Jak kombinovat LED diody, e-papír a rozpoznávání gest pro HMI s nízkou spotřebou energie v podnikové konektivitě

Rozhraní člověk-stroj („human machine interface“, HMI) jsou důležitým prvkem podporujícím podnikovou konektivitu pro průmyslový internet věcí („Industrial Internet of Things“, IIoT) v automatizaci a řízení procesů Průmyslu 4.0 a v automobilových a lékařských systémech. HMI sahají od brýlí pro rozšířenou realitu až po dotykové obrazovky a jednoduché vizuální indikátory. Zatímco brýlím pro rozšířenou realitu je věnována velká pozornost a dotykové obrazovky přinášejí spoustu možností, pro rostoucí řadu edge zařízení jsou zapotřebí jednoduché, levné, miniaturní vizuální indikátory a ovládací prvky s nízkou spotřebou energie.

Konstruktéři mohou kombinovat bodové maticové LED displeje nebo displeje typu elektronický papír (e-paper) („ electronic paper display“, EPD) s rozpoznáváním gest a ovládacími prvky s infračerveným (IR) senzorem úhlu světla se snímáním přiblížení k implementaci levných HMI bohatých na funkce a s nízkou spotřebou v okrajových uzlech IIoT v Průmyslu 4.0 a v celé řadě podnikových, lékařských a automobilových aplikací.

Na začátku tohoto článku je přehled provozu a možností alfanumerických a bodových maticových LED displejů a EPD displejů, poté jsou podrobně popsána použití integrovaných obvodů IR senzorů úhlu světla při rozpoznávání gest a snímání blízkosti. Pak jsou zde představeny reprezentativní LED displeje od společností Broadcom a Lumex, EPD od společnosti E Ink, vývojová platforma EPD od společnosti Pervasive Displays a integrovaný obvod s IR snímáním pro rozpoznávání gest od společnosti Analog Devices spolu s vývojovými platformami pro urychlení procesu návrhu a integrace pro vysoce výkonná miniaturní HMI s nízkou spotřebou.

Alfanumerické LED displeje

K dispozici jsou alfanumerické LED displeje, které přijímají paralelní a sériové datové vstupy a mají řadu počtu znaků, velikostí a šířek displeje. Každý znak je tvořen polem 5 × 7 pixelů – obvykle s použitím jedné barvy LED, jako je červená nebo zelená. Tyto displeje mají integrovány znakové sady, jako jsou znaky Amerického standardního kódu pro výměnu informací („American Standard Code for Information Interchange“, ASCII), znakovou sadu japonského skriptu Katakana ISO 15924, kterou lze zakódovat do znakové sady ASCII, a také znaky specifické pro jednotlivé země a vlastní uživatelem definované znaky pro speciální případy použití (obrázek 1). Mohou být čitelné za denního světla a odolné vůči vlivům prostředí.

Obrázek 1: Znaková sada ASCII vytvořená pomocí alfanumerického LED displeje 5 × 7 pixelů. (Zdroj obrázku: společnost Broadcom)

Vizuální LED displeje

Namísto využívání k tvoření jednotlivých znaků používají bodové maticové LED displeje k zobrazení grafiky LED diody uspořádané do maticového rozvržení. Mohou také zobrazovat standardní textové formáty ASCII, Katakana a další. Z hlediska výkonu se pohybují mezi výše popsanými bodovými maticovými displeji a LED videodispleji. K dispozici jsou v široké škále velikostí a mohou to být jednobarevné displeje, jako jsou červené, zelené nebo červeno-zeleno-modré („red green blue“, RGB) vícebarevné displeje. Obvykle však mají ve srovnání s videodispleji omezenější paletu barev a pomalejší obnovovací frekvence (obrázek 2). LED diody jsou obvykle uspořádány do mřížky, přičemž buď záporné, nebo kladné svorky LED diod jsou spojeny dohromady jako společný uzel obvodu. K dispozici jsou vizuální LED displeje, které pracují s rozhraním I2C, 8bitovým paralelním, sériovým a dalšími rozhraními. Některé obsahují vestavěný mikrokontrolér („microcontroller unit“, MCU) a jiné používají systémový procesor.

Obrázek 2: Příklad barevné palety pro RGB LED displej. (Zdroj obrázku: společnost Lumex)

Co je e-papír a jak funguje?

Zatímco LED diody vyžadují ke svícení nepřetržitý napájecí proud, e-papír je bistabilní technologie, která nepřetržité napájení nevyžaduje a může mít extrémně nízkou spotřebu. Když je prioritou nízká spotřeba a nízké obnovovací frekvence a zároveň není potřeba plnobarevné zobrazení, mohou displeje z e-papíru (EPD) poskytnout životaschopnou alternativu k LED displejům a displejům z tekutých krystalů („liquid crystal display“, LCD). Vykreslení obrazu na EPD displeji vyžaduje velmi málo energie. A jakmile je obrázek vykreslen, není k jeho údržbě potřeba žádná energie. EPD displeje mají kontrast jako inkoust a papír. Zatímco většina z nich je černobílá, některé mají i další barvu, například červenou.

EPD displeje kombinují technologii tenkovrstvých tranzistorů („thin film transistor“, TFT) s vrstvou elektronického inkoustu. Inkoust se skládá z milionů malých kapslí obsahujících elektricky nabité částice pigmentu. Inkoust je umístěn mezi dvěma elektrodami (obrázek 3). Přivedení potřebného proudu na matici TFT způsobí, že částice pigmentu vytvoří detailní obraz. Jakmile se částice pigmentu přesunou na místo, zůstanou tam bez využívání energie. Řízení EPD displeje může být trochu složitější. Laminát předního panelu („front panel laminate“, FPL) se mírně liší od šarže k šarži, což vyžaduje ruční vyladění křivky řízení. Kromě toho mohou být při různých provozních teplotách vyžadovány různé křivky řízení.

Obrázek 3: E-ink se skládá z milionů malých kapslí obsahujících elektricky nabité částice pigmentu umístěné mezi dvěma elektrodami. (Zdroj obrázku: společnost Pervasive Displays)

Rozpoznávání gest

LED a EPD displeje mohou uživatelům a obsluze systému poskytovat informace. To je jen polovina kompletní instalace HMI. Uživatelé a obsluha potřebují také možnost systému poskytovat vstupy a řídicí signály. V některých aplikacích senzor přiblížení upozorní systém na přítomnost obsluhy a displej se automaticky zapne, aby poskytl informace o stavu. To je sice užitečné pro odesílání informací o stavu, neposkytuje to však mechanismus pro zasílání vstupů a příkazů do zařízení. Jednou z možností může být použití tradičních klávesnic, přepínačů a dalších mechanismů, ale výsledkem mohou být relativně velká a energeticky náročná řešení. Místo toho mohou konstruktéři využít rozhraní rozpoznávání gest pro senzory přiblížení, aby detekovali a převedli pohyby rukou a vzory na příkazy. Rozpoznávání gest může být užitečné zejména v hlučném prostředí, kde používání rozpoznávání hlasu znesnadňují hluk na pozadí a okolní zvuky. Implementace základního rozpoznávání gest vyžaduje tři činnosti:

• Rozpoznání začátku a konce gesta
• Sledování pohybu ruky během celého gesta
• Využití informací z prvních dvou kroků k porozumění gestu

Platforma pro vývoj rozpoznávání gest

Při vývoji systému rozpoznávání gest mohou konstruktéři využít referenční návrh EVAL-CN0569-PMDZ společnosti Analog Devices založený na IR senzoru úhlu světla ADPD2140. Obvod vysílá sled IR impulzů a senzor zachycuje odražené světlo. Návrh podporuje snímání gest až do vzdálenosti asi 20 cm od desky. Vzorkovací frekvence až 512 vzorků za sekundu umožňuje konstruktérům upravit potlačení šumu a dobu odezvy tak, aby co nejlépe vyhovovaly aplikaci a prostředí. Pozoruhodné je také to, že návrh ADPD2140 nevyžaduje přesné nastavení. Jeho snímač má lineární odezvu v úhlovém zorném poli ±35° (obrázek 4). Integrovaný optický filtr v pouzdru ADPD2140 poskytuje ostré omezení viditelného světla a dále zjednodušuje konstrukci systému tím, že při zachování dynamického rozsahu senzoru za jasného vnitřního osvětlení nebo slunečního světla eliminuje potřebu externích čoček nebo filtrů.

Obrázek 4: IR senzor úhlu světla ADPD2140 má lineární odezvu v úhlovém zorném poli ±35°. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Alfanumerické LED displeje

V aplikacích, které potřebují jasné a odolné alfanumerické LED displeje, lze využít návrhy s paralelními rozhraními nebo sériovými rozhraními od společnosti Broadcom. Displeje s paralelními rozhraními jsou k dispozici se 4 nebo 8 znaky (obrázek 5). Jsou k dispozici v několika stylech pouzder, barvách a velikostech. Příkladem je 8znakový, 5mm displej HDSP-2533 se zelenými LED diodami a 4znakový 3,7mm displej HDLU-1414 s vysoce účinnými červenými LED diodami, oba v plastových pouzdrech. Dalším příkladem je 8znakový 5mm displej HDSP-2131 se žlutými LED diodami v odolném skleněném/keramickém pouzdru. Všechny obsahují integrovaný ovladač ASIC, který při návrhu zjednodušuje úsilí. Mezi vlastnosti těchto displejů s paralelním rozhraním patří:

• Sedm až osm linek sběrnice pro data
• Mapa znaků se 128 znaky ASCII a šestnácti uživatelsky definovatelnými znaky uloženými v programovatelné paměti ROM
• Blikání jednotlivých znaků a blikání všech znaků
• Funkce posunování
• Osm úrovní jasu
• Seskupovatelné ve směru os x a y pro potřeby většího zobrazení

Obrázek 5: Alfanumerické LED displeje s paralelními rozhraními jsou k dispozici se 4 nebo 8 znaky. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Společnost Broadcom nabízí alfanumerické LED displeje se sériovým rozhraním se 4, 8 a 16 znaky, jako je například 8znakový 5mm zelený displej HCMS-3977 a 8znakový 3,8mm červený displej HCMS-2912, oba v plastových pouzdrech, a 4znakový 5mm (0,2palcový) žluto-zelený displej HCMS-2333 ve skleněném/keramickém pouzdru pro rozšířený teplotní rozsah. Mezi vlastnosti těchto LED displejů se sériovým rozhraním patří:

• 128 znaků ASCII, japonského skriptu Katakana ISO 15924 a vlastních písem
• Sériové rozhraní, které podporuje zobrazení vysokého počtu znaků s minimálním počtem řádků dat
• Ke zjednodušení návrhu systému mohou být propojeny přímo s MCU
• Režim spánku, když je zařízení v pohotovostním režimu
• 64 úrovní jasu
• Seskupovatelné ve směrech os x a y s podporou zobrazení velkého počtu znaků

Bodový maticový LED displej

Pokud aplikace vyžaduje vizuální LED displej pro složitější informace, mohou konstruktéři využít model LDM-6432-P3-UR-1 od společnosti Lumex Opto. Tento RGB displej se 64 × 32 pixely má rozteč LED 3 mm (obrázek 6). Tento displej obsahuje rozhraní UART, napájecí zásuvku USB plus proudový chránič 1,5 A a modul BLE 4.0. Vývojáři mohou k vývoji zobrazovacího softwaru použít počítač. Mezi vlastnosti patří:

• Zpracování příkazů HEX nebo Arduino AT
• Vestavěná písma a základní tvary
• Možnost provozu ve smíšených znakových a grafických režimech
• Možnost seskupování více zobrazovacích modulů k vytvoření větších zobrazení
• Možnost integrace s jakýmkoli MCU
• Není potřeba žádný ovladač ani knihovna
• Možnost zobrazení animace
• Na vyžádání k dispozici různé jazyky

Obrázek 6: Tento RGB LED displej 64 × 32 pixelů lze použít k prezentaci složitějších informací. (Zdroj obrázku: společnost Lumex Opto)

Displej s e-papírem a vývojová deska

Pro aplikace, které využívají EPD, lze použít model ED078KC2 od společnosti E Ink. Je to reflexní elektroforetický EPD modul na aktivní matrici TFT substrátu. Na aktivní ploše 7,8” má 1 404 × 1 872 pixelů. V závislosti na ovladači může tento EPD displej zobrazit až 16 úrovní šedé (obrázek 7).

K integraci těchto EPD displejů do systémů nabízí společnost Pervasive Displays rozšiřující desky EPD B3000MS044, ext3, a B3000MS037, ext3 giant. Základní sada ext3 může řídit 1,54” až 12” displej EPD. Pro velké EPD displeje, od 9,7” a 12”, je potřeba také ext3 giant. Ke zjednodušení vývoje aplikací EPD displejů má tato vývojová platforma vestavěný řídicí obvod. Kromě toho nabízí společnost Pervasive Displays možnosti rozšíření, několik open source řídicích kódů, zdroje návrhů a vývojové knihovny pro grafické a interaktivní funkce.

Obrázek 7: Tento bistabilní EPD displej má 1 404 × 1 872 pixelů na aktivní ploše 7,8” a vyznačuje se velmi nízkou spotřebou energie. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Shrnutí

Edge zařízení IIoT, která vyžadují HMI, mohou využívat výhod řady kompaktních technologií s nízkou spotřebou energie. Rozpoznávání gest nabízí způsob, jak zadávat příkazy a ovládat i v náročných prostředích. Alfanumerické LED displeje jsou odolné, čitelné v prostředí se silným osvětlením a lze je seskupovat, aby podporovaly potřeby větších informací. Bodové maticové LED displeje a EPD displeje mohou prezentovat složitější informace. Bodové maticové LED displeje mohou vykreslovat barevná RGB zobrazení a animace, zatímco EPD displeje lze použít pro vysoce kontrastní displeje ve stupních šedi, které vyžadují velmi málo energie.