[논문]I2C 슬래이브 칩의 주소 설정을 위한 RC회로를 이용한 효과적인 아날로그-디지털 변환기 설계

이무진; 성광수

doi:10.5207/jieie.2012.26.6.087

I2C 슬래이브 칩의 주소 설정을 위한 RC회로를 이용한 효과적인 아날로그-디지털 변환기 설계
A Design of Effective Analog-to-Digital Converter Using RC Circuit for Configuration of I2C Slave Chip Address 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.6, 2012년, pp.87 - 93

이무진 (영남대학교 전자공학과) , 성광수 (영남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an analog-to-digital converter to set the address of a I2C slave chip. The proposed scheme converts a fixed voltage between 0 and VDD to the digital value which can be used as the address of the slave chip. The rising time and the falling time are measured with digital counter in a serially connected RC circuit, while the circuit is being charged and discharged with the voltage to be measured. The ratio of the two measured values is used to get the corresponding digital value. This scheme gives a strong point which is to be implementable all the parts except comparator using digital logic. Although the method utilizes RC circuit, it has no relation with the RC value if the quantization error is disregarded. Experimental result shows that the proposed scheme gives 32-level resolution thus it can be used to configure the address of the I2C slave chip.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DTV를 초기에 시작하는데 수초가 소요되므로[6] 빠른 ADC를 사용하지 않아도 되고, 해상도 역시 높지 않아도 되는 점을 활용하여 간단하지만 효과적인 RC회로를 이용한 ADC를 제안한다.
본 논문에서는 I2C 슬래이브 칩 주소를 설정하는데 사용할 수 있는 RC회로를 이용한 전압-시간 변환형 ADC를 설계하였다. 제안된 방법은 직렬로 연결된 1차 RC회로로 구성되어 있으며 측정하고자 하는 입력 전압을 저항을 통해 인가하여 커패시터를 충전, 방전하면서 상승시간과 하강시간을 측정하고, 이들의 비를 이용해 입력전압을 계산한다.

가설 설정

두 함수에 대한 그래프는 그림 6과 같다. 여기서 V_L = 0.2V_DD, V_H = 0.8V_DD, V_Imin = 0.21V_DD, V_Imax = 0.79V_DD로 가정하여 그래프를 그렸다.

제안 방법

VImin ∼VImax구간의 입력전압 VI를 인가하기 위해 12bit DAC를 이용해 전압을 인가하였으며, ADC를 통해 인가된 전압을 확인하였다.
V_Imin ∼V_Imax구간의 입력전압 V_I를 인가하기 위해 12bit DAC를 이용해 전압을 인가하였으며, ADC를 통해 인가된 전압을 확인하였다. 비교기를 제외한 디지털 카운터와 같은 디지털 회로는 FPGA로 구현하였고, MCU에서 I2C bus를 이용해 관련 값들을 읽을 수 있게 하였다. MCU에서 획득한 데이터는 분석을 위해 RS232를 통해 PC로 옮겨진다.
그림 12는 실제 측정한 결과를 그래프로 표현하였다. 이 그래프에서 x축은 입력전압 V_I를 나타내며, V_Imin에서 V_Imax 까지 증가하면서 제안된 방법으로 레벨을 구하였다. 입력이 증가함에 따라 계단형태로 출력값이 증가함을 알 수 있다.
제안된 방법은 그림 4의 SW1을 이용해 노드 A를 T_InitR시간동안 0[V]로 방전한 후 V_I를 통해 노드 A가 V_L까지 충전하는데 걸리는 시간 T_LR을 측정한 다음, SW2를 이용해 노드 A를 T_InitF시간동안 V_DD로 충전한 후 V_I를 통해 노드 A가 V_H까지 방전하는데 걸리는 시간 T_HF를 구한다. 여기서 이들 두 값을 주기가 T_clock인 디지털 카운터로 측정한 값이 각각 N_LR과 N_HF이다.
제안된 방법은 저항과 커패시터가 직렬로 연결된 1차 RC회로를 이용한다. 측정하고자 하는 입력전압을 저항에 인가하여 커패시터를 충전, 방전하면서 상승시간과 하강시간을 디지털 카운터로 측정한다.
본 논문에서는 I2C 슬래이브 칩 주소를 설정하는데 사용할 수 있는 RC회로를 이용한 전압-시간 변환형 ADC를 설계하였다. 제안된 방법은 직렬로 연결된 1차 RC회로로 구성되어 있으며 측정하고자 하는 입력 전압을 저항을 통해 인가하여 커패시터를 충전, 방전하면서 상승시간과 하강시간을 측정하고, 이들의 비를 이용해 입력전압을 계산한다. 실험에서 N=16일 경우 최소 RER값이 0.
지금까지 아날로그 값인 T_LR과 T_HF를 이용하여 설명하였으며, 제안된 방법에서는 이 값을 디지털 카운터를 이용해 측정한다. 디지털 카운터 동작 클럭의 주기가 T_clock일 경우 N_LR =# 와 N_HF = #로 표현된다.
제안된 방법은 저항과 커패시터가 직렬로 연결된 1차 RC회로를 이용한다. 측정하고자 하는 입력전압을 저항에 인가하여 커패시터를 충전, 방전하면서 상승시간과 하강시간을 디지털 카운터로 측정한다. 이렇게 측정한 두 값의 비를 이용해 입력전압을 계산한다.

대상 데이터

본 실험에서 V_L = 0.2V_DD, VH = 0.8V_DD, V_Imin =0.21V_DD , V_Imax = 0.79V_DD로 두었고, V_DD = 3.3[V]이다. V_Imin ∼V_Imax구간의 입력전압 V_I를 인가하기 위해 12bit DAC를 이용해 전압을 인가하였으며, ADC를 통해 인가된 전압을 확인하였다.
본 실험에서는 파라미터 M을 변화시키면 성능을 측정하였으며 32보다 큰 수를 사용해도 성능에 큰 변화가 없어서 실험에서는 32를 사용하였다. 그림 12는 실제 측정한 결과를 그래프로 표현하였다.

데이터처리

제안된 방법이 RC회로를 사용하므로 잡음에 의한 문제가 발생할 수 있으며, 보다 안정된 결과를 얻기 위해 FindPosition( ) 함수를 M번 수행하여 빈도가 가장 높은 값을 최종 값으로 선택한다. 이에 대한 알고리즘은 그림 8과 같다.

이론/모형

여기서 입력구간 vj∼vj+1의 중심 vjB로부터 어느정도까지 올바르게 변환되는지를 판단하기 위해 수식 (5)와 같이 평가도구 RER(Rate of Endurable Range)을 도입한다.

성능/효과

이렇게 측정한 두 값의 비를 이용해 입력전압을 계산한다. 실험결과 제안된 ADC는 간단하지만 입력전압을 최대 32개의 레벨을 구분할 수 있는 해상도를 보여 I2C 슬래이브 칩의 주소 설정에 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 본 논문은 2장에서 제안된 ADC의 구조 및 동작원리에 대해 설명하고, 3장 실험에서는 실험결과를 보여준다.
제안된 방법은 직렬로 연결된 1차 RC회로로 구성되어 있으며 측정하고자 하는 입력 전압을 저항을 통해 인가하여 커패시터를 충전, 방전하면서 상승시간과 하강시간을 측정하고, 이들의 비를 이용해 입력전압을 계산한다. 실험에서 N=16일 경우 최소 RER값이 0.252이며, 이는 입력전압을 인가할 때 각 구간의 중앙값에서 구간전압의 ± 25.2%이내의 오차가 있어도 해당 레벨을 정확하게 변환할 수 있음을 보여 제안된 방법으로 32개 레벨을 분해할 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LCD기반 디지털 TV에서 BLU의 역할은 무엇인가?	디지털 TV와 같은 전자시스템은 컴퓨터 시스템과 유사하게 메인 마이크로프로세서를 중심으로 비디오, 오디오 디코더, 디스플레이 모듈 등 다양한 I/O 디바이스가 연결된 구조를 가진다[1-3]. LCD기반 디지털 TV에서 BLU(back light unit)역시 I/O 디바이스 중 하나이고, 시스템을 제어하는 메인 마이크로프로세서로부터 디밍(dimming) 정보를 받아 밝기를 조절한다. LED를 광원으로 하는 직하형 LED-BLU에서는 BLU에 배치된 LED를 여러 개의 영역으로 나눈 후 해당 영역별로 밝기를 제어하는 로컬디밍(local-dimming)기법을 이용하여 저전력을 구현하고, 화질을 개선한다[4]
	I2C가 마이크로 컨트롤러에서 널리 사용되고 있는 이유는 무엇인가?	I2C는 클럭과 데이터의 2비트 버스를 공유하는 구조로 저비용으로 시스템을 구성하는데 용의하여 마이크로 컨트롤러에서 널리 사용되고 있다[5]. I2C는 1개의 마스터에서 여러 개의 슬래이브 디바이스를 제어하는 구조가 일반적이며, 그림 1에서 MCU가 마스터가 되고, LED 드라이버 0에서 7은 슬래이브가 된다.
	직하형 LED-BLU의 각 구성요소들은 어떤 일을 처리하는가?	로컬디밍을 지원하는 BLU는 그림 1과 같이 MCU와 LED 구동 chip들로 구성되어 있으며, MCU는 메인 마이크로프로세서와 통신하며 로컬디밍에 대한 정보를 받는다. 정보를 받은 MCU는 I2C 버스를 통해 LED 구동 칩을 제어한다. 42인치 직하형의 경우 8개의 LED 구동칩이 연결되며, 사이즈가 더 클 경우 더많은 구동칩을 연결해야 한다.

참고문헌 (6)

Hee-Gook Lee, Strategic consideration for the design of digital TV system-on-chip products, in IEEE Asian Solid-state Circuit Conference, Jeju, Korea, pp.1-4, Nov. 2007.
Seong-Pil Moon, Min-Kyu Cho, Jae-Yeol Lee, Jun-Gil Jeon, Tae-Gyu Chang, Chang-Hwan Jang, A Mobile digital TV Platform with Power-saving Strategy, in IEEE International Conference on Consumer Electronics, Berlin, Germany, pp.315- 317, 2011.
Sung-Ryoul Cheon, Ik-Hwan Kim, Ho-Keun Lee, Yeong-Ho Ha, Digital Ready TV platform with synchronization shaping circuit, in IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.49, No. 1, pp.220-228 Feb. 2003.

상세보기
Yu-Cheol Park, Hee-Jun Kim, Back-Haeng Lee, Dong-Hyun Shin, A Local-dimming LED BLU Driving Circuit for a 42-inch LCD TV, in Telecommunications Energy Conference, Incheon, Korea, Oct. 2009.
I2C Specification, Version 2.1 Jan. 2000.
Heeseung Jo, Hwanju Kim, Hyun-Gul Roh and Joonwon Lee, Improving the Startp Time of Digital TV, in IEEE Trans. on Consumer Electronics, pp 721-727, 2009.

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