Slik kombineres lysdioder, e-papir og bevegelsesgjenkjenning for laveffekts HMI-er i bedriftstilkoblinger

Menneske-maskin-grensesnitt (HMI – human machine interface) er et viktig element som støtter bedriftstilkobling for det industrielle tingenes Internett (IIoT) i Industri 4.0-automatisering og -prosesstyring, kjøretøysystemer og medisinske systemer. HMI-er spenner fra briller for utvidet virkelighet (augmented reality) til berøringsskjermer og enkle visuelle indikatorer. Selv om briller for utvidet virkelighet får mye oppmerksomhet i overskriftene og berøringsskjermer tilbyr mange funksjoner, er det de enkle, billige visuelle miniatyrindikatorene og -styringene med lavt strømforbruk som trengs for et økende utvalg av edge-enheter (inngangspunktenheter).

Konstruktører kan kombinere LED-punktmatrisedisplayer eller e-papirdisplayer (EPD – electronic paper display) med bevegelsesgjenkjenning og nærhetsfølende infrarøde (IR) lysvinkelsensorstyringer for å implementere HMI-er med lavt strømforbruk, lave kostnader og funksjonsrike menneske-maskin-grensesnitt på IIoT-kantnoder i Industri 4.0 og på tvers av en rekke konstruksjoner for bedrifter, medisin og kjøretøy.

Denne artikkelen begynner med å gjennomgå driften og egenskapene til alfanumeriske og punktmatrise LED-displayer og EPD-er, og gir deretter detaljert informasjon om bruken av IC-er med IR-lysvinkelsensor innen bevegelsesgjenkjenning og nærhetsdeteksjon. Den presenterer deretter representative LED-displayer fra Broadcom og Lumex, en EPD fra E Ink, en EPD-utviklingsplattform fra Pervasive Displays og en IR-detekterende IC for bevegelsesgjenkjenning fra Analog Devices, i tillegg til utviklingsplattformer for å fremskynde konstruksjons- og integrasjonsprosessen for miniatyr-HMI-er med høy ytelse og lavt strømforbruk.

Alfanumeriske lysdioder (LED)

Alfanumeriske LED-displayer som håndterer parallelle og serielle datainnganger og en rekke tegnnumre, -størrelser og -bredder, er tilgjengelige. Hvert tegn er dannet av en matrise på 5 x 7 piksler – vanligvis ved hjelp av én enkel lysdiodefarge som rød eller grønn. Disse displayene integrerer tegnsett som ASCII (American Standard Code for Information Interchange), ISO 15924 japansk Katakana-skripttegnsett som kan kodes i ASCII-tegnsettet, samt landsspesifikke tegn og tilpassede brukerdefinerte tegn for spesielle brukstilfeller (figur 1). De kan være lesbare i dagslys og miljømessig robuste.

Figur 1: ASCII-tegnsettet dannes ved hjelp av et alfanumerisk LED-display på 5 x 7 piksler. (Bildekilde: Broadcom)

Visuelle LED-displayer

I stedet for å brukes til å danne individuelle tegn, bruker LED-punktmatrisedisplayer lysdioder som er arrangert i et matriseoppsett til å gi grafikk. De kan også vise standard ASCII, Katakana og andre tekstformater. Når det gjelder ytelse, ligger de mellom punktmatrisedisplayene beskrevet ovenfor og video-LED-displayene. De er tilgjengelige i et bredt utvalg av størrelser og kan være ensfargede displayer som rød eller grønn eller flerfargede rød-grønn-blå (RGB)-displayer. Imidlertid har de vanligvis en mer begrenset fargepalett og langsommere oppdateringsfrekvenser sammenlignet med videodisplayer (Figur 2). Lysdiodene er vanligvis arrangert i et rutemønster med enten de negative eller positive terminalene til lysdiodene bundet sammen som en felles kretsnode. Visuelle LED-displayer som fungerer med I2C, 8-bits parallell, serie og andre grensesnitt, er tilgjengelige. Noen inkluderer en innebygd mikrokontrollerenhet (MCU), mens andre bruker systemprosessoren.

Figur 2: Eksempel på en fargepalett for et RGB LED-display. (Bildekilde: Lumex)

Hva er en e-papir – og hvordan fungerer det?

Mens lysdioder krever kontinuerlig drivstrøm for å holde seg på, er e-papir en bistabil teknologi som ikke krever kontinuerlig strømsetting, og det kan ha ekstremt lavt strømforbruk. Når lav strøm er en prioritet, oppdateringsfrekvensene er lave og fullfarge ikke er nødvendig, kan e-papirdisplayer (EPD-er) gi et levedyktig alternativ til LED- og LCD-displayer. Det kreves ikke mye energi for å gjengi et bilde på en EPD. Når bildet er gjengitt, er det ikke nødvendig med strøm for å opprettholde det. EPD-er har kontrast, på samme måte som blekk og papir. Selv om de fleste er svarte og hvite, legger noen til en annen farge, for eksempel rød.

EPD-er kombinerer tynnfilm-transistorteknologi (TFT) med et lag elektronisk blekk. Blekket omfatter flere millioner små kapsler som inneholder elektrisk ladede pigmentpartikler. Blekket ligger mellom to elektroder (figur 3). Påføring av den nødvendige strømmen på TFT-matrisen gjør at pigmentpartiklene danner et detaljert bilde. Når pigmentpartiklene har blitt flyttet til riktig sted, forblir de der uten noen påført strøm. Strømsetting av EPD-er kan være litt utfordrende. Frontpanellaminatet (FPL) varierer litt fra batch til batch, noe som krever at strømmens bølgeform avstemmes manuelt. I tillegg kan det være nødvendig med forskjellige bølgeformer under forskjellige driftstemperaturer.

Figur 3: E-ink omfatter flere millioner bittesmå kapsler som inneholder elektrisk ladede pigmentpartikler plassert mellom to elektroder. (Bildekilde: Pervasive Displays)

Bevegelsesgjenkjennelse

Lysdioder og EPD-er kan gi informasjon til systembrukere og -operatører. Dette er bare halvparten av en komplett HMI-installasjon. Brukere og operatører trenger også muligheten til å levere inngangs- og styresignaler til systemet. I noen konstruksjoner vil nærhetsdeteksjon varsle systemet om at en operatør er tilstede, og displayet slås automatisk på for å gi statusinformasjon. Selv om dette er nyttig for å sende statusinformasjon, gir det ikke noen mekanisme for å sende inngangssignaler og kommandoer til utstyret. Bruk av tradisjonelle tastaturer, brytere og andre mekanismer kan være et alternativ, men kan resultere i relativt store og strømhungrige løsninger. I stedet kan konstruktører bruke bevegelsesgjenkjenningsgrensesnitt for nærhetssensorer til å detektere og oversette håndbevegelser og -mønstre til kommandoer. Bevegelsesgjenkjenning kan være spesielt nyttig for støyende miljøer der bakgrunnsstøy og omgivelseslyder gjør det vanskelig å bruke stemmegjenkjenning. Det kreves tre aktiviteter for å implementere grunnleggende bevegelsesgjenkjenning:

• Gjenkjenning av begynnelsen og slutten til en bevegelse
• Sporing av håndbevegelser gjennom hele bevegelsesmønsteret
• Bruke informasjonen fra de to første trinnene til å forstå bevegelsen

Utviklingsplattform for bevegelsesgjenkjenning

For å utvikle et system for bevegelsesgjenkjenning kan konstruktører bruke Analog Devices sin EVAL-CN0569-PMDZ-referansekonstruksjon, som er basert på ADPD2140 IR-lysvinkelsensoren. Kretsen sender ut et IR-pulstog, og sensoren fanger opp det reflekterte lyset. Konstruksjonen støtter bevegelsesdeteksjon på opptil rundt 20 centimeter (cm) vekk fra kortet. Samplingshastigheten på opptil 512 samplinger per sekund gjør det mulig for konstruktører å justere støydempning og responstid for å være best egnet til konstruksjonen og omgivelsene. Det er også verdt å merke seg at ADPD2140 ikke krever nøyaktig justering. Sensoren til enheten har en lineær respons innenfor en åpningsvinkel på ±35° (figur 4). Det integrerte optiske filteret i ADPD2140-kapslingen gir en skarp avskjæring av synlig lys, noe som ytterligere forenkler systemkonstruksjonen ved å eliminere behovet for eksterne linser eller filtre, samtidig som det dynamiske området til sensoren opprettholdes under sterkt innendørslys eller sollys.

Figur 4: ADPD2140 IR-lysvinkelsensoren har en lineær respons innenfor en åpningsvinkel på ±35°. (Bildekilde: Analog Devices)

Alfanumeriske LED-displayer

Konstruksjoner som trenger lyssterke og robuste alfanumeriske LED-displayer kan benytte seg av Broadcom-løsninger med parallelle grensesnitt eller serielle grensesnitt. Displayene med parallelle grensesnitt er tilgjengelige med 4 eller 8 tegn (figur 5). De er tilgjengelige i flere kapslingstyper, farger og størrelser, for eksempel den 8-tegns, 5-millimeter (mm) HDSP-2533 med grønne lysdioder og den 4-tegns, 3,7 mm HDLU-1414 med høyvirksomme røde lysdioder, der begge kommer i plastkapslinger. Eller den 8-tegns, 5 mm HDSP-2131 med gule lysdioder i en robust glass/keramikk-kapsling. Alle inkluderer en integrert ASIC-driver som forenkler konstruksjonsarbeidet. Funksjonene til disse displayene med parallelle grensesnitt inkluderer følgende:

• Syv til åtte busslinjer for data
• Tegnkart med 128 ASCII og seksten brukerdefinerbare tegn lagret i programmerbar ROM
• Blinking av individuelle tegn og blinking av alle tegn
• Rullefunksjon
• Åtte lysstyrkenivåer
• Kan stables i x- og y-retningen for større displaybehov

Figur 5: Alfanumeriske LED-displayer med parallelle grensesnitt er tilgjengelige med 4 eller 8 tegn. (Bildekilde: DigiKey)

Broadcom tilbyr alfanumeriske LED-displayer med serielle grensesnitt og 4, 8 og 16 tegn, for eksempel den 8-tegns, 5 mm grønne HCMS-3977 og den 8-tegns, 3,8 mm røde HCMS-2912, der begge kommer i plastkapslinger, og den 4-tegns, 5,1 mm (0,2 tommer) gul-grønne HCMS-2333 som kommer i en glass/keramikk-kapsling med utvidet temperaturområde. Funksjonene til disse serielle LED-displayene inkluderer:

• 128 ASCII, ISO 15924 japansk Katakana-skript og tilpassede skrifttyper
• Serielt grensesnitt som støtter displayer med et høyt antall tegn med minimalt antall datalinjer
• Kan samhandle direkte med en mikrokontroller for å forenkle systemkonstruksjon
• Dvalemodus når utstyret er i standby
• 64 lysstyrkenivåer
• Kan stables i x- og y-retninger som støtter displayer med et høyt antall tegn

LED-punktmatrisedisplay

Når konstruksjoner krever et visuelt LED-display for å gi mer kompleks informasjon, kan konstruktører bruke LDM-6432-P3-UR-1 fra Lumex Opto. Dette RGB-displayet på 64 x 32 piksler har en LED-avstand på 3 mm (Figur 6). Dette displayet inkluderer et UART-grensesnitt, et USB-strømuttak med 1,5 A strømbeskytter og en BLE 4.0-modul. Utviklere kan bruke en personlig datamaskin til å utvikle displayprogramvaren. Funksjonene omfatter:

• Kan håndtere HEX- eller ARDUINO AT-kommandoer
• Innebygde skrifttyper og grunnleggende figurer
• Kan kjøre i moduser med blandede tegn og grafikk
• Flere displaymoduler kan stables for å gi større displayer
• Kan integreres med alle mikrokontrollere
• Ingen driver eller bibliotek er nødvendig
• Kan vise animasjoner
• Ulike språk er tilgjengelige etter forespørsel

Figur 6: Dette RGB LED-displayet på 64 x 32 piksler kan brukes til å presentere mer kompleks informasjon. (Bildekilde: Lumex Opto)

e-papirdisplay og utviklingskort

Konstruksjoner som drar nytte av en EPD, kan bruke ED078KC2 fra E Ink. Det er en reflekterende elektroforetisk EPD-modul på et TFT-substrat med aktiv matrise. Den har 1404 x 1872 piksler i et aktivt område på 20,8 cm (7,8 tommer). Avhengig av styringen, kan denne EPD-en vise opptil 16 gråtoner (figur 7).

Pervasive Displays tilbyr B3000MS044, ext3 og B3000MS037, ext3 giant, EPD-utvidelseskortet for å integrere denne EPD-en i systemer. Det grunnleggende ext3-settet kan drive EPD-er på 2,54 til 30,48 cm (1,54 til 12 tommer). For store EPD-er, fra 22,9 til 30,5 cm (9,7 til 12 tommer), er ext3 giant også nødvendig. Denne utviklingsplattformen har en innebygd driverkrets for å forenkle utviklingen av EPD-konstruksjoner. I tillegg tilbyr Pervasive Displays utvidelsesalternativer, flere driverkoder med åpen kildekode, konstruksjonsressurser og utviklingsbiblioteker for grafiske og interaktive funksjoner.

Figur 7: Denne bistabile EPD-en har 1404 x 1872 piksler i et aktivt område på 20,8 cm (7,8 tommer), og den har et svært lavt strømforbruk. (Bildekilde: DigiKey)

Sammendrag

IIoT-edge-enheter som krever HMI kan dra nytte av en rekke kompakte teknologier med lavt strømforbruk. Bevegelsesgjenkjenning gir en måte å tilveiebringe kommandoer og styringer på, selv i utfordrende omgivelser. Alfanumeriske LED-displayer er robuste, kan sees i miljøer med mye lys og kan stables for å støtte større informasjonsbehov. LED-punktmatrisedisplayer og EPD-er kan presentere mer kompleks informasjon. LED-punktmatriser kan presentere RGB-fargedisplayer og animasjoner, mens EPD-er kan brukes til gråtonedisplayer med høy kontrast som krever svært lite strøm.