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저항성 터치 솔루션 기술 및 설계에 대한 이해 터치라이팅패드 설계하기

저항성 터치스크린 기술은 다른 터치 기술에 비하여 비용 경쟁력이 높으며 임베디드 시스템 설계에 매우 손쉽게 통합할 수 있다. 저항성 터치스크린 기술은 최대 19인치 크기의 터치 패널에 주로 사용되고 있다. 핑거 터치 감지와 포인트 스타일러스 터치 감지 모두를 지원하기 때문에 소비가전 애플리케이션 분야에서 저항성 터치 제어의 영역이 확장되고 있다. 이 글에서는 저항성 터치스크린 기술의 특징, 구현 문제, 잠재적인 애플리케이션 등에 대해 집중적으로 살펴볼 것이다.

 글: 멘카 탄그리(Menka Tangri)/ ST마이크로일렉트로닉스
www.st.com

 
PDA, GPS 장치, 디지털카메라, MP3, DVD 플레이어 등의 휴대형 제품을 비롯하여 뮤직 시스템, POS(point of sale) 단말기, LED 조명까지 모든 전자 제품의 설계에는 사용자 제어를 위해 소프트 터치 기능의 현대적인 외형과 매력적인 장식을 갖춘  인터랙티브 패널이 요구된다. 저전력 터치 감지 기술이 접촉감각의 스타일리시한 전자 상호작용 기능을 통해 사용자 인터페이스 설계 윈도우에서 우월한 입지를 차지하고 있다.

설계 관심사항 및 기술

터치 감지 기술은 소비가전 시장을 뛰어넘어 확대되고 있으며, 미적인 외관, 유지보수, 비용, 위생 등의 이유로 의료, 산업, 자동차 애플리케이션도 장악하기 시작했다.
터치 현상은 정전용량성(capatitive), 저항성(resistive), 유도성(inductive), 표면탄성파(surface acoustic wave), 적외선(infrared) 등의 몇 가지 기술로 구현된다. 각 설계 기술은 서로 다른 장단점을 가지고 있다. 정전용량성 기술은 PCB 내 전극 설계에 기반하며, 터치키, 슬라이더, 그리고 간단한 핑거 터치로 사용자의 편의를 향상시키는 휠 기능 등의 애플리케이션에서 매우 인기를 얻고 있다. 음파에 기반 한 표면탄성파 터치 기술은 놀이공원이나 소통량이 높은 실내 환경에서 사용되는 설계와 같이 뛰어난 선명도와 함께 광전송이 필요한 설계에 적용된다. 광차단(light interruption)에 기반 한 적외선 터치 기술은 매우 큰 프레임 형태의 저해상도 스크린에서 사용된다. 유도성 터치스크린 기술은 플라스틱, 알루미늄, 스테인레스 스틸 등의 물질로 제작되거나 표면이 액체와 직접 접할 수 있는 전면 패널에서 주로 사용된다.
저항성 터치스크린 기술은 다른 터치 기술에 비하여 비용 경쟁력이 높으며, 임베디드 시스템 설계에 매우 손쉽게 통합할 수 있다. 저항성 터치스크린 기술은 최대 19인치 크기의 터치 패널에 주로 사용되고 있다. 핑거 터치 감지와 포인트 스타일러스 터치 감지 모두를 지원하기 때문에 소비가전 애플리케이션 분야에서 저항성 터치 제어의 영역이 확장되고 있다(그림 1).
이 글에서는 저항성 터치스크린 기술의 특징, 구현 문제, 잠재적인 애플리케이션 등에 대해 집중적으로 살펴볼 것이다.

저항성 터치 센서 컨트롤러 선택에 필요한 설계 이해

저항성 터치스크린은 현재 손쉽게 이용할 수 있으며  가격 역시 시간이 갈수록 낮아지고 있기 때문에, 저항성 터치 사용자 인터페이스의 설계 영역이 확장될 것이라는 사실에는 의심의 여지가 없다. 애플리케이션을 위한 최고의 터치 기술을 선택하기 위해서 애플리케이션의 요구사항을 심도 있게 분석해야만 한다. 저항성 기술은 PCB 설계를 쉽고 간편하게 해 주는데, 정전용량성과 유도성 기술에서 각각 필요한 PCB 상의 전극 설계와 코일 에칭이 전혀 필요하지 않기 때문이다. 터치스크린이 디스플레이 위에 직접 씌워지기 때문에 기계적인 스위치 또는 정전용량성 터치 키 전극을 위해 필요한 PCB 공간 역시 절감된다. 저항성 터치스크린은 탄광 또는 건설 현장과 같이 폭발 위험성이 있거나 먼지가 많은 거친 환경에서 사용하는 것이 권고되지 않는다. 저항성 터치스크린의 작은 손상만으로도 터치 감지 정확도와 선형성이 훼손될 수 있기 때문이다.
디스플레이가 작고 비용이 관건인 스마트폰, 홈오토메이션 시스템 및 PDA와 같이 광범위하게 사용되는 소비가전 제품에서  저항성 터치 기술이 기술 채택 비교 분석에서 우위를 차지하고 있다.

저항성 터치스크린의 동작 방법

·저항성 터치스크린은 터치 반응 표면으로 이루어진 투명 유리 시트이다.
·저항성 터치스크린 패널은 얇은 공간으로 분리된 2개의 저항성(ITO - Indium Titanium Oxide, 인듐 티타늄 산화) 층으로 구성된다.       
·저항성 터치스크린 층은 터치 위치 감지를 위한 분압기(voltage divider) 회로로서 동작하는 저항성 네트워크를 형성한다. 
·스크린을 터치하면 저항성 네트워크에 의해 형성된 분압기에 전압 변동이 발생한다. 이러한 전압 변화는 스크린에 터치하는 위치를 결정하는 데 사용된다.
·터치스크린 컨트롤러(TSC, touch screen controller)는 획득된 아날로그 전압을 디지털 터치 좌표로 변환하는 데 사용된다. 내장된 ADC 채널을 통해 터치스크린 컨트롤러는 아날로그 전압 측정을 위한 전압계(voltmeter)로서 동작한다.
·터치 시 전압계로서 동작하는 터치 컨트롤러는 우선 전압 변화 VDD를 X에, GND를 X-에 인가한다. 다음으로 Y- 저항의 아날로그 전압을 조사하고 ADC를 사용하여 (그림 2)에 나타난 바와 같이 X 좌표를 계산하여 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환한다. 이 경우 Y-가 감지 와이어(sense wire)가 된다. 이와 같은 방법으로 전압 변화를 Y와 Y-에 인가함으로써 Y 좌표를 측정한다.
·일부 터치스크린 컨트롤러는 터치 압력 측정 기능(즉 Z 축 측정 기능)도 제공한다.  Z 좌표의 경우, 전압 변화가 Y와 X-에 인가된다. 

저항성 터치 감지 IC는 주로 다음의 2가지 형태로 제공된다.
·소프트웨어 터치 감지 솔루션
·전용 터치스크린 컨트롤러 IC


그림 2 저항성 터치스크린: X 좌표 측정 : 검정색 점은 전압 변화 지점을 나타내며 분홍색 점은 터치 접촉 지점을 나타낸다.

소프트웨어 터치 감지 솔루션의 경우, 주로 MCU가 모든 터치 감지 및 좌표 계산 태스크를 담당한다. MCU 기반 소프트웨어 알고리즘은 터치 위치 전압 측정을 위한 내부 MCU ADC를 사용하여 터치 감지와 좌표 처리를 수행한다.
전용 터치스크린 컨트롤러의 경우, 터치스크린 컨트롤러는 터치 이벤트에 대한 인터럽트와 터치 좌표들에 대한 디지털 데이터를 시스템 호스트(MCU)에 제공한다. 다음으로 호스트(MCU)는 디지털 데이터를 판독하여 사용자가 기대하는 동작을 수행한다.
MCU 파리미터 계산에 기반 한 설계 접근방법은 빈번한 터치들을 관리하기 위해서 매우 신속한 MCU 서비스를 필요로 한다. 따라서 이는 신속한 터치 감지에서는 신뢰성이 높은 설계는 아니다. 또한 데이터 평균화와 터치 감지 지연 기능이 없기 때문에 정확도 역시 낮다. 향상된 데이터 샘플링, 측정 평균화, 터치 감지 지연 설정, 디지털 터치 좌표 계산 성능을 제공하는 전용 터치스크린 컨트롤러 칩이 진정한 터치스크린 컨트롤러라고 할 수 있다. 이들 칩은 집적이 간편하고 보다 높은 수준의 성능을 제공한다.

저항성 터치스크린의 분류

저항성 터치스크린은 터치스크린이 제공할 수 있는 감지 와이어 수에 따라 추가적으로 분류될 수 있다. 주로 4-와이어, 5-와이어, 8-와이어의 3가지 유형으로 분류할 수 있다. 4-와이어 터치스크린은 2개의 다른 레이어(한 개의 레이어에서는 X, X-, 다른 한 개의 레이어에는 X, Y-)에 버스 바 전극을 제공한다. 5-와이어 터치스크린은 하측 레이어에 대해서만 원형 전극(X, X-, Y, Y-)을 제공한다. 상측 레이어는 터치 시 전압 측정을 위해서만 사용되며 전압 변화는 하측 레이어에만 인가된다.
8-와이어 저항성 터치스크린의 동작 원리는 4-와이어 터치스크린과 유사하다. 전체 8-와이어를 구성하는 각 4-와이어에 대해 추가적인 레퍼런스 전압 라인을 추가한다. 4개 추가 와이어는 각 4개의 와이어에 대해 레퍼런스 전압을 제공하기 위해 사용된다. 이것은 비율-척도(ratio-metric) ADC 측정 원리를 통해 동작한다.
4-와이어 터치스크린은 저비용 특성과 터치 감지 알고리즘의 단순성 때문에 저가 소비가전 제품에서 매우 일반적으로 사용된다. 5-와이어 및 8-와이어 터치스크린은 하이-엔드 의료기기, 중요한 산업용 제어 유닛 등과 같은 고가 솔루션에서 주로 사용된다.

메뉴 내비게이션 이상의 기능 제공

터치 좌표들을 디스플레이 좌표에 맵핑함으로써 간단한 소프트 터치를 통해 장치를 실행할 수 있는 방법을 제공한다. 애플리케이션의 디스플레이 패널에 실장된 터치스크린을 통해 메뉴 내비게이션, 사진 및 지도 열람, 뮤직 제어, LED 밝기 조정 등과 같은 기능들을 간편하게 실행할 수 있다. 이와 같은 애플레케이션에서는 손가락 또는 스타일러스를 사용하여 정보검색을 할 수 있다. 포괄적인 터치 기능과 함께 스타일러스 감지 기능에 대한 지원은 PDA에서의 그림 붓 그리기 성능과 손으로 쓰는 SMS 등과 같은 새로운 애플리케이션 아이디어들을 통해 임베디드 디자인 하우스들이 제공하는 제품에 새로운 가치를 부가한다.
Z축 압력 측정과 X축 및 X축의 필기 측정 흐름을 통해 필기 인식 기능을 실행할 수 있다. 랩톱에 임베디드된 저항성 터치 패드를 통해 사용자는 자신의 손가락으로 PC를 브라우징하고 포인트 스타일러스 펜을 사용하여 스캔된 문서에 서명을 할 수 있다. e-리더 패널에 실장된 터치스크린을 통해 사용자는 스타일러스를 사용하여 자신의 e-북에서 주요 내용에 쉽게 줄을 긋고 종이문서에서와 같이 책장을 넘길 수 있다.

시스템 아키텍처와 설계

터치 감지 솔루션 설계의 주요 블록은 (그림 3)에 나타난 바와 같이 터치스크린 패널, 터치스크린 컨트롤러(TSC), 디스플레이 패널, 메인 호스트 프로세서 등이다. 호스트 프로세서로는 저가 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다. 호스트는 1개 또는 2개의 와이어 인터페이스 프로토콜(I2C/SPI)을 통해 터치스크린 컨트롤러 초기화와 디지털 좌표 데이터 판독 등을 관리한다. 호스트는 또한 볼륨 조정, 이미지 변경, 필기 디스플레이 등과 같이 필요한 동작을 위한 사용자의 터치를 맵핑한다. 대부분의 소비가전 기기들은 디스플레이 패널을 사용한다. 동일한 디스플레이를 사용하여 HMI(human/machine interaction)를 위한 아이콘을 표시할 수 있다.
저항성 터치 감지 사용자 인터페이스를 제공하는 시스템을 설계하기 위한 애플리케이션의 복잡도는 터치 해상도 요구사항에 의해 결정된다. 터치 해상도는 또한 터치스크린 컨트롤러의 ADC 해상도에 의해 결정된다. 다른 중요한 요소는 터치스크린 컨트롤러의 전력소모 특성이다. 인터럽트 기능과 저전력 대기 상태를 제공하는 터치스크린 컨트롤러를 사용할 것을 권고한다. 시스템과 사용자 상호작용이 존재하지 않을 경우에 시스템은 저전력 상태로 전환되어야 하며 터치가 있을 때에 동작을 개시하여 터치 전압 디코딩을 수행해야 한다. 이러한 성능은 배터리 전하의 각 클롱(coulomb)이 정확한 휴대형 애플리케이션에서 요구되고 있다.
내부 버퍼가 있는 터치스크린 컨트롤러를 사용하면 빈번한 터치를 감지하는 데 매우 도움이 된다. 필기의 경우, 터치가 연속적인 흐름을 가지게 된다. 따라서 터치스크린 컨트롤러가 FIFO 버퍼를 포함하고 있다면 FIFO가 모두 채워진 다음에 데이터 처리를 할 수 있다. 이것은 호스트의 처리성능 오버헤드를 줄여준다. 대형 스크린(6인치 이상)의 경우, 터치스크린의 유도 판(conductive plane)들에 의해 나타나는 잡음이 터치스크린의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 커패시터를 터치스크린(X/X-, Y/Y-)에 추가하여 고주파수 잡음을 줄일 수 있다.

구현 예제

저항성 터치 감지 솔루션에 대해 보다 확실하게 이해하기 위해서 저비용 라이팅 패드 솔루션(그림 4)의 구현방법에 대해 분석해 보자. 이 예제에서 라이팅 패드를 구현하기 위해서 ST마이크로일렉트로닉스의 첨단 저항성 터치스크린 컨트롤러 STMPE811와 32비트 MCU인 STM32 high density 를 호스트 프로세서로 사용했다.
솔루션은 사용자에게 TFT-LCD 상에서 실시간의 필기 경험을 제공한다. 4-와이어 저항성 터치스크린 상의 스타일러스 펜의 X와 Y 좌표가 TFT-LCD 디스플레이 패널 상의 선 그림으로 맵핑된다. 제시한 라이팅 패드 설계의 경우, 2.4" 터치스크린이 2.4"(QVGA 해상도) TFT-LCD 패널에 실장되었다. 대부분의 휴대전화와 PDA에서는 이보다 낮은 해상도의 스크린이 사용된다. 감지한 터치를 디스플레이 위치에 정확하게 맵핑할 수 있도록 관리하기 위해서는 터치스크린 및 디스플레이 패널의 해상도가 중요하다. 다른 중요한 점은 터치스크린의 축(X/Y)에 따른 터치 좌표의 변화이다. 이것은 터치스크린의 제조 방법에 의해 결정된다. 일부 터치스크린의 경우, TSC로부터 획득된 좌표값이 터치스크린의 축에 따라 위에서 아래로 감소하거나 아래에서 위로 증가한다.
이때 TSC는 I2C 프로토콜을 사용하는 32비트 MCU를 통해 인터페이스된다. TFT-LCD 패널은 MCU의 FSMC(flexible memory interface)를 사용하는 MCU를 통해 인터페이스된다. MCU는 ADC 샘플링 속도, 평균화 값 등과 같은 다양한 파라미터 설정을 위해 TSC를 구성한다. I2C 프로토콜 인터페이스뿐만 아니라 TSC는 터치 감지를 위해 출력 인터럽트 핀을 제공한다. TSC의 인터럽트 핀은 MCU의 외부 인터럽트 포트 핀에 연결된다. 이 솔루션에 사용된 TSC는 12비트 ADC와 128개의 터치 데이터 세트를 제공하는 FIFO로 구성되어 있다. TSC에 의해 터치가 감지되었을 경우에 MCU는 외부 인터럽트 핀에서 인터럽트를 받아서 I2C 프로토콜을 통해 TSC의 FIFO로부터의 데이터를 판독한다. 12비트 값이 각각의 X 및 Y 좌표 데이터를 위해 제공된다. 터치 좌표를 픽셀 디스플레이 좌표에 맵핑하는 소프트웨어의 경우, 계산은 디스플레이 패널의 해상도와 터치스크린의 해상도에 기반하여 수행된다. MCU는 TFT-LCD 픽셀 디스플레이 좌표를 처리하여 상응하는 TFT-LCD 픽셀에 표시한다. 12비트 ADC 해상도는 상당히 우수하다. 따라서 매우 정확하게 터치 지점을 획득할 수 있다. 이를 통해 연속적인 픽셀들이 빛을 내고, 사용자에게 실시간으로 선을 그린다는 느낌을 제공한다(그림 5).
TSC에 내장된 FIFO 버퍼 때문에 MCU 처리 오버헤드를 간편하게 관리할 수 있다. 뿐만 아니라 디스플레이 패널의 한쪽 면에 색상 표를 디스플레이할 수 있다. 색깔을 단지 클릭하는 것만으로 텍스트 색상을 선택할 수 있으며, 선택한 색깔로 다음 선이 그려질 것이다. 다 채워졌을 때 스크린을 지우기 위한 터치 아이콘 역시 제공된다. 이러한 방법으로 간단한 그림-붓 애플리케이션을 손쉽게 구현할 수 있다. 이 애플리케이션은 유아용 그림 그리기 키트를 위한 기본을 제공한다. 이 솔루션을 사용하여 아이들의 창의적인 글쓰기와 그림을 가족들과 함께 인터넷으로 쉽게 공유할 수 있다.
가정, 사무실 등에서 사용되는 모든 기기들은 간편한 HMI를 위해 터치 센서를 사용할 수 있음이 확실하다. 손쉬운 터치 감지 기능을 마음껏 활용해 보자.

참고문헌

- 8비트 GPIO 확장기를 제공하는 첨단 저항성 터치 스크린 컨트롤러: STMPE811
- 고밀도 Performance 라인 32 비트 MCU : STM32F101xE / www.st.com
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