이글은 LCD 설계의 주요 고려사항을 TV 원격제어 애플리케이션 맥락에서 설명한다. 또한, 세그먼트화 LCD가 들어간 설계에서 새로운 초저전력 MSP430FRxx FRAM 마이크로컨트롤러(MCU) 제품군, 그 중에서 MSP430FR4x MCU 시리즈가 어떻게 물리적 풋-프린트와 전력소비를 최소화하면서 애플리케이션 개발을 간소화할 수 있는지 알아본다.

LCD(Liquid crystal displays)는 주변 어디에서나 볼 수 있다. 가정과 사무실 심지어 항상 들고 다니는 휴대형 기기에도 LCD가 있다. 조금만 생각해봐도 LCD 산업이 여전히 고속 성장 중이라는 것은 별로 놀라운 일이 아니다. 물론 이러한 성장의 많은 부분을 노트북이나 휴대전화 같은 휴대형 기기 및 TV가 주도하고 있지만, 그 외의 다른 시장에서도 LCD의 존재감은 점점 커지고 있다.

적외선(IR) 통신을 사용하는 제품을 한번 예로 들어보자. IR은 조명, 에어컨, 심지어 장난감을 원격 제어하는 데에도 자주 사용된다. 이러한 애플리케이션들과 다른 휴대형 기기 또는 배터리 구동 기기 사이에는 흥미로운 공통점이 존재한다. 시간이 지나면서 점점 더 많은 기능을 계속 추가하고 있다는 점이다. 예를 들어 디스플레이의 구현은 소비자에게 더 많은 정보와 즉각적인 피드백을 제공하고 제품에 대한 경험을 전체적으로 향상할 수 있는 흔한 방법이다.



이와 같은 개념을 원격 제어는 물론, 휴대형 의료장치, 인 홈 디스플레이, 보안 패널, 심지어 스마트 계량에까지 적용할 수 있다. 이들 애플리케이션과 TV 및 휴대전화의 한 가지 중요한 차이점은 세그먼트화 디스플레이의 사용에 있다. 디스플레이의 전력과 데이터양에 한계가 있을 때, 또는 비용이 문제가 될 때, 세그먼트화 LCD가 이상적인 해결책이 될 수 있다. 주변을 둘러보면 다른 LCD에 비해 세그먼트화 LCD의 비율이 10:1로 높은 것을 그 이유로 볼 수도 있다. TV와 태블릿 외에도, 주방기구, 리모컨, 온도조절장치, 알람 패널 등에 있는 세그먼트화 디스플레이에 주목해보자!

세그먼트화 디스플레이를 애플리케이션에 추가하여 고객에게 유용함을 더해줄 수 있지만, 시스템 디자인의 복잡함도 더해질 수 있다. 디스플레이가 있는 제품을 설계할 때 크게 세 가지 요건을 고려해야 한다:

?시스템 크기: 이전 버전과 물리적으로 크기가 같거나 심지어 더 작은 시스템에 기능을 추가할 방법은?
?시스템 전력: 소비자에게 배터리 교체라는 비용과 불편을 최소화하면서 디스플레이를 구동할 방법은?
?필요한 데이터: 소비자와 공유해야 하는 정보를 고려했을 때, 디스플레이의 크기나 디스플레이에 필요한 세그먼트의 숫자는? 시스템이 이용할 정보는?

점점 작아지는 세상

10년 전 휴대형 전자장치의 크기가 그야말로 컸다. 사물인터넷의 확대로 연결된 장치들이 더 많아지고 있고(예: 이제는 습도를 스마트폰과 공유하는 소형 센서를 정원에 둘 수도 있다), 제품 설계자는 훨씬 더 작아진 패키지에 비슷하거나 더 많은 기능을 넣고 있다. 후자의 사례는 범용 리모컨에서 찾아볼 수 있다.

엔터테인먼트 시스템의 모든 품목마다 리모컨이 필요했던 시절이 그리 오랜 일은 아니다. TV를 켜고 소파 쿠션 밑에서 리모컨을 찾아 볼륨을 올리던 시절을 기억하는가? 세 번째 리모컨으로 DVD 플레이어를 제어했던 일은? 현재는 단 하나의 리모컨으로 모든 IR 장치를 가정에서 제어할 수 있다.

이러한 범용 리모컨이 사용자의 체험을 단순화하기 위해 세그먼트화 디스플레이에 자주 통합되고 있다. 예를 들어 ‘TV 시청’ 옆에 있는 단 하나의 버튼만 눌러 TV와 셋톱박스, 사운드 시스템을 설정할 수 있다. 각각의 버튼을 따로 눌렀던 예전과 달라진 점이다. 또한, 이와 같은 리모컨은 과거 이러한 장치 중, 단 하나만 제어했던 리모컨보다 더 크지도 않다.

이러한 크기 최적화의 대부분은 하드웨어 레이아웃 덕분이다. 하드웨어 레이아웃 최적화는 까다로울 수 있고 상당한 시간과 비용이 소요될 수도 있다. MSP430FR4133 마이크로컨트롤러는 4 KB ~ 16 KB 비휘발성 FRAM(ferroelectric random access memory)의 작은 메모리 풋-프린트에서도 이용할 수 있으며, 집적과 탄력적인 핀 할당으로 레이아웃을 한층 더 간소화할 수 있다.

?집적: MCU에 컴포넌트들을 집적시키면 보드 공간과 전력까지 절약할 수 있다. MSP430FR4133 MCU는 세그먼트화 LCD 드라이버를 집적하여 마이크로 컨트롤러에서 디스플레이로 집적 연결을 할 수 있고, PCB 트레이스를 최소할 수 있다. 또한, 이 MCU에 들어 있는 멀티채널 집적 10 bit ADC를 온도 센서나 외부 센서의 시스템 모니터링에 사용할 수도 있으며, 외부 컴포넌트의 필요성을 줄여주는 실시간 클록 및 타이머에 사용할 수도 있다. 나아가 쓰기 속도가 빠르고 내구성이 높은 집적 FRAM으로 EEPROM 같은 외부 메모리의 필요성도 없앨 수 있다.

?자유로운 핀 할당: 집적을 해도 마이크로컨트롤러의 핀 레이아웃에는 시간이 소요될 수 있다. 개발자는 추가된 PCB 레이어로 레이아웃을 간소화할 수 있지만, 시스템 비용 절감이 중요한 시장에서 소비자에게 상당한 비용 부담을 줄 수 있다. 아니면 LCD 위치를 바꿔 레이아웃을 간소화할 수도 있지만, 미관이나 활용도 측면에서 리모컨의 요건에 부합하지 않을 수도 있다.

MSP430FR4133 MCU에는 소프트웨어로 구성할 수 있는 LCD 핀이 있어서 개발자가 어떤 위치에든 LCD를 배치할 수 있고, 그러면서 여전히 PCB 경로도 간소화할 수 있다. 레이아웃의 간소화는 MSP430FR4133 마이크로 컨트롤러의 자유로운 핀 할당이 가진 장점 중 하나에 불과하다. 설계자는 단 하나의 칩으로 복수의 LCD 옵션을 개발하여 개발 시간을 한층 더 단축할 수 있다.

더욱 복잡한 설계에 더 높은 고급 LCD가 필요할 경우, 새 디스플레이에 맞게 소프트웨어로 LCD 핀을 재할당하는 방식으로 똑같은 MCU와 레이아웃을 다른 목적에 맞게 고칠 수 있다. 집적된 주변장치와 탄력적인 설계는 확실히 크기를 줄여주긴 하지만, 한 가지 고려해야 할 점이 있다. 리모컨과 그 밖의 휴대장치에서 배터리는 대개 가장 큰 시스템 컴포넌트이다. 시스템에 기능을 추가할 때 배터리 크기나 양을 늘리는 것은 방법이 될 수 없으므로 전력 최적화가 중요하다.

전력은 공짜가 아니다

시스템 크기를 늘리는 것을 넘어, 배터리를 추가하거나 더 큰 배터리를 시스템에 사용하게 되면 소비자의 부담이 커지게 된다. 편의성 문제가 생길 수도 있고, 배터리 소모가 너무 빠른 휴대형 전자 기기의 부정적 환경 영향 같은 문제가 생길 수도 있다. 그렇다면 같은 배터리로 시스템의 기능을 늘리거나 사용시간을 늘리려면 개발자는 어떻게 해야 할까? 리모컨 같은 휴대장치에서 MCU가 주된 시스템 컨트롤러인 경우가 많다. 따라서 적합한 장치를 선택하고 소프트웨어를 최적화하는 것이 중요하다.

MSP430FR4133 MCU는 여러 가지 이유로 이러한 유형의 애플리케이션에 적합하다. 집적된 비휘발성 FRAM은 플래시 같은 기존 메모리 기술보다 전력이 낮고 쓰기 속도가 빠르다. 액티브 모드에서, MSP430FR4133 MCU는 불과 126 uA/MHz 의 전류만을 소비한다. LCD 드라이버와 실시간 클록이 작동하는 대기 모드에서 이 MCU는 전력소비가 770 nA에 불과한 업계 최저전력 MCU이다. 그러나 저전력 컴포넌트는 전력 효율적인 소프트웨어와 쌍을 이루었을 때에만 효과가 있다. TI의 리모컨 레퍼런스에 대해 알아보자.

리모컨에서 전력 효율 소프트웨어가 가진 한 가지 큰 부분이 IR 통신 처리이다. 정보를 전송하기 위해 이 장치들은 시스템 컨트롤러의 변조 신호가 제어하는 적외선 발광 다이오드(LED)에서 빛을 발산한다. 변조는 리모컨이나 외부 소스에서 어떤 정보가 나오는지 TV 같은 리시버가 판단하는 데 유용한 역할을 한다. ASK(Amplitude Shift Keying)와 FSK(Frequency Shift Keying)는 가장 흔한 변조 기법들이다. 이 변조는 전통적으로 소프트웨어에 의해 구현되며, 단 하나의 타이머로 정확한 타임 슬롯을 생성할 수 있다.

이 타임 슬롯은 매우 작아서 커다란 소프트웨어 오버헤드로 이어질 수 있다. ASK 또는 FSK 변조를 실행할 때 MSP430FR4133은 사실상 일련의 상호연결 하드웨어 리소스인 IR Modulation Logic를 사용하여 이 오버헤드와 전력소비를 낮추고 있다. IR Modulation Logic에서는, 장치가 아주 제한적인 시간에 깨어나기만 해도 개입 없이 인벨로프가 자동으로 캐리어 신호를 생성할 수 있다. 이것은 IR Modulation Logic 온칩이 없는 솔루션보다 MCU 웨이크 인스턴스가 60배 더 작아 전체 전력 소비에 큰 영향을 줄 수 있다.

간소화된 전력 디버깅은 개발 사이클의 75%를 애플리케이션 최적화에 소비하는 개발자들에게 큰 장점이 될 수 있다. IR 외에도 MSP430™ MCU 제품군은 애플리케이션 전력과 개발 시간을 줄일 수 있는 최적화 요소를 가지고 있다. ULP 어드바이저 소프트웨어를 이용하면 저전력 규칙 목록에서 코드를 확인하여 흔히 발생하는 실수들을 피할 수 있다. MSP430 툴 체인은 실시간으로 전력 프로파일을 생성하는 새로운 EnergyTrace™ 기술을 무장하고 있기 때문에 개발자는 에너지가 어디에서 소모 중인지 더 잘 파악할 수 있다.

크기와 전력을 뛰어넘는 장점들

크기와 전력은 휴대형 전자 기기를 설계할 때 가장 중요한 문제들임이 분명하지만, 입력 및 출력을 정의하는 것도 시스템 생성에서 큰 부분을 차지한다. 리모컨에서 숫자 몇 개로 TV 채널을 띄우게 하는 방법도 생각해볼 수 있다. 앞의 예처럼 TV 시청 같은 다양한 기능들을 정의할 공간을 추가하는 방법도 생각해볼 수 있다.
 
MSP430FR4133 MCU는 최대 256 세그먼트를 지원하는 디스플레이 드라이버로 여러 가지 다양한 시나리오를 해결할 수 있다. 또한, 이 MCU에 들어 있는 온칩 차지 펌프로 주로 작동하는 저전력 모드에서 디스플레이가 콘트라스트를 유지하게 할 수 있다. 심지어 MSP430FR4133 MCU를 푸시 버튼이나 정전식 터치 버튼에 연결하여 채널 선택을 가능하게 하거나 재생 및 정지 기능을 가능하게 할 수도 있다. 최대 60개의 다목적 입출력(GPIO) 핀과 무료 정전식 터치 라이브러리를 이용할 수 있기 때문에 가능성은 무한대이다.

이와 똑같은 크기, 전력, 데이터 요건을 다른 애플리케이션과 제품에도 적용할 수 있다. 예를 들어 로우엔드 휴대형 의료장치에는 종종 세그먼트화 디스플레이가 포함되는데, 이것은 MSP430FR4x MCU에서처럼 작은 저메모리 풋-프린트 디바이스의 장점을 누릴 수 있다. MSP430FR4133 MCU의 집적 주변장치, 초저전력 소비, 그 밖의 기능 덕분에 이것은 최적의 선택이 될 수 있다.

한편 MSP430FR4x MCU 또는 MSP430FR2x 시리즈의 LCD 외의 변형에 대해 자세히 정보는 www.ti.com/fram에서 확인할 수 있다. 이 사이트에는 초저전력 MSP430FRxx FRAM MCU 제품군의 여러 디바이스를 볼 수 있고, 최초 MSP430 론치패드 개발 키트로 온보드 LCD를 넣어 이러한 기기를 평가할 수 있다.