[SENSOR]/Sensor2009. 1. 7. 09:32

CPLD를 통한 멀티포인트 터치스크린 및 패널의 구현

싱글 포인트 터치스크린과 패드는 전자 시스템과 인터페이스하는데 있어서 더이상 이상적인 방법이 아니며, 사용자들에 의해 거의 기대되어지지 않는다. 싱글-포인트 터치스크린 솔루션은 이미 제공되고 있기 때문에 제품에 대한 소비자의 주목을 끌어내기 위해서는 2-터치 또는 멀티-포인트 터치스크린 또는 패드가 필요하다. 멀티-터치 옵션은 매우 제한되어 있지만, 알테라의 MAX IIZ CPLD는 유연한 멀티-터치 사용자 인터페이스를 기존 컴포넌트를 통해 가능하게 해준다.
자료제공 : 알테라 www.altera.com



2007년 특정 웹 지원 멀티미디어 스마트폰이 시장에서 선풍적인 인기를 끌면서, 이로 인해 소비자들이 자신들의 휴대형 기기들과의 상호작용하는 방법에 대한 기대를 변화시켰다. 특히 유동적인 터치스크린 인터페이스가 출현함에 따라 사용자들은 그들의 손가락 끝으로 다양한 애플리케이션에 접근하거나 웹페이지를 스크롤할 수 있게 되었다. 시간, 예산, 전력 요건들을 희생시키지 않으면서 이와 같은 정교한 인터페이스들을 개발하기 위해 제로-파워 알테라 MAX IIZ CPLD를 이용해 설계할 수 있다.
ASSP나 다른 경쟁 기술들과 달리 MAX IIZ CPLD는 제품 차별화를 지원하기 위해 높은 I/O 수, 사용편의성, 저전력, 유연성을 제공한다. 이러한 이점으로 인해 의료, 차량, 산업 등의 애플리케이션뿐만 아니라 독창적인 휴대단말기, 휴대형 미디어 플레이어, 디스플레이 등의 개발 프로세스를 단순화하고 가속화시킬 수 있다. MAX IIZ EPM240Z 디바이스에 알테라의 새로운 멀티포인트 터치스크린 레퍼런스 디자인을 채용하여 개념에서부터 동작하는 제품까지 빠르게 이동할 수 있다.
모든 터치스크린 솔루션은 2개의 부분, 즉 2D 터치 센서와 센서 데이터를 사용자의 의도로 변환하는 컴퓨터 애플리케이션으로 나누어진다. 레퍼런스 디자인은 완벽한 센서 및 데이터 수집 시스템으로 멀티-터치 내비게이션 패드로 사용되는 ITO(indium tin oxide) 스크린 또는 간단한 양면 PCB과 함께 커스터마이징 하거나 그대로 사용할 수 있다. 그림 1에 나타낸 2D 멀티-터치 레퍼런스 디자인은 MAX IIZ EPM240Z CPLD과 온-칩 환경 보정 및 ITO 스크린 기능을 가진 아날로그 디바이스의 AD7142 통합 CDC(capacitance -to-digital converter)에 기반하고 있다.

커스터마이징 또는 없이 설계 착수 가능
레퍼런스 디자인은 멀티-터치 센서의 동작을 검증하고 테스트하는 간단한 데이터 해석 애플리케이션을 가지고 있다. 커패시턴스 변화를 감지하는 AD7142 CDC는 단지 14개의 커패시턴스 센서 채널만을 가지고 있다. 이 레퍼런스 디자인에서 MAX IIZ CPLD는 2D ITO 필름 또는 PCB 터치 센서를 처리할 수 있도록 AD7142 CDC의 성능을 확장시킨다. 애플리케이션 프로세서는 AD7142의 CDC 레지스터 파일에 접근하여 SRC 신호에 대한 MAX IIZ CPLD의 제어 기능을 SPI 또는 I2C 버스를 통해 적합한 축에 설정한다. MAX IIZ CPLD는 또한 긴 휴지 상태 후에 터치스크린이 터치를 감지하는 경우에 인터럽트 신호를 생성한다.


ITO 또는 PCB 터치스크린 설계
모든 터치스크린 설계는 실제 터치 센서에서부터 시작한다. 이 레퍼런스 디자인이 커패시턴스 ITO 터치스크린에 중점을 두고 있을지라도 이것이 역시 한면에 수평 트레이스와 다른 한면에 수평 트레이스를 가진 양면 PCB와 함께 동작한다.
ITO 터치스크린은 AD7142 CDC 입력과 연결된 최대 14개의 y 트레이스와 MAX IIZ CPLD와 연결된 16개의 x 트레이스를 가지고 있는, 인슐레이터(insulator)에 의해 분리된 2개의 투과 레이어를 가지고 있다. MAX IIZ CPLD는 해상도를 향상시키고 터치 영역을 확장하기 위해 보다 많은 I/O를 추가할 수 있다. 제시된 14x16 설계는 최대 16cm× 14cm의 크기를 가진 스크린 또는 패드에서 동작한다.
ITO 터치 센서는 2개의 직교 레이어, 즉 x와 y 트레이스를 가지며 인슐레이터에 의해 분리된다. CDC가 손가락에 가장 가까운 트레이스를 모니터링 한다면 터치 발생시 CDC가 보다 민감하기 때문에 x 트레이스가 아래에 있고, AD7142에 연결된 y 트레이스가 위에 있는 것이 이상적이다. 트레이스는 5mm에서 10mm의 간격를 가진 느슨한 어레이이다. 그림 2는 터치스크린 교차 영역(좌)과 스크린 뷰(우)를 나타낸 것이다. 실제 디스플레이 터치스크린에서 트레이스는 투명하다.
그림 2의 센서를 컴퓨터 내비게이션 패드로 구현하여 일반적인 내비게이션 패드에서 요구되는 선택 푸쉬 버튼을 제거할 수 있다. 그림 3에 나타낸 바와 같이 중지를 사용하여 커서를 이동하고 검지와 약지로 스크린을 터치하여 좌우 마우스 클릭을 표시할 수 있다. 이동 부품들을 제거함으로써 푸쉬 버튼 및 푸쉬 버튼 스위치보다 커패시턴스 터치스크린 센서의 내구성을 보다 강화할 수 있다.



아날로그 디바이스의 AD7142 CDC
AD7142 CDC는 터치스크린 디코더로 사용될 수 있도록 설계되지 않았지만, PCB 상의 센서 패드의 선형 어레이에 대한 커패시턴스와 커패시턴스 변화를 측정한다. AD7142 CDC의 복잡한 전자공학을 통해 특정 PCB 레이아웃에 대해 보정하여 12비트의 정확도로 14개의 센서 입력 각각에 대한 커패시턴스 측정값을 생성할 수 있다. 각 측정 주기 이후에 I2C 또는 SPI 버스가 이러한 값들에 접근한다. AD7142 CDC는 SRC 신호 상에 250KHz 구형파(square wave) 신호를 전송하여 센서 패드에 인접한 트레이스를 구동하여 수신된 SRC 강도를 측정한다. 터치패드의 커패시턴스가 SRC 신호 수신 강도에 비례하기 때문에 AD7142 CDC는 사용자의 손가락이 터치패드에 접근할 때 커패시턴스의 변화를 감지하고 그 양을 측정할 수 있다.
AD7142 CDC는 14개의 직렬 어드레스 부여 가능 커패시턴스 측정을 제공한다. 그림 4에서 위의 차트는 손가락이 근처에 없는 기준선 조건 하에서 레지스터 값의 재현을 나타내며, 아래의 차트는 센서 9에 가장 가깝게 손가락이 위치했을 때의 레지스터 값을 나타낸 것이다. AD7142 CDC의 민감도를 통해 애플리케이션 프로세서는 이러한 커패시턴스 값의 세부적인 벡터를 통해 손가락이 9.3 센서 위치의 중앙 또는 센서 9와 센서 10 사이에 있다는 것을 기입할 수 있다. AD7142 CDC의 12bit 정확도를 통해 단지 14개의 센서만으로 손가락 위치에 대한 매우 정밀한 측정이 가능하다.
AD7142 CDC 관련 문서들에서 동작 및 보정 기능에 대한 보다 자세한 사항들에 대해 제공하고 있다.




MAX IIZ CPLD를 통한 2D 센서로의 변환
AD7142 CDC는 독립적으로 단일 SRC 트레이스에 대한 14개의 센서의 커패시턴스를 측정할 수 있다. MAX IIZ CPLD를 추가함으로써 AD7142 CDC 로부터 SRC 구형파 신호를 획득함으로써 복수의 SRC 트레이스를 지원하고, 시리얼 인터페이스 제어를 통해 터치스크린 수직 x 트레이스들 중 하나를 선택적으로 구동할 수 있다. AD7142 CDC가 실제 수직 트레이스의 영역 또는 축에 대해 특성화된 커패시턴스 값을 측정하는 것도 가능하다. AD7142의 커패시턴스-투-디지털 측정값에 대한 고해상도와 함께 MAX IIZ에서 제공되는 많은 수의 I/O(5x5mm 패키지의 경우, 최대 54개의 I/O 지원, 7x7mm 패키지의 경우, 최대 116개의 I/O 지원)를 통해 이러한 솔루션이 초대형 터치스크린 또는 패드를 지원할 수 있는 가능성이 충분히 있다.
그림 5는 AD7142 CDC와 MAX IIZ CPLD의 조합을 통해 달성된 2D 커패시턴스 측정값의 결과를 나타낸 것으로 x축에 대한 16개의 트레이스 또는 16개의 분할을 나타낸 것이다. 그림 5의 좌측은 기준선 커패시턴스 측정값이고, 우측은 2개의 손가락이 센서를 터치했을 때 가능한 결과를 나타낸 것이다. 차트는 SRC 트레이스가 활성화되어 결정된 청색과 적색 열의 샘플을 나타내고 있다.
시리얼 인터페이스를 사용하여 애플리케이션 프로세서는 MAX IIZ CPLD가 센서의 S1 칼럼을 SRC 신호에 따라 구동하도록 설정할 수 있으며, AD7142 CDC로부터의 14개의 커패시턴스 값을 판독할 수 있다. 애플리케이션 프로세서는 MAX IIZ CPLD가 SRC에서 다음 수직 트레이스로 이동하도록 신호를 보내고 다른 14개의 커패시턴스 값을 측정할 수 있으며, 애플리케이션 프로세서가 터치센서의 2D 영역을 표현하는 244개(14x16)의 모든 커패시터스 측정값을 획득할 때까지 이를 반복한다. I2C 버스의 경우, 모든 데이터를 수집하는 프로세스에 약 375ms가 소요되고, SPI 버스의 경우, 약 300ms가 소요된다.(보다 낮은 해상도의 CDC 샘플은 샘플 주기를 줄여준다). 다음으로 애플리케이션 프로세서는 사용자의 의도를 결정하기 위해 로우 데이터를 처리한다.



전력, 시간, 프로세싱의 절감
MAX IIZ CPLD 및 AD7142 CDC 터치스크린 디코드 레퍼런스 디자인은 매우 전력효율적이기 때문에, 일반적인 전체 속도 및 해상도 동작에 대해 1.5mA만을 일반적으로 요구한다. 하지만, 3개의 추가적인 효율 수준이 가능하다. 첫 번째 전력 절감수준은 애플리케이션 프로세서가 샘플링 속도를 줄이거나 수평 및 수직 트레이스의 서브셋만을 샘플링하거나 활성 트레이스 사이의 터치들만을 기입하는 AD7142 CDC의 정확도를 사용함으로써 달성된다. 두 번째 전력 절감 수준은 사용자가 디바이스를 활성화시키기 위해 스크린의 중앙만을 터치하도록 하는 것이다. 이를 통해 애플리케이션 프로세서가 단지 하나의 수평 트레이스와 하나의 수직 트레이스만을 샘플링하도록 제한할 수 있다.
가능한 가장 낮은 전력 수준은 애플리케이션 프로세서와 AD7142 CDC를 파워-다운 모드에 있도록 하는 것이다. 외부 32KHz 클록과 초당 1회의 샘플링 속도에 대해서 일반적인 MAX IIZ CPLD 대기전류는 50μA에 불과하다. MAX IIZ CPLD의 전력-효율적인 커패시턴스 감지 시스템이 센스가 터치되었을 때를 감지하였을 때 인터럽트 신호를 통해 프로세서를 활성화시킨다. 일단 활성화되면 시스템은 보다 높은 정화도로 터치 위치를 판독한다.





결론

싱글-포인트 터치스크린과 패드는 전자 시스템과 인터페이스하는데 있어서 더이상 이상적인 방법이 아니며, 사용자들에 의해 거의 기대되어지지 않는다. 싱글-포인트 터치스크린 솔루션은 이미 제공되고 있기 때문에 제품에 대한 소비자의 주목을 끌어내기 위해서는 2-터치 또는 멀티-포인트 터치스크린 또는 패드가 필요하다. 멀티-터치 옵션은 매우 제한되어 있지만, 알테라의 MAX IIZ CPLD는 유연한 멀티-터치 사용자 인터페이스를 기존 컴포넌트를 통해 가능하게 해준다.

Posted by nexp

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