Sådan kombineres LED'er, E-paper og gestusgenkendelse til HMI'er med lavt strømforbrug inden for virksomhedsforbindelser

HMI'er (Human machine interfaces) er et vigtigt element, der understøtter virksomhedens konnektivitet for IIoT (Industrial Internet of Things) i industri 4.0-automatisering og processtyring samt bil- og medicinske systemer. HMI'er spænder fra augmented reality-briller til berøringsskærme og simple visuelle indikatorer. Mens augmented reality-briller får mange overskrifter, og berøringsskærme giver mange muligheder, er der behov for enkle, billige, miniature og strømbesparende visuelle indikatorer og kontroller til en voksende række avancerede enheder.

Designere kan kombinere LED-punktmatrix- eller elektroniske papirskærme (EPD'er) med gestus-genkendelse og infrarød (IR) lysvinkel sensorstyring med nærhedssensor for at implementere lavt strømforbrug, lave omkostninger og funktionsrige HMI'er på IIoT Edge-noder i Industri 4.0 og på tværs af en række virksomheds-, medicinske og bilapplikationer.

Denne artikel begynder med en gennemgang af funktion og mulighederne for alfanumeriske og punktmatrix LED-displays og EPD'er og beskriver derefter brugen af IR-lysvinkelsensor-IC'er til gestus-genkendelse og nærhedsaflæsning. Derefter præsenteres repræsentative LED-skærme fra Broadcom og Lumex, en EPD fra E Ink, en EPD-udviklingsplatform fra Pervasive Displays og et IR-sensor-IC til gestus-genkendelse fra Analog Devices samt udviklingsplatforme til at fremskynde design- og integrationsprocessen for miniature-HMI'er med høj ydeevne og lavt strømforbrug.

Alfanumeriske lysdioder

Der findes alfanumeriske LED-displays, der accepterer parallelle og serielle dataindgange og en række tegnnumre, størrelser og displaybredder. Hvert tegn er dannet af et 5 x 7-pixel array - normalt ved hjælp af en enkelt LED-farve, f.eks. rød eller grøn. Disse skærme integrerer tegnsæt som ASCII-tegn (American Standard Code for Information Interchange), ISO 15924-tegnsæt for japansk Katakana-skrift, der kan kodes i ASCII-tegnsæt, samt landespecifikke tegn og brugerdefinerede tegn til særlige anvendelsesformål (figur 1). De kan være læsbare i dagslys og miljømæssigt robuste.

Figur 1: ASCII-tegnsæt som dannet ved hjælp af et alfanumerisk LED-display med 5 x 7 pixel. (Billedkilde: Broadcom))

Visuelle LED-skærme

I stedet for at blive brugt til at danne individuelle tegn bruger LED-punktmatrixskærme LED'er, der er arrangeret i et matrixlayout, til at levere grafik. De kan også vise standard ASCII-, Katakana- og andre tekstformater. Med hensyn til ydeevne ligger de mellem de ovenfor beskrevne dot matrix-skærme og video LED-skærme. De er tilgængelig i en lang række størrelser og kan være enkeltfarvede skærme som røde, grønne eller rødgrønblå (RGB) flerfarvede skærme. De har dog normalt en mere begrænset farvepalet og langsommere opdateringshastigheder sammenlignet med videobilleder (figur 2). Lysdioderne er normalt anbragt i et gittermønster med enten lysdiodernes negative eller positive terminaler bundet sammen som et fælles kredsløbsknudepunkt. Der findes visuelle LED-displays, der fungerer med I2C, 8-bit parallel-, serie- og andre grænseflader. Nogle har en indbygget mikrocontroller-enhed (MCU), og andre bruger systemprocessoren.

Figur 2: Eksempel på en farvepalet for en RGB LED-skærm. (Billedkilde: Lumex)

Hvad er e-paper, og hvordan virker det?

Mens LED'er kræver en kontinuerlig strøm for at forblive tændt, er e-paper en bistabil teknologi, der ikke kræver kontinuerlig strøm og kan være ekstremt energibesparende. Når lavt strømforbrug er en prioritet, opdateringshastigheden er lav, og der ikke er behov for fuld farve, kan e-papirskærme (EPD'er) udgøre et levedygtigt alternativ til LED- og LCD-skærme (LCD-skærme). Det kræver meget lidt strøm at gengive et billede på en EPD; når billedet er gengivet, er der ikke brug for strøm til at vedligeholde det. EPD'er har kontrast som blæk og papir. De fleste er sort/hvide, men nogle har en anden farve, f.eks. rød.

EPD'er kombinerer tyndfilmstransistorteknologi (TFT) med et lag af elektronisk blæk. Blækket består af millioner af små kapsler, der indeholder elektrisk ladede pigmentpartikler. Blækket befinder sig mellem to elektroder (figur 3). Ved at anvende det nødvendige drev på TFT-matrixen får pigmentpartiklerne til at danne et detaljeret billede. Når pigmentpartiklerne først er blevet flyttet på plads, forbliver de der, uden at der tilføres strøm. Det kan være lidt vanskeligt at køre EPD'er. Frontpladelaminatet (FPL) varierer en smule fra batch til batch, hvilket kræver, at drevbølgeformen indstilles manuelt. Desuden kan der være behov for forskellige drevbølgeformer ved forskellige driftstemperaturer.

Figur 3: E-ink består af millioner af små kapsler med elektrisk ladede pigmentpartikler, der er placeret mellem to elektroder. (Billedkilde: Pervasive Displays)

Gestus-genkendelse

LED'er og EPD'er kan give oplysninger til systemets brugere og operatører. Det er kun halvdelen af en komplet HMI-installation. Brugere og operatører skal også have mulighed for at levere input og styresignaler til systemet. I nogle applikationer advarer nærhedsaflæsning systemet om tilstedeværelsen af en operatør, og displayet tændes automatisk for at give statusoplysninger. Selv om det er nyttigt til at sende statusoplysninger, giver det ikke mulighed for at sende input og kommandoer til udstyret. Brug af traditionelle tastaturer, kontakter og andre mekanismer kan være en mulighed, men kan resultere i relativt store og strømkrævende løsninger. I stedet kan designere anvende grænseflader til genkendelse af bevægelser for nærhedssensorer til at registrere og omsætte håndbevægelser og mønstre til kommandoer. Gestus-genkendelse kan især være nyttig i støjende miljøer, hvor baggrundsstøj og omgivende lyde gør det vanskeligt at bruge stemmegenkendelse. Det kræver tre aktiviteter at gennemføre grundlæggende gestus-genkendelse:

• Genkendelse af begyndelsen og slutningen af en gestus
• Sporing af håndbevægelsen i hele bevægelsen
• Brug oplysningerne fra de to første trin til at forstå gestikulationen

Udviklingsplatform for gestusgenkendelse

For at udvikle et system til genkendelse af bevægelser kan designere anvende Analog Devices' EVAL-CN0569-PMDZ-referencedesign baseret på ADPD2140 IR-lysvinkelsensor. Kredsløbet udsender et IR-impulstog, og sensoren opfanger det reflekterede lys. Designet understøtter gestusaflæsning op til ca. 20 cm afstand fra kortet. Sampleraten på op til 512 samples pr. sekund gør det muligt for designere at justere støjundertrykkelsen og responstiden, så den passer bedst muligt til applikationen og miljøet. Det er også bemærkelsesværdigt, at ADPD2140 ikke kræver præcis justering; dens sensor har en lineær respons inden for et vinkelvisningsområde på ±35° (Figur 4). Det integrerede optiske filter i ADPD2140-pakken giver en skarp afskærmning af synligt lys, hvilket yderligere forenkler systemdesignet ved at eliminere behovet for eksterne linser eller filtre, samtidig med at sensorens dynamiske område bevares under kraftig indendørs belysning eller sollys.

Figur 4: ADPD2140 IR-lysvinkelsensoren har en lineær respons inden for et synsfelt med en vinkel på ±35°. (Billedkilde: Analog Devices)

Alfanumeriske LED-skærme

Applikationer, der har brug for lyse og robuste alfanumeriske LED-skærme, kan vælge designs med parallelle grænseflader eller serielle grænseflader fra Broadcom. Displayerne med parallelle grænseflader er tilgængelige med 4 eller 8 tegn (figur 5). De er tilgængelig i flere forskellige pakningsformer, farver og størrelser, f.eks. HDSP-2533 med 8 tegn, 5 mm, med grønne LED'er og HDLU-1414 med 4 tegn, 3,7 mm, med højeffektive røde LED'er, begge i plastpakninger. Eller HDSP-2131 med 8 tegn, 5 mm, med gule lysdioder i en robust glas/keramisk indpakning. Alle omfatter en integreret ASIC-driver, hvilket forenkler designarbejdet. Disse skærme med parallel grænseflade har bl.a. følgende funktioner:

• Syv til otte buslinjer til data
• Karakterkort med 128 ASCII-tegn og seksten brugerdefinerbare tegn gemt i programmerbar ROM
• Blinkning af enkelte tegn og blinkning af alle tegn
• Rulningsfunktion
• Otte lysstyrkeniveauer
• Kan stables i x- og y-retningen til større skærmbehov

Figur 5: Alfanumeriske LED-displays med parallelle grænseflader er tilgængelig med 4 eller 8 tegn. (Billedkilde: DigiKey)

Broadcom tilbyder alfanumeriske LED-displays med 4, 8 og 16 tegn med seriel grænseflade, f.eks. den grønne HCMS-3977 med 8 tegn på 5 mm og den røde HCMS-2912 med 8 tegn på 3,8 mm, begge i plastpakninger, og den gulgrønne HCMS-2333 med 4 tegn på 0,2 tommer i en glas/keramikpakning med udvidet temperaturområde. Disse serielle LED-displays har bl.a. følgende funktioner:

• 128 ASCII, ISO 15924 japansk Katakana-skrift og brugerdefinerede skrifttyper
• Seriel grænseflade, der understøtter skærme med højt antal tegn med et minimum af datalinjer
• Kan interface direkte med en MCU for at forenkle systemdesignet
• Dvaletilstand, når udstyret er på standby
• 64 lysstyrkeniveauer
• Kan stables i x- og y-retninger og understøtter skærme med højt antal tegn

LED dot matrix display

Når applikationen kræver et visuelt LED-display til mere komplekse oplysninger, kan designere bruge LDM-6432-P3-UR-1 fra Lumex Opto. Denne RGB-skærm med 64 x 32 pixels har en LED-pitch på 3 mm (figur 6). Denne skærm omfatter en UART-grænseflade, USB-stik samt 1,5 A strømbeskytter og et BLE 4.0-modul. Udviklerne kan bruge en pc til at udvikle visningssoftwaren. Specifikationer omfatter:

• Kan håndtere HEX- eller Arduino AT-kommandoer
• Indbyggede skrifttyper og grundlæggende figurer
• Kan køre i blandede karakter- og grafiktilstande
• Flere displaymoduler kan stables for at opnå større skærme
• Kan integreres med enhver MCU
• Ingen driver eller bibliotek er nødvendig
• Kan vise animation
• Forskellige sprog er tilgængelige efter anmodning

Figur 6: Dette RGB LED-display med 64 x 32 pixels kan bruges til at præsentere mere komplekse oplysninger. (Billedkilde: Lumex Opto)

e-paper display og udviklingskort

Applikationer, der har gavn af en EPD, kan anvende ED078KC2 fra E Ink. Det er et reflekterende elektroforetisk EPD-modul på et TFT-substrat med aktiv matrix. Den har 1404 x 1872 pixels i et aktivt område på 7,8". Afhængigt af styringen kan denne EPD vise op til 16 grå niveauer (figur 7).

Pervasive Displays tilbyder B3000MS044, ext3, og B3000MS037, ext3 giant, EPD-udvidelseskort til at integrere dette EPD i systemer. Det grundlæggende ext3-kit kan køre 1,54" til 12" EPD'er. For store EPD'er, fra 9,7" og 12", er der også brug for ext3-giganten. Denne udviklingsplatform har et indbygget styrekredsløb for at forenkle udviklingen af EPD-applikationer. Derudover tilbyder Pervasive Displays udvidelsesmuligheder, adskillige open source-kørselskoder, designressourcer og udviklingsbiblioteker til grafiske og interaktive funktioner.

Figur 7: Denne bistabile EPD har 1404 x 1872 pixels i et aktivt område på 7,8" og har et meget lavt strømforbrug. (Billedkilde: DigiKey)

Sammenfatning

IIoT-udstyr, der kræver en HMI, kan drage fordel af en række kompakte og strømbesparende teknologier. Gestus-genkendelse giver mulighed for at give kommandoer og kontroller selv i vanskelige miljøer. Alfanumeriske LED-skærme er robuste, kan ses i omgivelser med meget lys og kan stables for at opfylde større informationsbehov. LED-punktmatrixskærme og EPD'er kan præsentere mere komplekse oplysninger. LED-punktmatrixer kan vise RGB-farvedisplays og animationer, mens EPD'er kan bruges til høj kontrast gråskala visninger, der kræver meget lidt strøm.