HMI-Lösungen (Human Machine Interface) gibt es in industriellen Applikationen mit Display und Touch schon lange. Die Kundenanforderungen steigen aber aufgrund der Mitbewerbersituation hinsichtlich Preis, Funktionalität und Design. Wer möchte schon ein neues Gerät mit altem «Look and Feel» und meist zu einem höheren Preis kaufen?
In der Industrie gibt es verschiedene Bedienkonzepte
Deshalb sind die Hersteller von industriellen Geräten gezwungen hier zu handeln, um mit den Marktbegleitern mithalten zu können. An die Umsetzung von HMI-Geräten in der Industrie gibt es unterschiedliche Anforderungen. Es wird hier zwischen verschiedenen Bedienkonzepten unterschieden. Zum einen kann mit einem Displaycontroller nur visualisiert werden. In der Displayeinheit werden nur die grafischen Daten vom System dargestellt. Ein Touchcontroller liefert die Koordinaten zur Bedienung an das System. Diese Einheit übernimmt keinerlei Steuerungsaufgaben. Zum anderen können CPU-Controller die Visualisierung und die Steuerung von Geräten übernehmen. Eine CPU übernimmt alle Aufgaben des Systems. Diese Lösungen sind meist günstiger, da nur eine CPU zum Einsatz kommt.
Schnittstellen lassen sich ohne grossen Zusatzaufwand umsetzen
Bei ARM-basierenden CPUs verschiedener Hersteller sind viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, ADCs, SPI, digitale IOs bereits in die CPU integriert. Dies bedeutet, dass sich aufgrund der Vielseitigkeit der Schnittstellen die meisten Systemanforderungen ohne grossen Zusatzaufwand umsetzen lassen. Durch die Schnittstellenvielfalt und die freie Auswahl eines Betriebssystems sind die ARM basierenden Prozessoren sehr universell einsetzbar. Getrieben durch die gute Applikationsunterstützung der CPU-Hersteller für die verschiedenen Applikationen ist zu beobachten, dass immer mehr Geräte auf Basis dieser Architektur entwickelt werden. Ein massgebendes Leistungsmerkmal ist auch die Grafik-fähigkeit der ARM-Prozessoren, welche ein direktes Anschliessen eines Displays gestattet.
Cortex-M-Controller hilft Schaden zu verhindern
Aber man muss noch weitere Anforderungen berücksichtigen. Speziell die sicherheitskritischen Aspekte sind in der einen oder anderen Anwendung zu betrachten. Diese lassen sich meist über ein geeignetes Betriebssystem (OS – Operating System) abdecken. Um eine Fehlbedienung oder eine Fehlfunktion des Systems auszuschliessen, sind auch hardwaretechnische Vorkehrungen zu treffen. Im Hardwarebereich lässt sich dies über einen günstigen kleinen Cortex-M-Controller realisieren. Dieser übernimmt die Überwachung der sicherheitskritischen Funktionen und greift im Fehlerfall ein, um Schaden zu verhindern. Diese Controller laufen ohne OS und werden mit einer zu qualifizierenden Firmware versehen, die autark zum Rest des Systems läuft. Einige CPU-Hersteller integrieren die Co-Prozessoren bereits in die Main-CPU und bieten hier einen weiteren Vorteil.
Passend zum GUI muss auch die nötige Touchtechnologie unterstützt werden
Ein GUI (Graphical User Interface), auch Benutzeroberfläche genannt, sorgt für die notwendige Visualisierung und Darstellung der Applikation. Es gibt hier einige proprietäre Oberflächen sowie auch eigene Betriebssysteme. Eine weit verbreitete und vom OS unabhängige Oberfläche bietet hier QT oder Story-board von Crank. Diese GUIs können z. B., egal ob Linux oder QNX, in Abhängigkeit der Anforderungen zum Einsatz kommen.
Passend zum GUI und der gewünschten Bedienbarkeit muss auch die notwendige Touchtechnologie unterstützt werden. Die etablierte Technologie ist der PCT (Projectet Capacitive Touch). Je nach Hersteller und dessen Treiberunterstützung für das jeweilig eingesetzte Betriebssystem lassen sich in Abhängigkeit des GUI auch Multitouchanwendungen realisieren. Hier ist es umso wichtiger, bei der Auswahl darauf zu achten, dass diese für die gewünschte Systemfunktionalität auch geeignet sind. Touchsysteme müssen passend zur Applikation charakterisiert werden. Anzahl Finger, Umgebungsbedingungen und Betriebsmodi sind wichtige zu definierende Eigenschaften. Ein wesentlicher Faktor ist hier die bereits vorhandene Softwareunterstützung der CPU oder die eines CPU-Moduls. CPU-Module bieten oft den Vorteil, dass die BSP-Unterstützung (Board Support Package) gegenüber dem vom CPU-Hersteller zur Verfügung gestellten BSP besser ist. Somit reduziert sich hier die notwendige Investition bei der Betriebssystemherstellung.
Displaylebensdauer sollte über 50 000 h betragen
Ergänzend zum Touch ist auch das richtige Display von grosser Bedeutung. Beim genaueren Hinsehen ist, auch wenn die technischen Daten identisch sind, der optische Eindruck oft nicht der gleiche. In Abhängigkeit der verwendeten Displaytechnik wie IPS, O-Film-TN oder TN gibt es herstellerspezifische Unterschiede. Auch bei der Hintergrundbeleuchtung gibt es qualitative Unterschiede. Hier sollte die Lebensdauer möglichst über 50 000 h betragen, um auch nach einigen Jahren eine optimale Helligkeit gewährleisten zu können.
Die Regelung der Helligkeit sollte mit einer möglichst hohen PWM-Frequenz realisiert sein, um einen flimmernden Eindruck zu vermeiden. Somit sollte jedes Display erst einmal unter möglichst realen Umgebungsbedingungen getestet werden, um die gewünschte Brillanz sicherzustellen.
Trend geht zur In-Plane-Switching-Technologie
Um den optischen Eindruck zu optimieren, werden heute auch die HMI-Systeme hinsichtlich Helligkeit, Reflexionen und Oberflächenbeschaffenheit kundenspezifisch angepasst. So können durch die optische Verklebung mittels OCA oder OCR der Schutzgläser mit dem Touchsystem, wie auch eine zusätzlich optische Verklebung des TFT-Displays hervorragende Eigenschaften (Kontrast, Ablesbarkeit) erzielt werden. So zeichnet sich bei der Display-Technologie ein eindeutiger Trend hin zu der IPS-Technologie ab. Diese In-Plane-Switching-Technologie erlaubt die optische Verklebung der Teilkomponenten ohne einschränkende Kompromisse.
Ein weiterer Faktor ist die Langzeitverfügbarkeit eines Displays. Displays haben nicht zu vernachlässigende Auswirkungen auf das EMV-Verhalten (Elektromagnetische Verträglichkeit) eines Geräts. Bei frühzeitigen oder häufigen Abkündigungen kann das für den Inverkehrbringer eines Industrieprodukts sehr schnell kostspielig werden, da die Nachqualifizierung und ggf. eine erneute Zulassung oft sehr aufwendig sind.
Controller schaltet autark zwischen verschiedenen Messkonzepten
Im Bereich der Touchsysteme optimieren die Controller-Hersteller die SNR-Werte (Signal to Noise Ratio). Dadurch lassen sich Frontglasstärken bis zu 10 mm Dicke oder Bedienung mit Handschuhen realisieren. Auch verfügen die neuesten Controller über hohe ESD- und EMV-Immunitätswerte. Bei Verwendungen von Controllern der neuesten Generation übernehmen diese automatisch das Ausmessen und Einstellen der PCT-Sensoren. Im Betrieb schaltet der Controller autark zwischen den verschiedenen Messkonzepten (Mutual oder Selfsensing) und Frequenz hin und her. Da die Stückzahlen von industriellen Applikationen nicht an die Konsumerstückzahlen heranreichen, ist die individuelle Entwicklung jedes Systems aufwendig. Durch den Einsatz von Modulen und Displays mit Langzeitverfügbarkeit lassen sich Entwicklungskosten einsparen.
Nachfrage nach Embedded-Modulen nimmt zu
Viele Firmen fragen auch bereits gezielt nach Embedded-Modulen, die auf den empfohlenen CPUs basieren. Hier machen sie sich sowohl die Vorteile eines Moduls als auch die eines existierenden Applikations- und Software-Know-hows zu Nutze, um kostenoptimierte Produkte entwickeln zu können. Ein Modul wird meist nur einmal entwickelt und kann in verschiedenen Applikationen eingesetzt werden. Das bedeutet, dass der Aufwand des Entwicklungsprozesses und der Basisanpassung für die Software im Unternehmen nur einmal anfällt. Die Entwicklungsabteilung kann sich auf die systemspezifischen Hardware- und Softwareanforderungen konzentrieren.
Viele Geräte unterscheiden sich meist nur noch im Mainboard und den Schnittstellen, so dass man Teile aus der Softwareentwicklung beim Einsatz eines Prozessormoduls in mehreren Applikationen wieder verwenden kann. Auch die bereits bei der Zulassung gewonnenen Erkenntnisse können bei neuen Projekten zum Teil weiter verwendet werden.
Die Minimodule von TQ Systems sowie die Displays und PCT-Systeme von DMB Technics erfüllen die Anforderungen für die industrielle Entwicklung. Sie bieten dem Anwender Langzeitverfügbarkeit, Energieeffizienz, optimierte Rechenleistung und brillante Displayeigenschaften für den schnellen und unkomplizierten Entwicklungseinstieg.
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