본 논문에서는 모바일용 터치 스크린에서 손가락이 닿는 부분의 좌표를 계산하여 출력하는 저전력 고속 터치 제어 회로를 설계하고 구현하였다. 시스템 클럭은 10MHz이고, 채널 수는 21개, 대기 상태 전류는 $20{\mu}A$ 이고, 다이나믹 레인지는 140pF ~ 400pF 이며, 응답 시간은 0.1ms/frame이다. 저전력을 위한 전력 관리 회로와 보드, 습도, 온도에 따른 자동 임피이던스 보정 기능과 주변 키 및 패턴 간섭 억제 기능 및 직렬 인터페이스 I2C, SPI 기능을 구현하였다. 설계된 제어 회로의 성능은 FPGA와 $0.18{\mu}m$CMOS 표준 공정을 이용하여 측정하였다. 구현된 제어회로는 모바일 폰이나 스마트 리모트 컨트롤로에 응용할 수 있도록, 다이아몬드 형태를 이용한 2 레이어 ITO용 모듈과 원가절감을 위한 단일 레이어 ITO 모듈에 사용 가능하도록 설계하였다.
본 논문에서는 모바일용 터치 스크린에서 손가락이 닿는 부분의 좌표를 계산하여 출력하는 저전력 고속 터치 제어 회로를 설계하고 구현하였다. 시스템 클럭은 10MHz이고, 채널 수는 21개, 대기 상태 전류는 $20{\mu}A$ 이고, 다이나믹 레인지는 140pF ~ 400pF 이며, 응답 시간은 0.1ms/frame이다. 저전력을 위한 전력 관리 회로와 보드, 습도, 온도에 따른 자동 임피이던스 보정 기능과 주변 키 및 패턴 간섭 억제 기능 및 직렬 인터페이스 I2C, SPI 기능을 구현하였다. 설계된 제어 회로의 성능은 FPGA와 $0.18{\mu}m$ CMOS 표준 공정을 이용하여 측정하였다. 구현된 제어회로는 모바일 폰이나 스마트 리모트 컨트롤로에 응용할 수 있도록, 다이아몬드 형태를 이용한 2 레이어 ITO용 모듈과 원가절감을 위한 단일 레이어 ITO 모듈에 사용 가능하도록 설계하였다.
In is paper, we design and implement the low power, high speed touch screen controller that calculates and outputs the coordinate of touch point on the touch screen of mobile devices. The system clock is 10HMz, the number of input channels is 21, standby current is $20{\mu}A$, dynamic ran...
In is paper, we design and implement the low power, high speed touch screen controller that calculates and outputs the coordinate of touch point on the touch screen of mobile devices. The system clock is 10HMz, the number of input channels is 21, standby current is $20{\mu}A$, dynamic range of input is 140pF~400pF and the response time is 0.1ms/frame. It contains the power management unit for low power, automatic impedance calibration unit in order to adapt to humidity, temperature and evaluation board, adjacent key and pattern interference suppression unit, serial interface unit of I2C and SPI. The function and performance is verified by using FPGA and $0.18{\mu}m$ CMOS standard process. The implemented touch screen is designed for using in the double layer ITO(Indium Thin Oxide) module with diamond pattern and single layer ITO module for cost-effective which are applied to mobile phone or smart remote controller.
In is paper, we design and implement the low power, high speed touch screen controller that calculates and outputs the coordinate of touch point on the touch screen of mobile devices. The system clock is 10HMz, the number of input channels is 21, standby current is $20{\mu}A$, dynamic range of input is 140pF~400pF and the response time is 0.1ms/frame. It contains the power management unit for low power, automatic impedance calibration unit in order to adapt to humidity, temperature and evaluation board, adjacent key and pattern interference suppression unit, serial interface unit of I2C and SPI. The function and performance is verified by using FPGA and $0.18{\mu}m$ CMOS standard process. The implemented touch screen is designed for using in the double layer ITO(Indium Thin Oxide) module with diamond pattern and single layer ITO module for cost-effective which are applied to mobile phone or smart remote controller.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
기존의 저항막 방식에서는 임계치 이상의 터치 압력과 비교적 느린 응답 속도를 지니는 반면에 정전용량 방식은 빠른 응답 속도와 부드러운 터치감으로 사용자의 편리성으로 인하여 제조비가 비싼 단점이 있지만 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 전도성 패드와 손가락 사이에서 발생하는 커패시턴스의 양을 측정하여 터치 유무를 판단하고, 터치 좌표를 계산하여 출력하는 정전용량 방식의 터치 스크린 제어 회로를 설계하고 구현하였다. 기존의 정전용량 방식에서는 아날로그 회로 방식을 이용하였지만, 본 논문에서는 디지털 지연 회로를 이용하여 순수한 디지털 회로로 터치 유무를 감지하도록 설계하였다.
본 논문에서는 휴대폰이나 리모트콘트롤러에 적합한 모바일용 저전력, 고속 응답의 터치 스크린 제어 회로를 설계하고 칩으로 구현하여 성능을 평가하였다. 정전용량 측정 방식을 아날로그가 아닌 디지털 지연 회로를 이용한 순수 디지털 회로로 구현함으로써 일반적인 제어 회로보다 10% 정도의 소비 전력을 사용하고, 공정이 바뀌더라도 설계 시간을 단축하는 장점을 지닌다.
제안 방법
설계된 터치스크린 제어 회로의 동작을 검증하기 위해서 FPGA를 이용하여 그림 5와 같이 보드를 구성하였다. 21개의 채널에 대한 터치 패드를 구성한 터치 패드 보드와 Ⅱ절의 각 유닛들을 구현한 FPGA 와 마이크로프로세서로 구성하였다. 시스템 클럭은 2㎒를 사용하고, USB 는 FPGA 의 전원 공급과 PC 와의 직렬 인터페이스 I2C 또는 SPIC 로 통신하는데 사용한다.
DSU에서 측정한 커패시턴스 입력은 외부로부터 다양한 잡음을 포함하고 있으므로, 신호 필터링 유닛(SFU)에서는 Leaky Integrator 형태의 IIR 필터를 이용하여 잡음을 제거하였다. IIR 필터의 전달함수는 다음과 같은 전달 함수 값을 지닌다.
본 논문에서는 전도성 패드와 손가락 사이에서 발생하는 커패시턴스의 양을 측정하여 터치 유무를 판단하고, 터치 좌표를 계산하여 출력하는 정전용량 방식의 터치 스크린 제어 회로를 설계하고 구현하였다. 기존의 정전용량 방식에서는 아날로그 회로 방식을 이용하였지만, 본 논문에서는 디지털 지연 회로를 이용하여 순수한 디지털 회로로 터치 유무를 감지하도록 설계하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
계수 a 값은 입력 인터페이스 회로를 통하여 변경가능하다. 또한 SFU 에서는 주변의 환경 즉 보드 및 온도, 습도에 따르는 자동 임피이던스 조정(Automatic Impedance Calibration)을 위하여 IIR 필터링된 값(p_value)에서 구간평균값(Avr_value)를 빼서 여러 성분 중 실질적으로 사람의 터치에 의한 커패시턴스 변화 값만을 추출하는 회로를 포함하였다.
전력 소모를 줄이기 위해서 시스템의 상태를 IDLE, ACTIVE, SLEEP 으로 나누어서 ACTIVE 상태는 전체 유닛의 클럭이 동작되고, IDLE 상태는 디지털센서 유닛(DSU) 의 클럭이 동작되고, SLEEP 상태에서는 모든 유닛의 클럭이 동작되지 않는다. 그림 4는 전력관리 유닛에서 상태 변이 조건을 나타낸다.
터치스크린에서 입력되는 21개의 채널에 대한 입력 커패시턴스 값을 구하는 디지털 센서 유닛(DSU), 보드, 온도, 습도에 맞게 터치 임계값을 결정하는 자동 임피이던스 보정 유닛(AICU), 디지털 센서 유닛에서 구한 값 중에서 사람의 터치에 의한 커패시턴스 변화를 추출하는 신호 필터링 유닛(SFU), 실지 터치 유무를 결정하는 터치 결정 유닛(TDU), 위치 좌표 결정 유닛(PFU), 입·출력 직렬 인터페이스 유닛(SIU), 클럭 발생기 유닛(CGU), 전력제어 유닛(PMU) 로 구성하였다.
대상 데이터
FPGA를 이용하여 기능을 검증한 터치 스크린 제어 회로는 그림 7과 같이 32개의 입, 출력을 지니고, 0.18㎛ 표준 CMOS 공정을 이용하여 칩으로 제작하였다. 입력 핀은 PA,PB,PC 21개 채널 핀과 직렬 인터페이스 관련 SCL_SCK,SDA, DA_SDO,SDI 핀과 RESET_N 리셋핀과 전원 공급 핀으로 구성되고 칩 면적은 2100㎛X2100㎛이다.
데이터처리
보드 뒷면에 위치한 메모리와 마이크로프로세서는 FPGA 프로그램 다운로드와 터치 감도 조절 값을 저장하는데 사용한다. 동작 검증은 그림 6과 같이 터치 스크린에서 사용자가 터치된 부분의 좌표값을 PC 상에서 디스플레이함으로써 정상적인 2차원 좌표값 추출을 확인하였다.
이론/모형
TDU에서 21개 각 채널에 대한 10비트 터치 강도(strength) 값을 받아서 10비트의 x축, y축 인터폴레이트된 좌표 값과 각각의 8비트 강도 값을 출력한다. PFU 에서는 터치 좌표를 구하기 위해서 weight-based인터폴레이션 알고리즘을 사용한다.
성능/효과
그림 8은 실장 테스트를 위한 터치 스크린 판넬과 제작된 칩으로 구성한 터치스크린 시스템이다. 설계된 유닛들은 정상적으로 동작되었고, 감도는 최소 2fF, 응답 시간 0.1mSec/frame 대기 상태 전류 20㎂ 이하로 기존 칩보다 낮은 전력 소모와 빠른 응답 시간을 지녔다. 실제 터치된 위치와 출력되는 좌표 값의 오차를 확인하는 지표인 Accuracy 측정 결과는 그림 9와 같다.
터치 좌표의 정확도도 측정결과 대부분 ±0.5～±0.8 값으로 우수함이 확인되었고, 단일 레이어와 2 레이어의 ITO 적용이 가능하다.
후속연구
8 값으로 우수함이 확인되었고, 단일 레이어와 2 레이어의 ITO 적용이 가능하다. 앞으로 3차원 인식 등 보다 편리한 HID 사용에 적합한 알고리즘 개발과 제스터 알고리즘 구현 유닛 개발에 대한 연구가 지속되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 터치스크린 제어 회로에 사용된 디지털 센서유닛은 어떤 회로인가?
디지털 센서유닛은 21개 채널의 입력 패드 중하나 또는 그 이상의 입력 패드에 손가락이 닿는 경우 커패시턴스 값을 측정하여 디지털 값으로 그 변화량을 출력하는 회로이다. 그림 2는 1개 채널에 대한 DSU 회로이다.
APIS 유닛은 어떤 기능을 수행하는가?
APIS 유닛은 근접 키나 패텅의 간섭을 억제하는 기능을 수행한다. 호스트로부터 다음과 같은 2가지 모드를 설정하여 사용한다.
본 논문의 터치스크린 제어 회로에 사용된 전력관리 유닛은 전력 소모를 줄이기 위해 어떤 상태 모드들이 있는가?
전력 소모를 줄이기 위해서 시스템의 상태를 IDLE, ACTIVE, SLEEP 으로 나누어서 ACTIVE 상태는 전체 유닛의 클럭이 동작되고, IDLE 상태는 디지털센서 유닛(DSU) 의 클럭이 동작되고, SLEEP 상태에서는 모든 유닛의 클럭이 동작되지 않는다. 그림 4는 전력관리 유닛에서 상태 변이 조건을 나타낸다.
참고문헌 (6)
Nam,C., Pu,Y.G., Park,J.S., Hong,S.H., Hur,J., Lee,K.Y., "A Design of Multi-Channel Capacitive Touch Sensing ASIC for SoC Applications in 0.18 ${\mu}m$ CMOS Process", Journal of IEEK, Vol.47, No.4, pp. 26-33, 2010
Lee,K.J., Han,P.Y., Lee,H.S., Bae, J.W., Kim, E.S., Nam,C., "Implementation of 24-Channel Capacitive Touch Sensing AS", Journal of IEEK, Vol.48, No.5, pp. 34-41, 2011
Shin,H.J., Han,T.D., "Design Multi Touch Screen by Linear Touch Sensor on Resistive Touchscreen", Journal of KSCI, Vol.16, No.2, pp.309-312, 2008
Jung,S.W., Kwon,O.J., Jeong,Y.J., "Design of an Infrared Multi-touch Screen Controller using Stereo Vision", Journal of IEEK, Vol.47, No.2, pp. 68-76, 2010
Lee,S.Y., Park,H.S., Han,M.K., "A Touch-sensitive Display with Embedded Hydrogenated Amorphous-silicon Photodetector Arrays", Journal of KIEE, Vol.58, No.11, pp.2219-2222, 2009
Oh,S.K., Park, G.D., Kim, B.K., "Performance Comparison of the Recognition Methods of a Touched Area on a Touch-Screen Panel for Embedded Systems", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 10, No. 9, pp. 2334-2339, September 2009.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.