순히 센서에 표준 IR 광원으로부터의 빛을 쏘이는 것만으로는 센서가 무력화되지 않기 때문이다.

[그림 2] 통합 IR 근접센서 모듈 제품인 TMD2620의 블록 다이어그램

ams의 TMD2620 같은 통합 근접센서 모듈 제품을 사용하면 비파괴식 능동 임의조작 감지 시스템을 손쉽게 구현할 수 있다. 이 모듈 제품은 IR 다이오드 이미터와 포토다이오드 검출기를 단일 패키지로 통합하고 있다[그림 2].

많은 스마트폰 디스플레이의 제어 회로에 이런 근접 모듈이 사용된다. 스마트폰에서는 음성 통화 시 단말기가 사용자의 얼굴 가까이로 근접함에 따라서 디스플레이를 오프 하는 용도로 근접센서가 쓰인다. 이를 통해 전력을 절약하고, 새어 나온 빛이 사용자의 눈으로 비치지 않도록 하고, 화면의 터치 센서를 비활성화할 수가 있다. 근접 모듈이 규모가 큰 스마트폰 시장에 널리 사용되면서 최근 몇 년 사이 가격이 크게 떨어졌다. 또한 최신 센서 모듈은 이전 모델들보다 훨씬 더 낮은 전력을 소비한다.

소형 크기의 TMD2620 모듈(3.1x2.0x1.0mm)은 I2C 인터페이스를 포함하므로 거의 모든 마이크로컨트롤러들과 통신이 가능하다. LED 펄스 출력은 다양한 폴링, 타이밍 패턴과 주파수로 구성할 수 있다.

디스크리트의 LED와 포토다이오드 대신 모듈을 사용하면 여러 면에서 유리하다. ams의 패키지는 최적화된 광학적 경로를 제공함으로써, LED 뒤쪽 커버 유리에서 포토다이오드까지의 내부 반사로 인해 발생하는 광간섭을 매우 낮은 수준으로 낮춘다. [그림 3]은 근접센서의 동작에 영향을 줄 수 있는 다양한 광학적 반사를 보여준다.

[그림 3] 근접 감지 센서 시스템에서의 광학적 반사

IR 모듈 기반 설계는 기대 동작 수명이 길고, 기계식 스위치가 일으키기 쉬운 부식이나 고장을 일으키지 않는다. 기성품 근접 모듈을 사용하면 디스크리트 소자를 사용할 때보다 제품 출시 시간을 단축할 수 있으며 더 간편하게 구현할 수 있다.

물론, 기계식 스위치 기반 회로나 전도성 소재 띠는 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다. 그렇다면 IR 근접 센싱 솔루션은 어떨까?

이 글 뒷부분에는 TMD2620 모듈의 내부 레지스터를 구성하기 위해서 시스템 호스트 마이크로컨트롤러로 실행할 수 있는 코드 예제를 실어두었다. 이를 참고하면 TMD2620 기반 임의조작 감지 시스템을 구현하고 실행하기 위해서 어떠한 코딩이 필요한지 알 수 있을 것이다.

가장 먼저 할 일은, 인에이블 레지스터(0x80)에 값을 써 넣어서 MCU가 근접센서를 실행시키도록 하는 것이다. 그러면 IR LED가 포토다이오드 IR 검출기와 동기화해 IR 펄스를 방출하기 시작한다.

포토다이오드가 측정한 빛의 세기는 TMD2620에 통합된 ADC에 의해 디지털 값으로 변환된다. 이 판독값들은 시간에 따라 적분된다. 적분값이 일정 기간 동안 특정한 임계값을 넘으면 베이스와 커버가 서로 가깝게 있는 것으로 판단할 수 있다. 다시 말해서 임의조작이 일어나지 않은 것이다.

이 시스템의 전력 소모는 IR LED가 빛을 방출하는 주파수에 비례한다. 아래 코드 예제의 경우에, 대기 시간 레지스터는 호스트 마이크로컨트롤러에 의해서 8.65초(가능한 최대 간격)로 설정돼 있다. 즉, 8.65초 간격으로 근접도에 대한 판독을 실행하는 것인데, 이 정도의 실행 빈도는 대부분의 애플리케이션에서 적절한 수준일 것이다. 8.65초보다 짧은 시간 동안 임의조작이 일어나기는 어려울 것이기 때문이다.

TMD2620은 근접 인터럽트 비트를 포함한다. 아주 가까이에 어떤 물체가 감지되면 이 비트가 선언된다. 하단과 상단 근접 임계값은 각 0x88과 0x8A 레지스터를 사용해서 설정된다.

지속성 필터링 레지스터(0x8C)는 원하는 임계값을 넘는 판독이 연속으로 특정 횟수만큼 발생했을 때 인터럽트를 생성할 수 있다.

상태 레지스터(0x93)는 근접 인터럽트(비트 5)를 포함한다. 모듈 가까이에 어떤 물체가 감지됐을 때 이 비트가 선언된다. 이 인터럽트 비트는 상태 레지스터 판독을 실시할 때마다 자동으로 소거되도록 구성할 수 있다. 이 인터럽트가 선언될 때마다 시스템 MCU가 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 실행할 것이다. 그러면 ISR이 근접 데이터 레지스터(0x9C)를 검사해서 적분 값이 높은 값을 나타내는지를 확인한다. 만약 적분값이 높게 나타나면 베이스와 커버가 여전히 붙어 있는 것이고, 낮은 값이면 베이스와 커버가 서로 분리돼 있다는 것, 즉 임의조작이 발생했을 수 있음을 나타낸다.

MCU는 임의조작이 발생했을 때의 타임 스탬프를 기록하고 이의 지속시간을 측정할 수 있다. 근접 인터럽트는 MCU가 센서 폴링 프로세스를 관리하지 않아도 되게 해준다는 점에서 편리한 기능이다. 근접 인터럽트 기능에 의해서 호스트 컨트롤러 동작을 더더욱 간소화한다.

앞서 설명한 대로 구성했을 때 이 LED는 8.65초의 간격으로 4μs 동안 6mA를 소모한다. 그러면 이 IR LED의 평균 전류 소모는 2.77nA이다. 전체적인 모듈은 전원이 켜져 있을 때 정격으로 약 30μA를 소모하며, 데이터 판독을 할 때는 좀더 늘어난다.

맺음말

IR LED 근접 모듈을 사용하면 임의조작 감지 기능을 쉽게 구현할 수 있다. 최종 제품 하우징의 한쪽에만 회로들이 필요하기 때문이다. 또한 IR LED 근접 모듈은 비파괴식이며, 부식을 일으키지 않고, 동적 모니터링이 가능하다. IR LED의 출력을 변조함으로써 주변 빛으로 인한 간섭 위험성을 없앨 수 있으며, 커버가 베이스로부터 분리되는 것을 감지할 수 있는 영구적이고 신뢰할 수 있으며 견고한 감지 수단을 제공한다.

글: 짐 아키발드(Jim Archibald)

제공: ams

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양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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