마우스 센서 원리 - mauseu senseo wonli

광마우스의 구조와 동작 원리에 대해 알아 본다.

마우스는 1963년 스탠퍼드 연구소에서 일하던 더글러스 엥겔바트가 처음 개발했으며, 1990년대 윈도우 3.1이 보급되면서 본격적으로 대중화되기 시작하였다. 처음에 마우스는 2개의 바퀴를 이용하여 x,y 좌표를 인식하였으나, 애플에서 맥켄토시 PC에 마우스를 채용하면서 볼마우스 형태를 갖추게 되었다. 하지만 볼마우스는 1990년대 후반에 옵틱컬 마우스(광마우스)가 출시되기 시작하면서 시장 점유율이 떨어지게 되었고, 2000년대 초반에 이르자 볼마우스는 시장에서 거의 자취를 감추어 버렸다. 현재 우리가 사용하고 있는 마우스는 대부분이 광마우스라 생각하면 된다. 아마 요새 어린 친구들은 볼마우스가 뭔지 모를 것이다.

이번 블로그에서는 광마우스의 내부 구조와 광마우스의 동작 원리를 알아 본다.

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1. 광마우스의 구조

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1) 광마우스 분해 방법

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광마우스 분해 방법은 간단하다. 마우스의 바닥면에 있는 Screw를 풀고, 상면의 기구물을 탈거하면 분해가 된다.

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마우스를 Decap하여 보면. 1, 2번 마우스 좌/우 클릭 버튼 스위치가 상단에 위치해 있고, 그 사이에 3번 스크롤 휠이 보인다. 스크롤 휠의 오른 쪽에 4번 휠 버튼이 보이는데, 초기 광마우스는 휠 버튼이 없었다. 5번 스크롤 휠 인코더는 휠의 회전 동작을 감지하여 스크롤의 상하 동작에 대한 신호를 출력하는 기능을 한다. 6번 전원 콘덴서는 마우스 전체의 전원(+5V)을 공급하는 역할을 한다. 중앙에 7번 DSP는 마우스 동작을 컨트롤하는 IC 칩이며, 반대 면에는 수광 센서부가 있다. 그 밑에 빛을 유도하는 도파관인 8번 광학 렌즈가 있고, 그 아래에 발광부인 9번 LED 램프가 보인다.

마우스 PCB의 동박면을 보면, USB 포트에 연결된 단자가 보이며, 3, 4번 단자를 통해 전원 콘덴서에 전원을 공급하며, 1, 2번 단자(D+/D-)로 마우스 데이터를 PC에 전송한다.

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전원 콘덴서는 PC의 USB 포트로 부터 DC 5V 전원을 공급받아 저장하고, 마우스 전체에 동작 전원을 공급한다.

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7번인 DSP는 마우스의 핵심 부품으로 마우스 전체 동작을 컨트롤한다. DSP 바닥면의 중앙에는 구멍이 하나 있는데, 이것은 LED의 빛을 감지하는 수광부이다. DSP의 1, 2번은 휠 인코더 신호가 입력되는 핀이며, 3번은 DSP IC의 전원을 공급하는 핀이다. 4번은 발광 LED에 바이어스 전원을 공급하는 핀이며, 7번은 DSP IC의 전원 그라운드 핀이다. 5, 6번(D+/D-)은 마우스의 동작 신호 데이터를 PC로 전송하는 데이터 송수신 핀이고, 8번(Botton Input)은 마우스 버튼을 클릭했을 때 전압이 입력되는 전압 입력 핀이다. 즉 DSP는 마우스 버튼이 눌려졌을 때, 8번의 전압 레벨을 감지하여, 마우스의 어떤 버튼이 눌려졌는지를 알아 낸다. 한마디로 해당 버튼의 전압을 디지탈 신호 처리(DSP)를 하기 위해 전압을 입력하는 핀이다.

2. 광마우스 동작 원리

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1) 광마우스 커서 이동

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광마우스의 주요 부품은 빛을 발산하는 발광 장치인 LED 램프와 빛을 유도, 굴절시키는 광학 렌즈 및 빛을 감지하는 수광 센서로 구성되어 있다. 붉은 빛이 LED 램프에서 발광되면 광학 렌즈에 의해 붉은 빛은 굴절되고, 굴절된 붉은 빛은 바닥면에 반사되어 다시 집광 렌즈를 거쳐 DSP의 수광 센서로 유입된다.

( 마우스의 광학 렌즈 )

이때 LED 빛이 바닥면에서 반사되면 DSP는 해당 빛의 음영 그라데이션(Gradation)을 감지하고, 이전의 음영 그라데이션과 비교하여 시시각각 변하는 마우스의 움직임을 인지하게 된다.

( 이전 화면과 현재 화면의 음영 그라데이션을 비교 )

DSP는 보통 음영 화면을 1초에 100 ~ 1,000번 정도 비교를 하게 되며, 이를 마우스의 폴링레이트라 생각하면 된다.

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[ 마우스 폴링레이트 측정하기 ]

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https://m.blog.naver.com/kangyh5/221818753751

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참고로 광마우스는 바닥면에 미세하게 패턴이 형성되어 있는 직물 패드에서 가장 원활히 동작되며, 유리면에서는 잘 동작되지 않는다. 왜냐하면 유리면은 유리의 두께로 인해 빛의 반사면이 더 아래 쪽에 형성되고, 그로 인해 반사된 빛이 수광부에 정확하게 입사되지 않기 때문에 마우스가 정상적으로 동작하지 않는 것이다.

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2) 광마우스 휠 동작

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광마우스의 스크롤 휠은 모니터의 화면에서 상하 스크롤 기능을 지원하는 역할을 한다. 스크롤 힐은 자동차 바퀴와 유사한 모양이지만, 휠 축의 한쪽 끝부분이 각이 져 있기 때문에 스크롤 휠 인코더에 결합했을 경우 휠 인코더의 디스크 바퀴를 회전시킬 수 있다.

( 마우스의 스크롤 휠 )

스크롤 휠 인코더는 내부에 발광부와 수광부가 있는데, 휠 인코더의 디스크 바퀴가 회전할 때 마다 2개의 구형파를 발생시킨다. 2개의 구형파는 DSP의 1, 2번 핀에 입력되고, DSP는 입력된 두 구형파의 위상을 비교하여 위로 이동하는 동작인지, 아래로 이동하는 동작인지를 판단하게 된다. 또한 DSP는 입력되는 구형파의 갯수를 카운트하여 이동량과 속도를 산출한다.

( DSP 1, 2번 핀의 입력 신호 = 휠 인코더의 출력 )

* 마우스의 휠 인코더는 로터리(Rotary) 인코더 중에 인크리멘탈(Incremental) 타입 인코더에 속한다.

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3) DSP의 동작 전압

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• DSP의 인코더 입력 핀은 유휴 상태일 때는 5.0V 상태를 유지하다가, 스크롤 휠이 회전을 하게 되면 DSP의 각 인코더 입력 핀에 구형파 전압이 유입된다. 또한 휠이 역방향으로 회전을 하게 되면, 해당 핀에 위상이 뒤바뀐 2개의 구형파가 유입된다.

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• DSP 4번 핀의 LED + 전압은 바닥면의 색상 및 상태에 따라 유휴 상태의 바이어스 전압이 달라진다. 바닥면이 검은 색일 때는 바이어스 전압을 높여 LED 빛을 강하게 하고, 바닥면이 흰색일 때는 바이어스 전압을 낮추어 LED 빛을 약하게 한다. 또한 LED 바이어스 전압은 휠 버튼이 눌려지면 레벨이 더 낮아지는데, 이 또한 바닥면의 종류에 따라 전압이 달라진다.

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• DSP의 8번 핀은 마우스 좌우 버튼의 클릭 여부를 감지하는 단자로 유휴 상태에서는 3.2V를 유지하다가, 좌측 버튼을 클릭하면 3.2V에서 4.4V로 상승하고, 우측 버튼을 클릭하면 3.2V에서 0.6V로 하락하게 된다. DSP는 이 전압을 인식하여 왼쪽 버튼이 눌린 것이지, 오른쪽 버튼이 눌린 것인지 인식하게 된다.

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이상과 같이 광마우스의 기본적인 구조와 동작 원리를 알아 보았다.

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대부분의 광마우스는 위와 비숫한 구조와 기본 원리로 동작한다. 광마우스는 단순해 보이지만, 많은 고급 기술들을 품고 있는 현대의 가장 유용한 Gadget 중에 하나이다. 마우스는 앞으로 더욱 발전할 것이며, 미래에는 어떻게 진화할지가 더 기대되는 컴퓨팅 주변 장치라 생각된다.

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[ 마우스 멈춤 및 버벅거림 증상 대처하는 방법 ]

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https://m.blog.naver.com/kangyh5/222610690360