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Frequency Division Concurrent Sensing Method for High-Speed Detection of Large Touch Screens
Frequency Division Concurrent Sensing Method for High-Speed Detection of Large Touch Screens
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2015. Apr, 19(4): 895-902
Copyright © 2015, The Korean Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : February 17, 2015
  • Accepted : April 01, 2015
  • Published : April 30, 2015
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운용 장
형원 김
hwkim@cbnu.ac.kr

Abstract
본 논문은 대형 터치스크린을 위한 고속 터치감지 및 노이즈 제거를 위한 FDCS (Frequency division concurrent sensing) 기법을 제안한다. 기존의 터치스크린 감지방식은 대부분 구동신호를 순차적으로 인가하고 순차적으로 센싱신호를 분석하기 때문에 감지속도가 터치스크린 크기에 따라 급격히 감소하여 대형터치스크린에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 제안된 기법은 모든 드라이브라인에 서로 다른 주파수의 신호를 동시에 인가하고 각 센스 라인의 신호를 주파수 영역에서 분석하는 기법으로 대형스크린에서도 고속의 감지속도를 제공한다. 또한 주파수영역에서 노이즈 필터링기법을 제안하여 터치감지신호는 누적하고 노이즈는 상쇄하며, 터치스크린의 주파수전달함수의 역의 특성을 가지는 pre-distortion equalizer를 적용하여 터치감도 SNR을 더욱 개선한다. 23″ 대형 터치스크린 모델에 실제의 환경 노이즈를 적용하여 실험한 결과 본 제안기술이 기존 기법 대비 frame scan rate을 274%, SNR을 43dB 증가시킴을 보인다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
스마트폰, 태블릿 PC와 같이 터치스크린을 포함하는 휴대용기기의 발달로 정전용량 방식의 소형 터치스크린을 위한 터치 감지기술은 높은 성능수준을 달성하고 있다 [1 , 2] . 최근에는 교육용 전자 칠판, 의료장비 모니터, PC용 모니터, 디지털 사이니지 등에도 대형 정전용량방식 터치스크린의 사용이 점차 증가되고 있다. 그러나 소형 스크린용 터치감지 기술로는 대형 터치스크린에 적용하기에 터치 속도 및 감지성능 면에서 많은 문제가 제기 되고 있다 [3 , 4] .
정전용량 방식의 터치스크린의 구조는 LCD 패널위에 얇은 투명전극 (ITO) 또는 메탈 메쉬 (Metal mesh)를 이용하여 다수의 구동전극과 다수의 센싱전극의 패턴의 층을 형성하는 형태를 가진다. 각 구동전극에 입력 파형을 구동하고 각각의 센싱전극의 출력을 순차적으로 검사하여 각 전극간의 교차점에서의 터치 여부를 판단한다. 정전용량 방식 터치스크린은 투명 전극 판에 인체가 근접하면 전극간 교차점의 정전 용량 값이 변화하는 현상을 보인다. 따라서 터치 감지 방법은 이 정전용량 값의 변화를 검출해서 터치가 된 위치를 계산해 내는 방식이다.
정전용량 방식에는 자기정전용량방식과 상호정전용량방식으로 나누어지며 자기 정전용량 방식은 터치 발생 시에 각 투명전극 자체의 정전용량이 변하게 되며 이를 감지하여 터치 위치를 찾아내는 방식이다. 상호 정전용량 방식은 가로, 세로의 두개의 투명전극 교차점의 상호 정전용량의 변화량을 감지하여 접촉점의 위치를 찾아내는 방식으로 최근 대부분의 스마트폰 및 태블릿PC에 적용되고 있는 방식이다 [5 - 7] .
이처럼 소형 터치 디스플레이를 구동하는 터치스크린 컨트롤러 칩들에는 많은 성능 및 기능 향상이 있었다. 그러나 대형 디스플레이에서는 일반적으로 전원 노이즈, 기생 커패시턴스가 터치스크린의 크기에 비례하여 증가하며 따라서 기존의 터치스크린 컨트롤러 기술로는 점차 증가하는 대형 터치스크린에서 목표성능을 달성하기 매우 어려운 실정이다 [8 , 9] . 기존 터치스크린 컨트롤러 기술은 각각의 드라이브 라인에 펄스신호들를 구동 시킨 후 각각의 센스 라인에서 상호커패시턴스를 측정하는 방식이다. 따라서 이 방식의 frame scan rate 아래 식 (1)로 나타내어 진다.
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식 (1)에서 N TX 는 드라이브 라인의 수 (TX line의 수)이며, N RX 는 센스 라인의 수 (RX line의 수), T drive 는 구동 신호의 주기이고, N integration 는 센싱회로 내의 적분기의 적분 횟수이다. 따라서 기존 방식에서는 터치스크린 성능의 주요 지표인 frame scan rate가 터치스크린의 크기 N 의 증가에 따라 1/N2 으로 급격히 감소하는 문제가 있음을 알 수 있다 [10 , 11] .
본 논문에서는 고속의 frame scan rate와 높은 감도의 SNR 이득을 가지는 FDCS 기법을 제안하여 대형 터치스크린 컨트롤러를 위한 한 가지 해결책으로 제시하고자 한다.
Ⅱ. FDCS 터치스크린 감지기법
- 2.1. FDCS 터치스크린 감지기법의 기본 구조
그림 1 은 FDCS 터치스크린 컨트롤러의 구조이다. 이터치스크린 감지기법은 식 (2)와 같이 일정한 간격의 주파수 차이를 가지는 신호를 동시에 드라이브 라인(TX line)에 입력한 후 센스 라인(RX line)을 측정하게 된다. 측정된 신호는 식 (3)와 같은 신호로 출력되게 되고 이신호는 DFT(Discrete Fourier Transform)인 식(4)를 이용하여 주파수 도메인의 신호로 분석한다. 여기서 N은 FFT size. 실제 하드웨어 설계에는 FFT(Fast Fourier Transform) 블록을 통해서 주파수 도메인의 신호로 분석한다.
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FDCS 터치스크린 감지기법 구조[12] Fig. 1 The Architecture of FDCS touch screen detection method
이 분석은 각 드라이브 라인에 입력된 주파수의 스펙트럼밀도를 확인하여 한 번에 드라이브라인 N TX 만큼의 터치위치를 동시에 판단 할 수 있다.
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- 2.2. FDCS 터치스크린 감지기법의 기본 동작
터치스크린에 입력되는 신호는 식(2)에 의해서 생성된다. 생성되는 신호는 주파수 차이 Fd 를 가지고 드라이브 라인의 구동신호로 사용된다. 입력된 구동 신호는 터치스크린을 통과하고 각 센스 라인에서 모든 구동 신호들이 합쳐져 식(3)과 같이 출력된다. 출력된 신호를 식(4)와 같은 FFT를 이용하여 그림 2 와 같이 주파수도 메인으로 전환하여 스펙트럼 밀도를 측정한다. 이러한 FFT의 변환식이며 드라이브 라인들의 해당 주파수 스펙트럼 밀도 값이 기준 값 대비 감소하면 이 터치가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
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터치와 비 터치의 주파수 도메인 분석결과 (이상적인 터치스크린 경우): (a) 터치 비발생의 경우, (b) 터치 발생한 경우 Fig. 2 Frequency domain analysis of touched and untouched case (Ideal case): (a) Untouched case, (b) Touched case
그림2 (a)는 터치가 되지 않은 상태의 센스 라인의 스펙트럼 밀도이고, (b)는 터치가 발생한 경우이다. 터치가 발생한 드라이브 라인에 해당하는 주파수의 스펙트럼밀도 수치가 감소한 것을 볼 수 있다.
- 2.3. Frame scan rate 개선
본 논문에서 제안한 FDCS 터치스크린 감지기법은 기존의 터치스크린 컨트롤러에 비하여 frame scan rate을 크게 개선 할 수 있다.
기존의 일반적인 터치스크린 감지기법은 식(5)와 같은 구동횟수( ND ) 를 가진다. 또한 터치 발생 시 상호커패시턴스의 변화가 매우 작기 때문에 대부분의 방식에서는 여러 번의 구동신호를 가하고 감지 신호들을 반복적으로 적분하여 SNR을 개선한다. 이 경우 총 구동횟수는 식(6)에 표현된 바와 같이 적분횟수 N integration 만큼 증가하기 때문에 frame scan rate이 더욱 더 감소하게 된다.
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제안된 FDCS 기법의 경우에는 모든 구동신호를 동시에 인가한 후 각 센스 라인을 측정하기 때문에 구동 횟수는 식(7)과 같이 센스 라인 수에만 비례하며, 대형 터치스크린에서도 고속의 frame scan rate을 얻을 수 있다. 그림 3 은 기존의 터치스크린 감지기술과 제안된 기법의 frame scan rate를 비교한 그림이다. 예로 들면 기존의 터치스크린 감지기법은 드라이브 라인과 센스 라인의 개수가 44 × 78 channel인 경우 36.42 frames/sec의 frame scan rate를 보이며 100 × 100 channel 인 경우 12.5 frames/sec으로 감소한다. 반면에 제안하는 FDCS 터치스크린 감지기법은 44 × 77 channel의 경우, 100 frames/sec 의 frame scan rate를 제공하며 100 × 100의 경우에도 78 frames/sec의 높은 frame scan rate을 유지한다.
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드라이브 라인과 센스 라인 Channel수 증가에 따른 Frame Scan Rate의 비교 Fig. 3 Comparison of Frame Scan Rate for various TSP with different number of drive and sense channels
Ⅲ. FDCS의 추가 성능향상 기법
- 3.1. 노이즈 적용시의 성능분석
터치스크린 패널 (Touch screen panel (TSP))은 전원장치 및 LCD, 주위 환경에서 발생되는 다양한 노이즈의 영향을 많이 받는다. 이러한 노이즈는 특히 대형 터치스크린에 더욱 큰 영향을 주며, 센스라인에서 측정되는 신호에 불규칙적인 변화를 일으켜서 높은 터치 감도를 획득하기 어렵게 만든다. 이러한 노이즈 영향 하에서 터치스크린 업계에서 통용되는 터치스크린의 SNR 측정방법은 식 (8),(9),(10)과 같다.
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식(9)는 터치 발생시의 센싱신호 평균값과 터치 비발생시의 센싱신호 평균값의 차이로 나타내는 터치 강도 (Touch strength) 이다. 식(10)의 NoiseTouched rms 는 터치 발생시 N개의 센싱 신호 샘플들과 센싱신호 평균값의 차의 RMS 평균값으로 계산된다. 식(9)과 식(10)을 사용하여 식(8)의 SNR을 구할 수 있다 [13 , 14] . 본 논문에서는 N=100 이 사용되었다.
본 논문의 FDCS 기법은 높은 터치 감도를 제공하기 위해 Frequency division moving average (FDMA) Filtering과 pre-distortion equalizer를 적용하여 터치감지 SNR을 향상시킨다.
II 장에서는 터치스크린의 주파수 응답이 주파수에 무관하게 균일한 이상적인 터치스크린 패널 모델을 가정하여 FDCS 방식의 원리를 설명하였다.
그러나 실제 터치스크린 패널에 적용하면 다른 결과를 보인다. 본 모의실험은 국내 최대 LCD 제조사의 상용 터치스크린 패널의 실제 모델과 노이즈를 이용하여MATLAB으로 구현하고 FDCS의 성능 분석을 한다.
그림 4 에 터치스크린의 드라이브 라인 및 센스라인의 경로에 해당하는 터치스크린의 등가회로 모델을 보인다. 그림 5 는 이 모델의 주파수 응답 특성을 나타낸다.
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터치스크린의 모델 등가회로 [15] Fig. 4 Equivalent model of touch screen panel
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터치스크린 모델의 보드선도 Fig. 5 Bode plot of touch screen panel model
그림 6 그림 5 의 주파수 특성을 가지는 터치패널의 모델에 39KHz~374.4KHz 구간에서 7.8KHz 간격의 사인파를 동시에 구동했을 때 센스라인의 신호를 FFT한 결과이다. 터치스크린의 주파수 응답특성 때문에 낮은 주파수의 사인파가 높은 주파수 사인파 보다 더 많은 감쇄가 발생했음을 알 수 있다. 그림 7 은 국내 최대 LCD 제조사에서 측정하여 사용하는 실제 노이즈 신호를 터치스크린 모델에 적용하여 측정한 센싱신호의 FFT 결과이다. 높은 노이즈 신호가 더해져서 각 주파수에서 터치감지 SNR 성능이 저하 된다.
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터치스크린 TX에 44개의 사인파를 가한 경우 RX line의 주파수응답 Fig. 6 Frequency response of an RX line of TSP when 44 sine waves are applied to the TX lines.
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노이즈 소스 적용 시 터치스크린 모델의 주파수응답 Fig. 7 Frequency response of TSP model with the noise source applied to the TSP
- 3.2. FDMA 노이즈 필터링을 이용한 SNR 향상
본 논문은 추가로 터치감지 SNR을 향상시키기 위해 Frequency division moving average (FDMA) 노이즈 필터링 기법을 제안한다. FDMA 노이즈 필터링은 W 개의 Frame의 FFT 결과에서 각 주파수의 스펙트럼밀도에 대해 Moving Average 필터링을 취하여 노이즈를 필터링하고 SNR을 향상 시킨다. 여기서 W 는 Moving Average Window 크기 이다.
그림 8 에서 Window size 1은 FDMA 필터를 적용하지 않은 경우의 SNR을 나타낸다. Window size 2는 2개의 frame의 각 스펙트럼 밀도 수치들을 Moving Average하여 SNR을 구한 것으로 약 6 dB 의 SNR 향상을 제공한다. Window size 10의 경우 SNR이 24 dB 만큼 향상되었다.
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FDMA 필터링을 적용한 경우 각 TX 라인에서의 SNR 변화 Fig. 8 SNR improvement of TX lines when FDMA filtering is applied
- 3.3. Pre-distortion equalizer를 이용한 SNR향상
그림 8 을 보면, 터치스크린의 주파수 응답특성 때문에 낮은 주파수의 드라이브 신호가 높은 주파수 신호 보다 SNR이 낮은 경향을 보인다. 이는 낮은 주파수 신호가 더 많은 감쇄를 받으며 따라서 낮은 주파수의 Touch strength 또한 노이즈 대비 감소하기 때문이다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 9 와 같이 드라이브 신호를 미리 보상해 주는 equalizer를 입력 단에 위치시키는 pre-distortion equalizer FDCS 구조를 제안한다. Pre-distortion equalizer의 기능은 드라이브 라인의 입력신호들의 진폭을 주파수에 반비례하는 크기로 미리 왜곡 시키는 역할을 한다. 이 pre-distortion equalizer는 TSP의 전달 함수의 역함수를 가지도록 설계한다.
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Pre-distortion equalizer를 추가한 FDCS의 구조 Fig. 9 Architecture of FDCS with a pre-distortion equalizer
그림 10 은 pre-distortion equalizer를 사용한 FDCS 구조에서 노이즈를 인가하지 않은 경우의 센스라인신호 FFT 결과이다. FFT 결과 input equalizer가 모든 주파수에서의 신호의 Amplitude를 균등하게 만드는 것을 알 수 있다.
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Pre-distortion equalizer를 통한 후 FFT 결과 Fig. 10 FFT result of sensing signals with a pre-distortion equalizer applied
그림 11 은 pre-distortion equalizer FDCS 구조에 노이즈를 인가한 경우, 센스 라인신호의 FFT 측정 결과이다. 전체 주파수 대역에서 신호의 균등한 진폭에 노이즈가 더해진 결과를 볼 수 있다. 그림 12 는 상기 FFT 결과에 FDMA filtering를 수행한 결과를 보인다. FDMA 필터의 window size를 1~10으로 증가시킬 경우 노이즈 성분이 더욱 효율적으로 제거되어 SNR이 더욱 빠르게 상승함을 볼 수 있다.
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노이즈 적용한 pre-distortion equalizer FDCS의 출력신호 FFT 결과 Fig. 11 FFT result of FDCS with a pre-distortion equalizer when noise source was applied
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Pre-distortion equalizer를 적용한 경우 각 TX 라인에서의 SNR 변화 Fig. 12 SNR improvement of TX lines when a pre-distortion equalizer was applied
Ⅳ. 실험결과의 비교
여러 가지 터치스크린 감지기법을 44 × 78 channel의 23인치 상용 대형 터치스크린에 적용했을 때의 결과를 표 1 에 비교한다. 기존의 터치스크린 감지기법에서는 36.42Hz의 낮은 frame scan rate이 한계인 반면 FDCS의 경우에는 100Hz의 높은 frame scan rate을 얻었다. 본 실험에서 FDCS의 경우 100Hz로 설정하여 SNR을 측정하였으나 더욱 높은 frame scan rate으로도 쉽게 설정 가능하다.
제안된 FDCS기법과 Conventional 기법의 성능 비교Table. 1 Performance comparison of the proposed FDCS scheme and a conventional scheme터치스크린 사양: 23인치, 44x78 Channels (Resolution: 3432 cross points), TSP 센스라인에서의 Base SNR: -11dB
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제안된 FDCS기법과 Conventional 기법의 성능 비교 Table. 1 Performance comparison of the proposed FDCS scheme and a conventional scheme 터치스크린 사양: 23인치, 44x78 Channels (Resolution: 3432 cross points), TSP 센스라인에서의 Base SNR: -11dB
3.1장에서와 같이 터치스크린 제조사의 노이즈 신호를 적용하고 식(8)~(10)에 의해 SNR을 측정하였다. 센싱기법을 적용하기 전에 터치스크린의 base SNR은 -11dB로 측정되었다. 기존기법 [7] 과 유사한 펄스신호 순차적 구동방식의 경우, 센싱회로 출력 SNR이 16dB로 측정되어, Base SNR (-11dB) 대비 SNR Gain은 27dB 이다. 반면에 제안된 FDCS의 기본구조의 경우 센싱회로 출력이 31dB, SNR Gain은 42dB로 측정되었다.
FDCS에 제안된 FDMA필터를 추가로 적용한 구조에서는 Window size 2와 10인 경우 SNR Gain이 48dB와 64dB로 각각 향상되었다. 또한 FDMA필터와 predistortion equalizer를 모두 적용한 구조에서는 Window size 2와 10인 경우 SNR Gain이 57dB와 70dB로 각각 크게 향상되었다.
Ⅴ. 결 론
대부분 기존 터치스크린 감지기법은 순차적인 구동과 순차적 센싱을 사용하고 있어서 frame scan rate가 1/N2 의 비율로 크게 저하되는 문제가 있으며, 따라서 대형 터치스크린에 적용하기 어렵다.
본 논문은 대형 터치스크린을 위한 새로운 고속 터치감지 방식인 FDCS (Frequency Division Concurrent sensing) 기법을 제안하였다. 이는 모든 드라이브 라인들을 orthogonal frequency의 sine wave로 동시 구동하고 각 센스 라인 신호의 FFT (Fast Fourier Transform) 결과를 분석하여 터치 유무를 판단하는 기법이다. FDCS기법은 터치스크린 크기 N에 따라 frame scan rate을 1/N 비율로 유지하여 높은 frame scan rate을 제공할 수 있다.
또한 본 논문은 터치스크린의 환경노이즈를 제거하여 터치감도 SNR을 크게 개선하는 Frequency division Moving Average (FDMA) 필터링 기법을 제안하였다. 또한 터치스크린에 인가된 구동 신호들이 주파수에 따라 다른 왜곡을 받는 현상에 착안하여 구동 신호를 터치스크린 특성의 역함수로 미리 왜곡하여 SNR 성능을 한층 더 개선하는 pre-distortion equalizer를 제안하였다. 상용 23인치 터치스크린 모델에 실제의 환경 노이즈를 적용하여 실험한 결과 제안된 FDMA 필터와 pre-distortion equalizer를 포함한 FDCS기법은 70dB의 터치감지 SNR 성능이득을 보였다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었음 (This work was supported by the research grant of Chungbuk National University in 2013)
BIO
장운용(Un-yong Jang)
2012, B.S degree in Electrical Engineering, Chungbuk National University
2015, M.S degree in Electrical Engineering, Chungbuk National University
※관심분야 : TSP controller, Digital circuit design, Mixed signal SoC
김형원(HyungWon Kim)
1991, B.S degree in Electrical Engineering, KAIST
1993, M.S degree in Electrical Engineering, KAIST
1999, Ph.D degree in Electrical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor
1998 ~ 1998, Intel, Hillsboro, Oregon, US
1999 ~ 2000, Synopsys, Mountain View, California, US
2001 ~ 2005, Broadcom, San Jose, California, US
2005 ~ 2013, Founder & CEO, Xronet, Korea
2013 ~ current, Assistant Professor, Chungbuk National University
※관심분야 : Wireless sensor networks, Wireless vehicular communications, Mixed signal SoC designs for low power sensors and bio-medical sensors
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