Cum se combină ledurile, hârtia electronică și recunoașterea gesturilor pentru HMI-uri cu consum redus de energie în conectivitatea întreprinderilor

Interfețele om-mașină (HMI) sunt elemente importante care susțin conectivitatea întreprinderilor pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) în automatizarea și controlul proceselor din Industria 4.0, precum și în sistemele auto și medicale. HMI-urile variază de la ochelarii de realitate augmentată la ecrane tactile și indicatori vizuali simpli. În timp ce ochelarii de realitate augmentată au tot fost în centrul atenției, iar ecranele tactile oferă numeroase funcții, pentru o gamă tot mai largă de dispozitive periferice este nevoie de indicatori și comenzi vizuale simple, ieftine, miniaturale și cu consum redus de energie.

Proiectanții pot combina afișajele cu matrice de puncte cu leduri sau cu hârtie electronică (EPD) cu recunoașterea gesturilor și controale pentru senzorii de proximitate cu infraroșu (IR) pentru unghiul de lumină, pentru a implementa HMI-uri cu consum redus de energie, costuri reduse și numeroase caracteristici în noduri periferice IIoT în Industria 4.0 și într-o gamă largă de aplicații pentru întreprinderi, medicale și auto.

Acest articol începe prin a trece în revistă funcționarea și capacitățile afișajelor alfanumerice și cu matrice de puncte cu leduri și ale EPD-urilor, apoi detaliază utilizarea circuitelor integrate cu senzor pentru unghiul de lumină în IR în recunoașterea gesturilor și detectarea proximității. În continuare, sunt prezentate ecrane reprezentative cu leduri de la Broadcom și Lumex, un EPD de la E Ink, o platformă de dezvoltare EPD de la Pervasive Displays și un circuit integrat de detecție IR pentru recunoașterea gesturilor de la Analog Devices, împreună cu platformele de dezvoltare pentru accelerarea procesului de proiectare și integrare pentru HMI-uri miniaturale de înaltă performanță și cu consum redus de energie.

Leduri alfanumerice

Sunt disponibile afișaje cu leduri alfanumerice care acceptă intrări de date paralele și seriale și variate numere de caractere, dimensiuni și lățimi ale afișajelor. Fiecare caracter este format dintr-o matrice de 5 x 7 pixeli – de obicei, folosind un led de o singură culoare, cum ar fi roșu sau verde. Aceste afișaje integrează seturi de caractere, cum ar fi caracterele ASCII (American Standard Code for Information Interchange), setul de caractere japoneze ISO 15924 Katakana, care poate fi codificat în setul de caractere ASCII, precum și caractere specifice fiecărei țări și caractere personalizate definite de utilizator pentru cazuri speciale de utilizare (Figura 1). Acestea pot fi lizibile la lumina zilei și sunt rezistente la mediul înconjurător.

Figura 1: Setul de caractere ASCII format cu ajutorul unui afișaj alfanumeric cu leduri de 5 x 7 pixeli. (Sursa imaginii: Broadcom)

Afișaje vizuale cu leduri

În loc să fie folosite pentru a forma caractere individuale, afișajele cu matrice de puncte cu leduri folosesc leduri aranjate într-o matrice pentru a produce imagini. De asemenea, acestea pot afișa text în format ASCII standard, Katakana și alte formate. Din punctul de vedere al performanței, acestea se situează între afișajele cu matrice de puncte descrise mai sus și afișajele video cu leduri. Acestea sunt disponibile într-o gamă largă de dimensiuni și pot fi monocolore, cum ar fi afișajele de culoare roșie, verde sau multicolore cu roșu, verde, albastru (RGB). Totuși, acestea au, de obicei, o paletă de culori mai limitată și rate de reîmprospătare mai mici în comparație cu afișajele video (Figura 2). Ledurile sunt de obicei aranjate într-un model tip grilă, cu bornele negative sau pozitive ale ledurilor legate împreună ca nod comun al circuitului. Sunt disponibile afișaje vizuale cu leduri care funcționează cu interfețe I2C, paralele pe 8 biți, în serie și altele. Unele includ o unitate microcontroler (MCU) integrată, iar altele folosesc procesorul sistemului.

Figura 2: Exemplu de paletă de culori pentru un afișaj cu leduri RGB. (Sursa imaginii: Lumex)

Ce este hârtia electronică și cum funcționează?

În timp ce ledurile au nevoie de un curent de comandă continuu pentru a rămâne aprinse, hârtia electronică este o tehnologie bistabilă care nu necesită o comandă continuă și poate înregistra un consum de curent extrem de mic. Atunci când consumul redus de energie este o prioritate, ratele de reîmprospătare sunt scăzute și nu este nevoie de culori complete, afișajele pe hârtie electronică (EPD) pot reprezenta o alternativă viabilă la afișajele cu leduri și cu cristale lichide (LCD). Este nevoie de foarte puțină energie pentru a reda o imagine pe un EPD; odată ce imaginea este redată, nu mai este nevoie de energie pentru a o menține. EPD-urile au un contrast precum cerneala și hârtia. În timp ce majoritatea sunt alb-negru, unele adaugă o altă culoare, cum ar fi roșu.

EPD-urile combină tehnologia tranzistorului cu peliculă subțire (TFT) cu un strat de cerneală electronică. Cerneala este formată din milioane de capsule minuscule care conțin particule de pigment încărcate electric. Cerneala se află între doi electrozi (Figura 3). Aplicarea impulsului necesar matricei TFT determină particulele de pigment să formeze o imagine detaliată. Odată ce particulele de pigment au fost mutate la locul lor, acestea rămân acolo fără a fi alimentate cu energie. Acționarea EPD-urilor poate fi puțin mai dificilă. Laminatul panoului frontal (FPL) variază ușor de la un lot la altul, ceea ce necesită reglarea manuală a formei de undă de acționare. În plus, pot fi necesare diferite forme de undă de acționare la diferite temperaturi de funcționare.

Figura 3: cerneala electrică conține milioane de capsule minuscule care conțin particule de pigment încărcate electric, plasate între doi electrozi. (Sursa imaginii: Pervasive Displays)

Recunoașterea gesturilor

Ledurile și EPD-urile pot furniza informații utilizatorilor și operatorilor sistemului. Aceasta este doar jumătate dintr-o instalație HMI completă. De asemenea, utilizatorii și operatorii trebuie să aibă capacitatea de a furniza intrări și semnale de control către sistem. În unele aplicații, detectarea proximității alertează sistemul cu privire la prezența unui operator, iar afișajul se aprinde automat pentru a furniza informații de stare. Deși acest lucru este util pentru a trimite informații de stare, nu oferă un mecanism pentru a trimite intrări și comenzi către echipament. Utilizarea tastaturilor, a comutatoarelor și a altor mecanisme tradiționale poate fi o opțiune, dar poate duce la soluții relativ mari și consumatoare de energie. În schimb, proiectanții pot utiliza interfețe de recunoaștere a gesturilor pentru senzorii de proximitate pentru a detecta și a transforma mișcările și modelele mâinilor în comenzi. Recunoașterea gesturilor poate fi deosebit de utilă în mediile zgomotoase, unde zgomotul de fond și sunetele ambientale îngreunează utilizarea recunoașterii vocale. Este nevoie de trei activități pentru a implementa recunoașterea gesturilor de bază:

• Recunoașterea începutului și sfârșitului unui gest
• Urmărirea mișcării mâinii pe parcursul gestului
• Utilizarea informațiilor din primele două etape pentru a înțelege gestul

Platformă de dezvoltare pentru recunoașterea gesturilor

Pentru a dezvolta un sistem de recunoaștere a gesturilor, proiectanții pot utiliza proiectul de referință EVAL-CN0569-PMDZ de la Analog Devices bazat pe senzorul pentru unghi de lumină IR ADPD2140. Circuitul emite o serie de impulsuri IR, iar senzorul captează lumina reflectată. Designul acceptă detectarea gesturilor până la o distanță de aproximativ 20 de centimetri (cm) de placă. Rata de eșantionare de până la 512 eșantioane pe secundă permite proiectanților să ajusteze respingerea zgomotului și timpul de răspuns pentru a se potrivi cel mai bine aplicației și mediului. De asemenea, este demn de remarcat faptul că ADPD2140 nu necesită o aliniere precisă; senzorul său are un răspuns liniar în cadrul unui câmp de vizualizare unghiular de ±35° (Figura 4). Filtrul optic integrat în capsula ADPD2140 asigură o întrerupere bruscă a luminii vizibile, simplificând și mai mult proiectarea sistemului prin eliminarea necesității unor lentile sau filtre externe, menținând în același timp gama dinamică a senzorului în condiții de iluminare puternică în interior sau în lumina soarelui.

Figura 4: senzorul pentru unghi de lumină IR ADPD2140 are un răspuns liniar într-un câmp de vizualizare unghiular de ±35°. (Sursă imagine: Analog Devices)

Afișaje cu leduri alfanumerice

Aplicațiile care au nevoie de afișaje cu leduri alfanumerice luminoase și rezistente pot utiliza modelele cu interfețe paralele sau seriale de la Broadcom. Afișajele cu interfețe paralele sunt disponibile cu 4 sau 8 caractere (Figura 5). Acestea sunt disponibile în mai multe stiluri de capsule, culori și dimensiuni, cum ar fi HDSP-2533 cu 8 caractere și 5 milimetri (mm) cu leduri verzi și HDLU-1414 cu 4 caractere și 3,7 mm cu leduri roșii de înaltă eficiență, ambele în capsule de plastic. Sau HDSP-2131 cu 8 caractere, 5 mm, cu leduri galbene într-o capsulă robustă din sticlă/ceramică. Toate includ un driver ASIC integrat care simplifică efortul de proiectare. Caracteristicile acestor afișaje cu interfață paralelă includ:

• De la șapte până la opt linii de magistrale pentru date
• Hartă de caractere cu 128 de caractere ASCII și șaisprezece caractere care pot fi definite de utilizator, stocate în memoria ROM programabilă
• Aprinderea intermitentă individuală a caracterelor și clipirea tuturor caracterelor
• Funcția de defilare
• Opt niveluri de luminozitate
• Se poate stivui pe direcțiile x și y pentru cerințe de afișare mai mari

Figura 5: afișajele cu leduri alfanumerice cu interfețe paralele sunt disponibile cu 4 sau 8 caractere. (Sursa imaginii: DigiKey)

Broadcom oferă afișaje alfanumerice cu leduri cu interfață serială cu 4, 8 și 16 caractere, cum ar fi HCMS-3977 verde cu 8 caractere, 5 mm, și HCMS-2912 roșu cu 8 caractere, 3,8 mm, ambele în capsule de plastic, precum și HCMS-2333 galben-verde cu 4 caractere, 0,2 inch, într-o capsulă de sticlă/ceramică cu interval de temperatură extins. Caracteristicile acestor afișaje seriale cu leduri includ:

• 128 de fonturi ASCII, în scrierea japoneză ISO 15924 Katakana și alte fonturi personalizate
• Interfață serială care acceptă afișaje cu număr mare de caractere cu linii de date minime
• Se poate interfața direct cu un MCU pentru a simplifica proiectarea sistemului
• Mod de veghe când echipamentul este în standby
• 64 de niveluri de luminozitate
• Se poate stivui pe direcțiile x și y, susținând afișaje cu număr mare de caractere

Afișaj cu matrice de puncte cu leduri

Atunci când aplicația necesită un afișaj vizual cu leduri pentru informații mai complexe, proiectanții pot utiliza LDM-6432-P3-UR-1 de la Lumex Opto. Acest afișaj RGB de 64 x 32 pixeli are un pas de 3 mm pentru leduri (Figura 6). Acest afișaj include o interfață UART, o priză de alimentare USB plus un element de protecție pentru curent de 1,5 A și un modul BLE 4.0. Dezvoltatorii pot utiliza un computer personal pentru a dezvolta software-ul de afișare. Caracteristicile includ:

• Poate gestiona comenzi HEX sau Arduino AT
• Fonturi și forme de bază încorporate
• Poate rula în moduri mixte de caractere și elemente grafice
• Mai multe module de afișare pot fi stivuite pentru afișaje mai mari
• Poate fi integrat cu orice MCU
• Nu este nevoie de niciun driver sau nicio bibliotecă
• Poate afișa animații
• Sunt disponibile diferite limbi la cerere

Figura 6: Acest afișaj cu leduri RGB de 64 x 32 de pixeli poate fi utilizat pentru a prezenta informații mai complexe. (Sursa imaginii: Lumex Opto)

Afișaj cu hârtie electronică și placă de dezvoltare

Aplicațiile care beneficiază de un EPD pot utiliza ED078KC2 de la E Ink. Acesta este un modul EPD electroforetic reflectorizant pe un substrat TFT cu matrice activă. Are 1404 x 1872 pixeli într-o zonă activă de 7,8". În funcție de controler, acest EPD poate afișa până la 16 niveluri de gri (Figura 7).

Pervasive Displays oferă plăcile de extensie EPD B3000MS044, ext3, și B3000MS037, ext3 giant pentru a integra acest EPD în sisteme. Kitul de bază ext3 poate gestiona EPD-uri de la 1,54" până la 12". Pentru EPD-urile mari, de 9,7" și 12", este nevoie și de gigantul ext3. Această platformă de dezvoltare dispune de un circuit de acționare integrat pentru simplificarea dezvoltării aplicațiilor EPD. În plus, Pervasive Displays oferă opțiuni de extindere, mai multe coduri de acționare open source, resurse de proiectare și biblioteci de dezvoltare pentru capacități grafice și interactive.

Figura 7: Acest EPD bistabil are 1404 x 1872 pixeli pe o suprafață activă de 7,8" și are un consum de energie foarte redus. (Sursa imaginii: DigiKey)

Rezumat

Dispozitivele periferice IIoT care necesită un HMI pot beneficia de o varietate de tehnologii compacte și cu consum redus de energie. Recunoașterea gesturilor oferă o modalitate de a furniza comenzi și controale chiar și în medii dificile. Afișajele alfanumerice cu leduri sunt robuste, sunt vizibile în medii cu lumină puternică și pot fi stivuite pentru a răspunde unor nevoi mai mari de informații. Afișajele cu matrice de puncte cu leduri și EPD-urile pot prezenta informații mai complexe. Matricele de puncte cu leduri pot prezenta afișaje color RGB și animații, în timp ce EPD-urile pot fi utilizate pentru afișaje în tonuri de gri cu contrast ridicat care necesită foarte puțină energie.