실리콘 래버러토리스



"인간 인터페이스"의 진화

"인간 인터페이스"라는 말은 다소 갑작스럽게 기술 업계 어휘의 일부로 자리잡게 되었다. 이 문구는 기본적으로 디바이스의 미적 가치관은 물론, 좀 더 중요하게는 디바이스가 인간의 상호 작용에 반응하는 프로세스까지 설명하는 데 사용된다. 새로운 개념은 아니지만 인간이 전자 제품과 상호 작용하는 방식을 혁신할 수 있는 구현 기술이 등장하고 이러한 기술을 시급히 통합해야 하는 상황이 맞물리면서 인터페이스 디자인을 중요 시하는 소비자들이 늘고 있다.


글: 마이크 살라스(Mike Salas)  MCU 마케팅 책임자
안드레스 마르코스(Andres Marcos)  MCU 시스템 부문 펌웨어 엔지니어
실리콘 래버러토리스 / www.silabs.com

뛰어난 인간 인터페이스 디자인을 정의하는 기준은 무엇이며 시스템 디자이너는 어떤 식으로 매력적인 솔루션을 구현하는 것일까? 이러한 질문에 대한 답을 얻으려면 인간 인터페이스를 최종 사용자 및 이들의 주변 환경과의 사이에서 발생하는 단순한 일련의 기능적 상호 작용으로 보는 것이 도움이 된다. 이러한 상호 작용은 입력과 출력이라는 두 가지 논리적 그룹으로 나눌 수 있다.
입력은 사용자가 직/간접적으로 또는 우발적으로 특정한 동작이 수행되도록 하는 이벤트이다. 입력 이벤트의 예는 다음과 같다.
·터치 감지- 한 손가락 터치, 여러 손가락 터치, 손가락 슬라이드, 두드리기 등
·외부 자극 감지- 접근, 움직임, 손 흔들기, 음성 등
·환경 감지- 주변광, 온도 등
·물리적 감지- 회전, 기울어짐, 충격, 진동 등

터치 센서, 근접 센서, 주변광 센서, 가속도계 등과 같은 현장의 기술 진보 덕분에 입력을 받아들이는 디바이스의 성능과 정교함이 향상되면서 인간 인터페이스의 전반적인 전망이 크게 뒤바뀌었다. 그러나 출력 이벤트는 제공된 입력의 결과로 발생한 동작을 사용자에게 알려주기 때문에 입력 이벤트를 실체적인 출력 이벤트와 연계하는 일 역시 중요하다. 경우에 따라 입력 조건이 기대와는 달리 사소하게 끝나기도 한다. 출력 이벤트의 예는 다음과 같다.
·항목 온/오프 전환- 화면, 스피커, 조명, 안전 사양 등
·컨트롤 조정- 볼륨, 백라이트, 밝기, 안정화 등
·촉각 피드백 제공- 청각, 시각, 촉각 등

입력 이벤트와 원하는 출력 반응의 유형은 제작되는 디바이스의 종류에 따라 크게 달라지게 된다. (그림 1)에서는 단순화된 인간 인터페이스 프로세스의 흐름을 어떻게 구상할 수 있는지 그림으로 보여 주고 있다.
(그림 1)에서처럼 각 입력 이벤트는 하나 이상의 출력 이벤트를 트리거하기 위해 충족해야 하는 특정 임계값 레벨에 연계되어 있다. 마찬가지로 각 출력 이벤트는 입력 트리거의 결과로 영향을 받게 되는 하나 이상의 서브시스템과 연계되어 있다. 예를 들어 휴대 전화는 절전을 위해 슬립 모드에 들어가 있어야 할 수 있을 것이다. 하지만 미리 정의한 특정 압력 임계값을 초과하는 터치가 감지되는 즉시 휴대 전화는 화면이 켜지고 스피커를 통해 확인음(청각)을 내보내고 화면 잠금 기능을 해제하게 된다. 이 예에서는 하나의 입력 이벤트가 두 개의 서로 다른 서브시스템(화면 및 스피커)에 영향을 주는 세 개의 서로 다른 출력 이벤트에 직접 연결되어 있다.
그림 2 인간 인터페이스 서브시스템

디자이너들을 위한 희소식은 최종 제품에 매력적인 요소를 상당량 추가할 수 있는 갖가지 창의적인 입력 및 출력 옵션을 디바이스에서 제공하는 수준이 기술 혁신으로 인해 크게 개선되었다는 점이다. 하지만 이처럼 성능이 급격히 향상되면서 디자인이 더욱 복잡해지는 대가를 치르고 있다.
구현 가능한 입력 및 출력 이벤트의 수가 급격히 증가하면서 고도로 숙련된 디자이너마저도 난관에 봉착하게 되었으며, 사용자들이 현재뿐 아니라 미래에도 매력적으로 느낄 수 있는 부분이 무엇인지를 예측하기가 매우 어려워지고 있다. 구현 측면에서 볼 때 정말로 필요한 것은 이러한 입/출력 상호 작용을 밀접하게 결합하는 동시에 끊임없이 변화하는 시장의 요구 사항에 자유롭게 맞출 수 있도록 하는 상호 연결된 프레임워크를 만드는 능력이다. 가능한 솔루션은 소프트웨어를 통해 구성 가능한 유연한 플랫폼으로 사용할 수 있는 마이크로컨트롤러(MCU)에 일련의 감지 소자를 연결하는 것이다. 최종 제품의 요구 사항과 복잡성에 따라 MCU는 모든 입/출력을 처리하고 추가 작업을 위해 결과를 마스터 또는 호스트 유닛으로 전달하는 보다 큰 시스템의 일부로 사용할 수 있을 것이다. 또한 MCU는 디자인 요구 사항이 비교적 간단한 경우 전체 시스템 또는 제품의 중추부 역할을 수행할 수도 있다. (그림 2)에는 이러한 유형의 인간 인터페이스 서브시스템의 예가 나와 있다.
인간 인터페이스 시스템에 대한 오케스트레이터(주: 작곡가가 만든 악보를 오케스트라가 연주할 수 있도록 편곡하는 전문가)로서의 마이크로컨트롤러의 역할을 보다 정확하게 이해하기 위해 위의 그림에 나와 있는 블록 다이어그램을 구성하는 각각의 기술을 살펴보기로 하자.

주변광 센서

그림 3 전자기 스펙트럼
주변광 센서(ALS: Ambient Light Sensor)의 중심에는 바이어스 전압이 가해질 때 입사 광선에 비례하는 전류를 발생시키는 반도체 소자인 광다이오드가 있다. 전달 함수는 센서에 따라 선형 함수이거나 대수 함수일 수 있다. 발생된 전류는 ADC를 통해 디지털화되어 해당 출력이 MCU에 제공되거나, 센서를 통해 측정되어 프로세싱 유닛에서 손쉽게 해석할 수 있는 디지털 형식으로 변환될 수 있다. 이러한 디지털 형식의 예로는 PWM, I2C 또는 빛의 존재 유무를 나타내는 I/O 라인 상태의 단순한 변화를 들 수 있다.
Silicon Labs의 Si1120 센서 등과 같은 현재 출시된 일부 주변광 감지 디바이스를 사용하면 입사 광선의 세기를 측정하는 것은 물론 주변의 두드러진 광원을 구별할 수도 있다. 이를 위해 각각 파장 감지 범위(분광 감도)와 서로 간의 스위칭 측정 판독 결과가 다른 두 개의 광다이오드가 동일한 패키지에 사용된다. (그림 3)에서처럼 서로 다른 광원의 에너지 양은 스펙트럼의 특정 부분에 대해 다양한 특성을 나타낸다.
예를 들어 백열 광원에서 나온 빛에는 가시광선 및 적외선 스펙트럼 모두에 많은 에너지가 있는 반면, 형광 광원은 대부분의 에너지가 가시광선 스펙트럼에 집중되어 있다. 따라서 가시광선 감도(380~750nm)만 있는 광다이오드와 적외선 분광 감도(750~2,500nm)가 있는 광다이오드를 모두 적용한 디바이스를 사용하여 각각 측정을 수행하고 이러한 측정 결과의 비율을 통해 광원의 유형을 알아낼 수 있다.
주변광 센서(ALS)는 현재 존재하는 외부 조명 조건에 따라 밝기를 조절하여 최종 사용자가 제품과 상호 작용할 때 환경을 개선하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어 휴대형 전자 디바이스는 이러한 종류의 센서를 사용하여 실내의 밝기에 따라 화면 백라이트의 밝기를 자동으로 낮춰 전력을 절감할 수 있을 것이다. 자동차 환경에서 ALS는 헤드라이트를 켜거나 꺼 안전도를 높이는 데 사용할 수 있다. 또한 카메라는 빛의 종류 및 발광 레벨에 따라 셔터 속도, 렌즈 구경 및 화이트 밸런스를 조절할 수 있다.

광 근접 센서

(그림 4)에서처럼 능동형 광 근접 센서 시스템은 두 개의 작동 유닛인 송신기와 수신기로 구성되어 있다. 수신기는 ALS와 작동 방식이 동일하지만 대개 적외선 범위에서 작동한다. 송신기는 IR LED 같은 적외선 소스로, 센서 및/또는 디자인 요구 사항에 따라 센서 또는 마이크로컨트롤러를 통해 구동할 수 있다. 광 근접 센서의 기본 작동 원리는 반사성이다. 즉, 송신기가 대상을 비추도록 하여 수신기에 반사된 빛의 세기를 측정하는 것이다.
근접 센서는 전력 소모에 신경 써야 하는 제품을 위한 훌륭한 보조 수단이다. 이러한 제품의 예에는 귀에 가까이 갖다 대면 디스플레이와 백라이트가 꺼지는 휴대 전화나 화면을 바라보는 사람이 가까이에 없으면 저전력 모드로 들어가는 모니터가 있다.
수신기의 신호 레벨(출력)을 판독하는 데 MCU를 사용할 수 있는 경우 물체가 시스템에 가까이 있는지 여부는 물론 얼마나 가까이 있는지도 판단하도록 센서의 기능을 확장할 수 있어 제스처 인식(가장 단순한 형태인 1차원)이라는 완전히 새로운 인간 인터페이스 세상이 열리게 된다. 그러나 여기서 끝이 아니다. 디자인에 또 다른 송신기를 추가하고 MCU를 사용해 두 송신기 사이를 전환(한 번에 하나씩 송신기를 켜 각각 측정 수행)하는 것만으로 시스템과 평행하게 놓여 있는 물체의 상대 위치는 물론 IR 에너지를 반사하는 물체의 깊이 또는 거리까지 알아낼 수 있게 된다. 이 프로세스를 일정 시간 반복하면 혼합된 출력이 움직임 패턴으로 변환할 수 있는 일련의 위치가 된다. 이번에는 하나 이상의 움직임 패턴이 제스처가 된다. 이러한 제스처 유형의 예로는 왼쪽 또는 오른쪽으로 쓸어서 이동(샘플링 속도가 충분하면 쓸어서 이동하는 속도를 감지할 수 있음), 시스템의 특정 부문에서 일시 정지, 일시 정지 제스처의 길이 감지가 있다. 이러한 제스처는 볼륨 컨트롤, 페이지 스크롤 컨트롤(전자책 단말기), 문서의 페이지 넘기기 기능 또는 전자 디바이스의 설정 조정 기능을 구현할 때 유용하게 사용할 수 있다.
지금까지 능동형 광 근접 센서를 사용하여 어떤 종류의 애플리케이션 기능을 얻을 수 있는지 알아보았으므로 이제부터는 이 기술을 채택한 제품을 개발할 때 발생할 수 있는 문제와 몇 가지 고려해야 할 사항에 대해 살펴보자.

 

그림 5 송신기와 수신기 간의 광 절연                                               그림 6 평행판 커패시터의 커패시턴스

시스템에 능동형 광 근접 센서를 추가하는 경우 가장 먼저 고려해야 할 사항은 최종 제품의 작동 범위이다. 이러한 범위에 영향을 주는 요소로는 IR 송신기에 공급되는 전류, 송신기의 방출 각도(각이 좁을수록 범위가 길어짐), 송신기의 피크 출력(방출) 파장, 수신기의 피크 입력(방출) 파장(최대 범위에 도달하려면 송신기의 피크 파장이 수신기의 피크 파장과 일치해야 함), 외부 필터 또는 렌즈, 환경에 존재하는 잡음(예: 주변광 및 물체의 반사도) 등이 있다.
송신기에서 방출하는 에너지가 이동해야 하는 거리는 필요한 범위의 두 배(시스템에서 반사되는 물체까지 갔다가 되돌아오는 거리)라는 점에 유의한다. 빛의 감소량은 빛이 이동하는 범위의 제곱에 반비례하므로 수신기에서 감지하는 에너지는 범위의 4제곱만큼 줄어든다.
또 다른 고려 사항은 시스템에서 송신기와 수신기 간의 광 절연 상태이다(그림 5). 절연 상태가 불량하면 측정 시 잡음이 추가되어 시스템에서 감지하는 신호의 동적 범위가 줄어들기 때문에 감지 범위에 좋지 않은 영향을 주게 된다.
앞서 언급했듯이 주변광은 IR 스펙트럼에 많은 에너지를 포함할 수 있기 때문에 광 근접 센서의 주요 잡음원이다. 주변광 잡음 효과를 완화하는 측정 기법은 송신기를 끄고 측정을 수행(IR 신호 플로어를 얻기 위해)한 다음, 송신기를 다시 켜고 또 다른 측정을 수행하는 것이다. 첫 번째 측정과 두 번째의 차이는 주변광 잡음이 없는 데이터를 나타낸다.
제품 하우징을 디자인할 때는 외부 세계에 대한 송신기와 수신기의 창 역할을 할 소재를 고려해야 한다. 소재마다 특정 파장에 대한 투과 계수(Transmission Coefficient)가 있으므로 대부분의 IR 광선이 통과할 수 있는 소재를 선택해야 한다. 또한 소재 제조업체는 그러한 계수를 제공할 수 있어야 한다. 경우에 따라 특정 소재에 대해 지정된 투과 계수가 가시 광선과 관련된 것일 때도 있으므로 IR 범위에 대한 계수인지 확인한다.
대부분의 애플리케이션에서는 이와 관련하여 별로 할 일이 없지만 반사 물체의 특성을 고려해야 한다. 물체의 크기와 모양에 따라 반사되는 방사체 빔 너비의 양이 결정되고, 모양에 따라 반사 각도가 결정된다. 일부 물체(인간의 손)는 입사 IR 에너지를 일부 흡수하므로 디자인 과정에 이러한 부분을 고려한다.

정전용량 터치 센서

유전체 사이에 두 전도 물체를 놓고 이러한 전도 물체에 전위차를 적용하면 물체 간에 전기장이 생성된다. 병렬 평행판 커패시터의 커패시턴스는 (그림 6)의 수식을 통해 구할 수 있다.
PCB 트레이스와 인간의 손(인체는 약 65%가 수분임)을 두 개의 전도 요소로 두고 공기를 유전체로 설정하면 정전용량 터치 센서가 작동하는 방식은 위의 그림에서 커패시턴스를 계산하기 위한 수식에서 명확하게 드러난다. 즉, PCB 트레이스에 접근하는 손가락이 실제로 두 전도 요소 간의 거리를 줄이므로 커패시턴스가 증가하게 되는 것이다.

다양한 커패시턴스 측정 방식

완화 오실레이터: 커패시터는 해당 전압이 각각 하위 임계값과 상위 임계값을 넘으면 충전 및 방전된다. 비교기가 통합된 MCU는 이러한 임계값을 구현하는 데 사용할 수 있다. 커패시터의 경우 τ=RC라는 사실을 기반으로 할 때 커패시턴스가 증가하면 오실레이터의 주파수가 줄어들게 된다. 손가락이 PCB에 가까워지면 커패시턴스가 증가한다는 사실을 떠올려 보자. 그런 다음 MCU에서 이 주파수를 측정하여 정전용량 스위치의 상태(눌러짐 또는 눌러지지 않음)를 확인한다.
연속 근사 레지스터(SAR): 두세 개의 전류 DAC는 두 개의 커패시터(하나는 레퍼런스로 사용하고 다른 하나는 감지 소자로 활용)에 전류를 공급한다. 전류에 정비례하고 커패시턴스에 반비례하는 두 커패시터에서 발생한 전압을 전압 레퍼런스와 비교한다. 이를 여러 번 수행하여 측정을 완료한다. 비교할 때마다 소량의 커패시터가 판독되며 각 주기의 결과에 따라 전류 DAC를 제어하는 유닛은 센서 커패시터에 흐르는 전류를 늘리거나 줄여 레퍼런스 커패시터와 동일한 경사 비율을 얻으려고 한다. 이 방식의 이점으로는 DC 오프셋에 대한 면역성, 잡음 취약성 감소, 외부 부품 필요성 최소화(실리콘에 레퍼런스 커패시터, DAC 및 제어 유닛이 포함되어 있는 경우에 해당)를 꼽을 수 있다.
전하 전송: 전압이 센서에 가해지면 센서에서는 특정 전하를 축적하게 된다. 그런 다음 이러한 전하를 통합된 커패시터로 전송한다. 이 프로세스는 전압 임계값에 도달할 때까지 반복된다. 센서의 커패시턴스는 통합 커패시터 및 ADC의 전압(또는 단순한 비교기를 사용하여 임계값 정보를 추출할 수도 있음)과 미리 정한 전압 레벨에 도달하기 위해 실행한 주기의 횟수에 따라 결정된다.
저항-커패시터 전하 타이밍: 이 방식을 수행하려면 커패시터를 방전한 다음 RC 회로에 전압을 가해야 한다. 커패시턴스는 회로가 특정 전압 임계값에 도달하는 데 걸린 시간에 정비례한다.

버튼보다 뛰어난 유용성

정전용량 감지 소자는 기계식 버튼의 뛰어난 대체품이며 이러한 소자를 세트로 사용하면 직선 또는 곡선을 따라 발생하는 선형 움직임을 감지하기 위한 실용적인 솔루션인 스크롤 휠 및 슬라이더 등과 같은 좀 더 사용자 친화적인 인터페이스를 만들 수 있다. 슬라이더는 두세 개의 소자만 있으면 되고 휠도 네 개의 소자로 만들 수 있다(그림 7). 물론 MCU는 복합적인 측정을 선형 또는 각도 위치로 변환하고 이를 나머지 시스템이나 사용자에게 전달하거나 적절한 경우 출력 서브시스템에서 작업을 수행하도록 프로그래밍할 수 있으므로 위와 같은 인간 인터페이스를 구현하는 시스템에 완벽하게 들어맞는 옵션이다.

정전용량 근접 센서

커패시턴스 수식의 파라미터 중 하나의 값을 수정(즉, 면적이 커질수록 버튼의 감도가 증가)하는 방식으로 정전용량 감지 버튼에 적용되는 것과 동일한 원리를 이용하면 색다른 사용자 환경을 얻을 수 있다.
버튼 패드는 근처를 움직이는 전도 물체를 안정적으로 감지할 수 있는 형식으로 구현할 수 있으므로 패드를 근접 센서로 바꾼다.
디자인 고려 사항

목표는 버튼이 눌러지지 않은(또는 비활성) 상태와 버튼이 눌러진(또는 활성) 상태 사이에서 가장 큰 델타 측정값을 나타내는 센서를 제작하는 것이다. 델타가 클수록 시스템에 있는 각 특정 스위치의 임계값을 조절해야 하는 여지가 많아져 안정성이 늘어난다. PCB 디자인의 세부 사항을 다루는 것은 이 기사의 범위를 벗어나지만 몇 가지 고려해야 할 사항을 정리하면 다음과 같다.
- 정전용량 감지 패드 레이아웃(다른 전도 물체 및 접지면에 대한 근접도) 및 접지
- 유전체 소재의 특성 및 두께
- 외부 잡음
- 습도 및 온도의 변화

 환경 조건의 변화는 기준선(여기서 기준선은 일정 시간 동안 특정 스위치 상태를 측정한 평균값임)과 디지털 필터를 구현함으로써 MCU를 통해 최소화할 수 있다.
잘못된 트리거의 위험을 최소화하려면 임계값이 두 개(하나는 활성 상태를 확인하고 다른 하나는 비활성 상태 확인)인 구현을 사용하여 이력 현상을 활용해야 한다.
PCB 디자인에 대한 설명은 아래 링크에서 참조할 수 있다.
https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN447.pdf

인간 인터페이스에 정전용량 센서를 통합하는 이유는 무엇일까?

이 질문에 대한 답은 간단하다. 즉 낮은 비용과 높은 안정성 때문이다. 이러한 이점은 정전용량 센서 구현의 특성에서 얻어지는 것이다. 단순한 PCB 트레이스에 지나지 않으므로 필요한 부품, 소재 및 어셈블리의 수가 줄어들게 된다. 또한 정전용량 센서로 구현한 버튼에는 움직이는 부분이 없으므로 최종 제품의 기계적인 측면이 더욱 견고해지게 된다.
소프트웨어를 통해 구성 가능한 유연한 특성의 플랫폼을 통해 서로 밀접하게 연계된 상호 연결된 서브시스템을 사용하면 실용적이면서 확장 가능한 경제적인 정전용량 센서 기반의 인간 인터페이스를 구현할 수 있다. 시장이 변화하고 새로운 아이디어가 등장하면 전체 시스템을 다시 설계할 필요 없이 펌웨어를 조정하여 이러한 변경 사항을 쉽고 빠르게 구현할 수 있다. 또한 MCU에서 일부 GPIO핀을 나중에 사용하도록 남겨 두면 핵심 아키텍처는 그대로 유지하면서 하드웨어를 신속하게 추가할 수 있다.
시스템 디자이너가 직면하고 있는 휴대 전화와 관련된 문제 중 하나는 매력적인 인간 인터페이스 솔루션을 어떤 형태로 구상하느냐와 관련이 있다. 문제를 일련의 입력 및 출력으로 분할하고 확장 가능한 아키텍처 프레임을 사용하면 디자이너는 끊임없이 변화하는 인간 인터페이스의 정의를 성공적으로 충족하는 솔루션을 제작할 수 있을 것이다.
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