엔터프라이즈 연결에서 저전력 HMI를 위해 LED, 전자 종이 및 동작 인식을 결합하는 방법

인간 기계 간 인터페이스(HMI)는 Industry 4.0 자동화 및 공정 제어, 자동차 및 의료 시스템에서 산업용 사물 인터넷(IIoT)을 위해 엔터프라이즈 연결을 지원하는 중요한 요소입니다. HMI의 범위는 증강 현실(AR) 기능을 가진 고글부터 터치 스크린과 간단한 시각적 표시기에 이르기까지 다양합니다. 증강 현실(AR) 고글이 주목을 받고, 터치 스크린은 많은 기능을 제공하며, 점점 더 다양한 에지 장치에서 간단하고 저비용의 소형 및 저전력 시각적 표시기 및 컨트롤이 요구되고 있습니다.

설계자는 LED 도트 매트릭스 또는 전자 종이(EPD) 디스플레이를 동작 인식과 근접 감지 적외선(IR) 광 각도 센서 제어와 결합하여 Industry 4.0 및 다양한 기업, 의료 및 자동차 응용 제품에서 IIoT 에지 노드에 저전력, 저비용, 풍부한 기능의 HMI를 구현할 수 있습니다.

이 기사에서는 영숫자 및 도트 매트릭스 LED 디스플레이와 EPD의 작동 및 기능을 검토하는 것으로 시작한 다음, 동작 인식 및 근접 감지 분야에서 IR 광 각도 센서 IC 사용에 대해 자세히 설명합니다. 그런 다음 Broadcom 및 Lumex의 대표적인 LED 디스플레이, E Ink의 EPD, Pervasive Displays의 EPD 개발 플랫폼, Analog Devices의 동작 인식용 IR 감지 IC와 함께 고성능, 저전력, 소형 HMI를 위한 설계와 통합 공정을 가속화하기 위한 개발 플랫폼을 소개합니다.

영숫자 LED

영숫자 LED 디스플레이는 병렬 및 직렬 데이터 입력과 다양한 문자 번호, 크기 및 디스플레이 너비에 사용할 수 있습니다. 각 문자는 일반적으로 빨간색 또는 녹색과 같은 단일 LED 색상을 사용하여 5 x 7 픽셀 배열로 구성됩니다. 이러한 디스플레이에는 미국 표준 정보 교환 코드(ASCII) 문자, ASCII 문자 집합으로 인코딩할 수 있는 ISO 15924 일본어 가타카나 스크립트 문자 집합, 특수 사용 사례를 위한 국가별 문자 및 맞춤형 사용자 정의 문자 집합이 통합되어 있습니다(그림 1). 이러한 디스플레이는 대낮에도 잘 읽히며, 가혹한 환경에서도 견딜 수 있습니다.

그림 1: 5 x 7픽셀 영숫자 LED 디스플레이를 사용하여 형성된 ASCII 문자 집합. (이미지 출처: Broadcom)

영상 LED 디스플레이

LED 도트 매트릭스 디스플레이는 개별 문자의 형태를 사용하는 대신, 매트릭스 레이아웃으로 배열된 LED를 사용하여 그래픽을 전달합니다. 또한 표준 ASCII, 가타카나 및 기타 텍스트 형식을 표시할 수도 있습니다. 영상 LED 디스플레이는 성능 면에서 위에서 설명한 도트 매트릭스 디스플레이와 비디오 LED 디스플레이 사이 어딘가에 해당합니다. 다양한 크기로 제공되며 빨간색, 녹색의 단일 색상 디스플레이 또는 빨간색/녹색/파란색(RGB) 색상 디스플레이가 될 수 있습니다. 그러나 일반적으로 비디오 디스플레이에 비해 표현 가능한 색상 팔레트가 더 제한적이며, 화면 주사율이 더 느립니다(그림 2). LED는 일반적으로 LED의 음극 또는 양극 단자가 공통 회로 노드로써 함께 연결된 그리드 패턴으로 배열됩니다. I2C, 8비트 병렬, 직렬 및 기타 인터페이스로 작동하는 영상 LED 디스플레이가 제공됩니다. 일부는 온보드 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)을 포함하며, 또 다른 일부는 시스템 프로세서를 사용합니다.

그림 2: RGB LED 디스플레이의 색상 팔레트 예시 (이미지 출처: Lumex)

전자 종이란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

LED는 켜진 상태를 유지하기 위해 지속적인 구동 전류가 필요하지만, 전자 종이는 지속적인 구동이 필요 없이 매우 낮은 전력만을 사용할 수 있는 쌍안정 기술입니다. 저전력이 우선시되고 화면 주사율이 낮으며 총천연색이 필요하지 않은 경우, 전자 종이 디스플레이(EPD)는 LED 및 액정 디스플레이(LCD)를 대체할 수 있는 대안이 될 수 있습니다. EPD에서 이미지를 렌더링하는 데는 전력이 거의 필요 없으며, 일단 이미지가 렌더링된 후에는 이미지를 유지하는 데 전력이 필요하지 않습니다. EPD는 잉크와 종이와 같은 수준의 대비를 갖추고 있습니다. 대부분은 흑백이지만, 일부에는 EPD는 빨간색과 같이 다른 색상이 추가됩니다.

EPD는 박막 트랜지스터(TFT) 기술과 전자 잉크 층을 결합한 것입니다. 잉크는 전하를 띤 안료 입자가 들어 있는 수백만 개의 작은 캡슐로 구성되어 있으며, 두 전극 사이에 있습니다(그림 3). TFT 매트릭스에 필요한 구동을 적용하면 안료 입자가 세부적인 이미지를 형성합니다. 일단 안료 입자가 자리로 이동한 후에는 전력을 공급하지 않아도 그대로 유지됩니다. EPD를 구동하는 것은 다소 까다로울 수 있습니다. 전면 패널 래미네이트(FPL)는 배치마다 약간씩 다르므로 구동 파형을 수동으로 조정해야 합니다. 또한 다양한 작동 온도에 따라 다른 구동 파형이 필요할 수 있습니다.

그림 3: 전자 잉크는 두 전극 사이에 전하를 띤 안료 입자가 들어 있는 수백만 개의 매우 작은 캡슐로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Pervasive Displays)

동작 인식

LED와 EPD는 시스템 사용자와 운영자에게 정보를 제공할 수 있습니다. 이는 전체 HMI 설정 중 절반에 불과합니다. 사용자와 운영자는 시스템에 입력 및 제어 신호를 제공할 수 있는 기능도 필요합니다. 일부 응용 제품에서 근접 감지는 시스템에 작업자의 존재를 알리고 디스플레이가 자동으로 켜져 상태에 대한 정보를 제공합니다. 이는 상태 정보를 전송하는 데는 유용하지만, 장비에 입력 및 명령을 전송하는 메커니즘은 제공하지 않습니다. 기존의 키보드, 스위치 및 기타 메커니즘을 사용하는 것도 옵션이 될 수 있지만 이러한 솔루션은 상대적으로 규모가 크고 전력 소모가 많을 수 있습니다. 대신 설계자는 근접 센서용 동작 인식 인터페이스를 사용하여 손의 움직임과 패턴을 감지하고 명령으로 변환할 수 있습니다. 동작 인식은 배경 소음과 주변 소리로 인해 음성 인식을 사용하기 어려운 시끄러운 환경에서 특히 유용합니다. 기본적인 동작 인식을 구현하려면 다음과 같은 세 가지 활동이 필요합니다.

• 동작의 시작과 끝 인식하기
• 동작 전체에서 손의 움직임 추적하기
• 처음 두 단계의 정보를 사용하여 동작 이해하기

동작 인식 개발 플랫폼

설계자는 동작 인식 시스템을 개발하기 위하여 ADPD2140 IR 광 각도 센서를 기반으로 하는 Analog Devices의 EVAL-CN0569-PMDZ 참조 설계를 활용할 수 있습니다. 이 회로는 IR 펄스 트레인을 방출하고 센서는 반사된 빛을 포착합니다. 이 설계는 기판에서 최대 약 20cm 떨어진 곳의 동작 감지를 지원합니다. 설계자는 초당 최대 512개 샘플의 샘플링 속도를 통해 응용 제품과 환경에 가장 적합하도록 잡음 제거 및 응답 시간을 조정할 수 있습니다. 또한 ADPD2140은 정밀한 정렬이 필요하지 않으며, 센서가 ±35° 각도 시야 범위 내에서 선형 응답을 제공한다는 점도 주목할 만합니다(그림 4). ADPD2140 패키지에 통합된 광학 필터는 가시광선을 효과적으로 차단하여 밝은 실내 조명이나 햇빛 아래에서 센서의 동적 범위를 유지하는 동시에, 외부 렌즈나 필터가 필요 없으므로 시스템 설계를 더욱 간소화합니다.

그림 4: ADPD2140 IR 광 각도 센서는 ±35° 각도 시야 범위 내에서 선형 응답을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

영숫자 LED 디스플레이

밝고 견고한 영숫자 LED 디스플레이가 필요한 응용 제품에는 Broadcom의 병렬 인터페이스 또는 직렬 인터페이스가 있는 설계를 활용할 수 있습니다. 병렬 인터페이스가 있는 디스플레이는 4자 또는 8자로 제공됩니다(그림 5). 8자, 5mm의 HDSP-2533(녹색 LED 포함), 4자, 3.7mm의 HDLU-1414(고효율 빨간색 LED 포함) 등 다양한 패키지 스타일, 색상 및 크기로 제공되며, 모두 플라스틱 패키지에 들어 있습니다. 또는 견고한 유리/세라믹 패키지에 노란색 LED가 장착된 8자, 5mm의 HDSP-2131을 사용할 수 있습니다. 모든 제품에는 설계 작업을 간소화하는 통합 ASIC 드라이버가 포함되어 있습니다. 이러한 병렬 인터페이스 디스플레이의 특징은 다음과 같습니다.

• 7 ~ 8개의 데이터용 버스 라인
• 프로그래밍 가능한 ROM에 저장된 128개의 ASCII 및 16개의 사용자 정의 가능 문자가 포함된 문자 맵
• 개별 문자 반짝임 및 전체 문자 깜박임
• 스크롤 기능
• 8단계 휘도
• 더 큰 디스플레이가 필요한 경우 X축 및 Y축 방향으로 적층 가능

그림 5: 병렬 인터페이스가 있는 영숫자 LED 디스플레이는 4자 또는 8자로 제공됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

Broadcom은 플라스틱 패키지의 8자, 5mm의 녹색 HCMS-3977 및 8자, 3.8mm의 빨간색 HCMS-2912와 같은 4자, 8자 및 16자 직렬 인터페이스 LED 영숫자 디스플레이와 확장 온도 범위 유리/세라믹 패키지의 4자, 0.2인치 노란색-녹색 HCMS-2333을 제공합니다. 이러한 직렬 LED 디스플레이의 특징은 다음과 같습니다.

• 128 ASCII, ISO 15924 일본어 가타카나 문자 및 사용자 지정 글꼴
• 최소한의 데이터 라인으로 많은 문자 수 디스플레이를 지원하는 직렬 인터페이스
• MCU와 직접 인터페이스하여 시스템 설계 간소화
• 장비가 대기 상태일 때 절전 모드
• 64단계 휘도
• 문자 수가 많은 디스플레이를 지원하기 위해 X축 및 Y축 방향으로 적층 가능

LED 도트 매트릭스 디스플레이

응용 제품에 보다 복잡한 정보를 위한 영상 LED 디스플레이가 필요한 경우, 설계자는 Lumex Opto의 LDM-6432-P3-UR-1을 사용할 수 있습니다. 이 64 x 32픽셀 RGB 디스플레이의 LED 피치는 3mm입니다(그림 6). 이 디스플레이에는 UART 인터페이스, USB 전력 소켓과 1.5A 전류 보호기 그리고 BLE 4.0 모듈이 포함되어 있습니다. 개발자는 개인용 컴퓨터를 사용하여 디스플레이 소프트웨어를 개발할 수 있습니다. 특징은 다음과 같습니다.

• HEX 또는 Arduino AT 명령 처리 가능
• 내장된 글꼴 및 기본 모양
• 혼합된 문자 및 그래픽 모드에서 실행 가능
• 더 큰 디스플레이를 위해 여러 디스플레이 모듈 적층 가능
• 모든 MCU와 통합 가능
• 구동기 또는 라이브러리 불필요
• 애니메이션 표시 가능
• 요청 시 다양한 언어 제공 가능

그림 6: 이 64 x 32픽셀 RGB LED 디스플레이는 보다 복잡한 정보를 표시하는 데 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Lumex Opto)

전자 종이 디스플레이 및 개발 기판

EPD의 이점을 누릴 수 있는 응용 제품은 E Ink의 ED078KC2를 활용할 수 있습니다. 이는 활성 매트릭스 TFT 기판의 반사형 전기영동 EPD 모듈입니다. 7.8인치의 활성 영역에 1404 x 1872픽셀을 제공합니다. 이 EPD는 컨트롤러에 따라 최대 16단계의 회색을 표시할 수 있습니다(그림 7).

Pervasive Displays는 B3000MS044, ext3 및 B3000MS037, ext3 자이언트, EPD 확장 기판을 제공하여 이러한 EPD를 시스템에 통합할 수 있도록 합니다. 기본 ext3 키트는 1.54인치 ~ 12인치 범위의 EPD를 구동할 수 있고, 9.7인치 및 12인치의 대형 EPD의 경우 ext3 자이언트도 필요합니다. 이 개발 플랫폼에는 온보드 구동 회로가 있어 EPD 응용 분야 개발을 간소화할 수 있습니다. 또한 Pervasive Displays는 확장 옵션, 여러 오픈 소스 구동 코드, 디자인 관련 자료, 그래픽 및 대화형 기능을 위한 개발 라이브러리를 지원합니다.

그림 7: 이 쌍안정 EPD는 7.8인치의 활성 영역에서 1404 x 1872 픽셀을 제공하며 전력 소비가 매우 낮습니다. (이미지 출처: DigiKey)

요약

HMI가 필요한 IIoT 에지 장치는 다양한 소형 및 저전력 기술의 이점을 누릴 수 있습니다. 동작 인식은 까다로운 환경에서도 명령과 제어를 제공할 수 있는 방법을 제시해 줍니다. 영숫자 LED 디스플레이는 견고하고 조명이 강한 환경에서도 선명하게 볼 수 있으며, 더 많은 디스플레이 정보 요구를 지원하기 위해 적층이 가능합니다. LED 도트 매트릭스 디스플레이와 EPD는 더 복잡한 정보를 표시할 수 있습니다. LED 도트 매트릭스는 RGB 컬러 디스플레이와 애니메이션을 표현할 수 있으며, EPD는 전력 소모가 거의 없는 고대비 회색 톤으로 된 디스플레이에 사용할 수 있습니다.