지능형 조명과 반도체 시장을 위한 "EZ-Color"와 "PSoC Express"
글│Gavin Hesse, Product Marketing Engineer, Cypress Semiconductor
많은 분들이 이미 지능형 조명을 가능하게 하는 고휘도 LED와 혁신적인 가능성들에 대해 글을 써 왔다. LED 믹싱을 이용하여 가능한 색깔의 범위를 무시하기에는 너무 광범위할 뿐만 아니라 피하기 에는 너무 효과적인 방식이다. 많은 업체들이 이러한 점을 발견함에 따라 그들 업체 자신들의 리스크에서 이전 솔루션의 실행을 보류하고 있으며 심지어 많은 업체들이 그러한 가능성을 수용하기 시작하고 있다.
이러한 변화와 함께 많은 전통적인 조명 설계자들은 그들의 진로에 결정적인 지식의 장벽이 놓여 있음을 발견하고 있다. 조명 시장에서 풍부한 경험을 가진 대부분의 설계자들은 전원 공급과 기계적 설계 문제들에 대한 큰 장애를 알고 있다. 진정 독특한 설계를 달성하고자 하는 설계자들에게는 아쉽게도 간단한 전류 혹은 전압 조절 방법으로는 더 이상 충분치가 않게 되었다.
그 대신, 마이크로컨트롤러 혹은 FPGA 형태에서의 지능이 컬러를 통해 장식하거나 정밀성을 조절하는 것과 같은 기본적인 기능들을 위해 필요하게 되었다. LED 컬러 전반의 장점을 활용하기 위해 이러한 조절기능은 다양한 작동 조건들에서 특별한 컬러를 정밀하게 "잠그는 것"을 필요로 한다. 마이크로컨트롤러 세계에서의 이러한 변화에는 지식의 격차가 놓여있다. 일반적인 마이크로 컨트롤러 용어인 "C" 프로그래밍 등은 많은 조명 디자인 업체들이 비싼 컨설턴트로 바뀜에 따라 진입을 위한 값비싼 장벽을 입증할 수 있다. 기본적인 MCU 토대를 최대한 가속화 시키기 위해 필요한 시간은 국가적 이정표를 위한 시도의 상실을 의미할 수도 있다. 빠른 시장 출시는 모두에게 중요한 요소이다.
LED가 가진 2가지 고유의 특별한 장애물은 이러한 장애물을 극복하기 위해 마이크로컨트롤러가 필요한 만큼 눈에 띄는 것이다. 온도는 광속을 누그러뜨리고 우성 파장을 완화하면서 LED를 강하게 두드린다. 표 1은 실질적인 LED가 어떻게 온도 변화에 반응하는지를 보여주고 있다.
표 1. RELATIVE LIGHT OUTPUT VS. JUNCTION TEMPERATURE
현재 시장에는 이러한 변화를 보정하기 위한 몇 가지 좋은 해결방식들이 나와있다. 엔지니어들은 더미스터(thermistor)나 온도 센서를 이용해야만 하며, 빛의 세기를 낮추는 보정을 위해 디밍(dimming) 파형을 정확하게 조절하기 위한 2~3가지 치수의 검사 테이블의 일부 형식을 시행해야 한다. 더미스터 자체는 보드 온도를 읽고 LED의 결합 온도에 대한 근사 방정식을 활용하기 위해 가능한 LED에 가깝게 위치해야만 한다.
특정 LED의 변화
두 번째 장애는 특정 LED의 변화이며, 이러한 변화는 심지어 같은 부품 넘버에서도 일어난다. 이는 비닝(binning)이라고 알려져 있다. LED는 광속, 우성 파장 및 forward 전압에 의지해 저장된다. 싱글 우성 파장 bin의 차이는 사람의 눈으로 알아차릴 수 있다. 다시 한번, 설계자가 릴(reel)이 제조 플로어에 도착할 때 까지는 어떤 bin인지 알 수 없는 관계로 멀티 치수의 검사 테이블이 만들어져야 한다.
Bin의 명료도는 LED 제조업체에서 LED 제조업체에 이르기까지 다양하다. 따라서 추가적인 소프트웨어 검사 테이블은 LED의 다중 브랜드용으로 만들어져야만 한다. 소비자들을 종종 이러한 충돌을 피하고 고정된 컬러 포인트를 확인하기 위해 특정 bin을 받을 때에만 제조업체들에게 특별한 프리미엄을 지불하도록 강요 받는다.
이러한 것들은 고휘도 LED 설계를 둘러싼 단지 2가지 문제일 뿐이다. 이로써 마이크로컨트롤러가 필요할 뿐만 아니라 정확한 컬러 믹싱을 위한 결정적인 부품이라는 점은 분명하게 되었다. 또한, 마이크로컨트롤러를 이용하는 것은 완전히 기능적인 설계를 완성하기 위해 필요한 지식 요건을 구비하면서 최초 계획했던 것 보다 훨씬 더 복잡할 수 있다는 것도 분명하다. 이러한 LED의 결점을 극복하기 위해 최근 발표된 하나의 방법은 PSoC Express를 이용하는 싸이프레스의 EZ-Color 프로그래머블 솔루션이다.
EZ-Color 프로그래머블 솔루션
PSoC Express를 이용하는 싸이프레스의 EZ-Color 프로그래머블 솔루션은 어떻게 작동하는가? PSoC Express는 쓰기 코드에 대한 필요성을 없앤 임베디드 시스템 디자인이다. 이 툴 자체는 디자인 레벨 대신 시스템 레벨에서 작동한다. 달리 말해 PSoC Express는 "for loop" 대신 특수한 기능들을 활용하는 것이다. 이러한 기능들 그 자체는 센서, 더미스터 혹은 LED 드라이버와 같은 real-world 디바이스들이다.
PSoC Express는 비주얼 임베디드 시스템 디자인(Visual Embedded System Design)이다. PSoC Express가 인상적으로 들리는 반면 사실상 PSoC Express는 훨씬 그 이상일 수도 있다. EZ-Color 와 PSoC Express는 한 기업의 LED 시장으로의 진입을 급격하게 바꿀 수 있다. PSoC Express는 컬러 믹싱 과학을 배울 필요성이 없을 뿐만 아니라 더미스터나 혹은 binning을 위해 앞서 언급한 다중 치수의 검사 테이블을 만들 필요성 역시 없다. 훨씬 더 탁월한 점은 EZ-Color는 몇 분만에 이러한 작업을 달성할 수 있다는 점이다.
하나의 간단한 사례를 들어보자. EZ-Color는 혼합 컬러를 만들기 위해 3개의 LED(빨간색, 녹색, 파란색)을 켤 것이다. 우리는 1931 CIE Chromaticity Diagram을 활용할 것이며 다소 자주색을 띌 컬러(.1, .12)를 만들 것이다.
우선 설계자는 Lumileds K2 3LED 컬러 믹싱 드라이버를 찾기 위해 카탈로그를 볼 수 있다. 이 카탈로그는 4개 섹션으로 나누어진다. 인풋(Input)과 아웃풋(Output)은 기능형 드라이버(앞서 논의한 real-world 디바이스) 인 반면 다른 2개의 탭은 아래에서 논의될 것이다. 인풋은 센서일 것이며, 아웃풋은 Triple Luxeon 컬러 믹싱 드라이브일 것이다. 이 드라이버의 이름은(LED 제조업체 이름뿐만 아니라 파트 번호까지) 아주 구체적인데 이는 K2의 구체적인 기능사항에 규정되기 때문이다. 들어있는 bin 정보는 K2 LED를 위해 필요한 것 뿐이며, 온도 반응 방정식은 K2 LED를 위해서만 적합하다. 이는 일반적인 컬러 시스템에서의 많은 소프트웨어 총경비를 이미 없애주는 것이다.
스크린으로 드래그 하고 이름을 붙인 후에는 properties window가 나타난다. 이제 설계자는 컬러 믹싱 방정식을 만들기 위해 특정 bin 또는 온도 센서를 선택할 수 있다. 사실, EZ-Color는 광범위한 온도 센서 및 더미스터와 함께 작업할 수 있다. 그래서 이러한 문제들을 위한 보정을 위해 소프트웨어 검사 테이블의 다중 변화를 다루는 일 대신 문제는 설계의 onset을 처리하는 것이다.
아웃풋 컬러를 설정하기 위해 EZ-Color 드라이버는 "transfer functions"라 불리는 것을 사용하며, 이 드라이버들은 표면하의 내부 알고리즘을 구동하는데 필요한 메모리에 저장된 변수이다. ColorMix 드라이버는 Enable, Relative Flux, CIE x, and CIE y 등 4개의 인풋을 필요로 한다. 드라이버와 이러한 인풋에 대한 보다 자세한 내용을 배우기 위해서는 드라이버 데이터시트를 읽어보는 것이 좋다. 데이터시트를 읽는 것이 힘든 일인 것 같지만 시간에 대한 충분한 가치가 있는 일이다.
이러한 4개의 인풋을 만들기 위해서는 또 다른 PSoC Express 디바이스가 필요하며, 그것은 인풋/아웃풋의 동일한 카탈로그에서 찾은 Valuator이다. 원리를 이해하기 위해서는 변수를 생각하는 것이 더 낫다. PSoC Express는 normal C lingo에 있는 "# defines"과 연관이 있거나 혹은 State Machine이나 Status Encoder와 같은 변수를 기반으로 logic에 있는 세트 변수를 제공한다. 우리의 간단한 사례에서 4개의 인풋은 표준 Valuators만을 필요로 한다.
이쯤에서 필요하다면 추가적인 커뮤니케이션 인터페이스가 더해질 수 있다. EZ-Color는 I2C, Wireless USB, 그리고 DMX512와 같은 다양한 시리얼 인터페이스를 지원할 수 있다. 이들은 컬러 믹싱 드라이버와는 별도이지만 외부 소스에 의존하는 전송기능 밸류를 다시 쓰기 위해 메모리에 특정 영역과 함께 동기화 할 것이다.
설계를 만드는 동안 PSoC Express는 EZ-Color part의 카탈로그를 먼저 제공할 것이다. 완제품을 위한 마케팅 요건을 추측하면서 설계 과정 초기에 8번의 회의를 할 필요도 없이 당신이 만든 특정 코드 크기와 리소스 요구를 다룰 수 있는 이 파트만이 보여질 것이다.
일단 파트가 선택되면 다이내믹 핀아웃을 활용할 수 있으며, EZ-Color의 기능은 특별한 패션에서 항상 활용되고 있는 특별한 pin에 의존하지 않는다. 모든 것이 새로운 사용자들을 위해 가능한 직관적으로 만들어진다.
결론
이 프로젝트는 이제 완료되었다. 간단한 싱글 컬러 디자인임에도 전체 과정은 10분 정도 걸릴 수 있다. 모형도, 개인 데이터시트, 커스텀 펌웨어는 리뷰를 위해 모두 준비되어 있다.
모형도 자체는 현재 National LM3402 buck 컨버터를 활용하고 있다. EZ-Color는 결코 선택이 한정 적이지 않다. 하나의 인풋으로써 디밍(dimming) 파장을 가질 수 있는 어떠한 전원 컨버터도 사용될 수 있다. 컬러 센서, 온도 센서, 가속도계, 타코미터, 버튼 혹은 전압 모니터 등과 같은 추가적인 외부 디바이스들은 카탈로그 메뉴에서 인풋 탭을 이용하여 더할 수 있다.
설계 완료 후, PSoC Express는 오류가 없다는 것을 확인시켜 주기 위한 모니터 기능을 제공한다. 이 모니터 기능은 Properties 메뉴에서 선택된 LED bin에 달려 CIE 챠트를 만드는 "Tuner"라 불리는 그래픽 툴을 포함하고 있다. 세기와 컬러는 따라서 수동으로 조정될 수 있으며, 코니카-미놀타 CL200 등과 같은 외부 컬러 센서를 이용할 때에는 만들어진 혼합 컬러를 테스트할 수도 있다. 또 다른 튜닝 옵션은 매뉴얼 특징을 폐기하고 프로그램을 자유롭게 놔 두는 것이다. 이렇게 함으로써 커서는 앞서 논의한 logic에 달린 컬러로 이동할 것이다. 마지막 장애물은 광범위한 RGB 픽셀을 조절하는데 필요한 많은 MCU 비용을 줄이고자 하는 것이다. 시장의 많은 디바이스들이 5개의 하드웨어 PWM이나 대체적인 dimming 채널 보다 더 적은 것을 가지고 있다. PSoC Express는 동일한 EZ-Color 디바이스를 활용하여 멀티플 픽셀을 쉽게 처리할 수 있다. 이러한 통합 기능은 추가 비용을 줄일 수 있으며 제품의 시장 출시를 앞당겨 준다.
이러한 특별한 디자인이 너무 쉽게 나타나지 않거나 "real world"에 해당하지 않는다면 EZ-Color와 PSoC Express가 답을 줄 것이다. 툴에서 활용 가능한 추가적인 logic valuators는 고유의 컬러 믹싱 기능을 만들 수 있다. 전송 기능의 일부인 어떠한 변수도 일차적인 엔코더나 셋포인트 영역에 의해 수정될 수 있다. 따라서, state machine logic은 전송 기능의 "x" 와 "y" 부분을 조절하기 위해 보다 손쉽게 만들어 질 수 있다. 추가적인 사례는 Express Designs과 같이 PSoC Express Start Page에서 볼 수 있다.
이 디자인은 완전한 디자인으로 "C"가 필요 없었으며, 랭귀지 자체는 표준 조명 기술과 유사한 것이었다. 이러한 방식이 혁신적인 것처럼 보이면 그것이 혁신적이기 때문이지만 혁신적인 기술은 이처럼 역동적이고 적극적인 시장에서 필요한 것이다. LED가 지속적으로 빠르게 채택됨에 따라 우리가 여기서 논의한 것과 같은 그 이상의 툴들도 시장과의 페이스를 유지하기 위해 필요하게 될 것이다.