Implementering av människa-maskin-gränssnitt med litet resursbehov

Vid lanseringen av Iphone för ett tiotal år sedan förändrades vår vardag över en natt. Denna helt nya typ av mobiltelefon inledde en helt ny era när det gäller hur vi kommunicerar med maskiner. Det hade funnits pekskärmar i många år, men det var tack vare Iphone (och andra tillverkare som snabbt hakade på) började dessa användas i stor skala. De skärmar har revolutionerat hur hela vårt samhälle fungerar, och vi skulle ha svårt att klara oss utan dem.

Konventionella människa-maskin-gränssnitt (HMI) bestod vanligtvis av mekaniska knapar, vred och strömställare samt en 7-segments LED-display eller matrisdisplay med tecken. Men nu har dessa ersatts av fullfärgs TFT-LCD-displayer med ljud, video, animering och pekfunktion. Samtidigt som databehandlingshastigheten har hållit jämna steg med applikationsprocessorn har mikrostyrenheterna (MCU) som utför det tuffa arbetet i vanliga elektroniska enheter inte fått ökad prestanda.

De flesta av dagens mikrostyrenheter drivs av 8051-kärna eller Arm® Cortex®-M-kärna och är främst avsedda för styrning och avkänning. Dessa är inte utrustade med de grafikprocessorer (GPU) som du hittar i de dyrare och kraftfullare applikationsprocessorerna. Det gör att användare som har vant sig från sina smarttelefoner vid hur praktiskt det är med pekskärmsinteraktion nu väntar sig samma användningsupplevelse från annan utrustning (vare sig det handlar om detaljhandel, medicin eller industri). Mikrostyrenheter kan hur som helst inte leverera samma användarupplevelse. De behöver helt enkelt hjälp.

För att systemets mikrostyrenhet ska kunna styra människa-maskin-gränssnittet måste en del av dess effekt omdirigeras från dess huvuduppgifter. Och det kommer att påverka den övergripande prestandan. Eftersom displayer måste renderas och uppdateras pixel för pixel krävs en bildrutebuffert och ett stort flashminne för lagring av grafiska data. Dessa två komponenter tar upp mycket plats, vilket kräver mer effekt och leder till ökade kostnader för material.

Bridgeteks prisade integrerade krets EVE (Embedded Video Engine) är konstruerad att fylla den tekniklucka som har uppstått inom sektorn för människa-maskin-gränssnitt. Var och en av dessa enheter har en kraftfull grafikprocessor, displayprocessor, JPEG-dekoder, LCD-styrenhet, ljudprocessor och processor för pekskärm. När ett EVE-chip används tillsammans med standar mikrostyrenhet kan systemets användarupplevelse tas till en nivå som är jämförbar med den i avancerade smarttelefonen.

EVE kan effektivisera människa-maskin-gränssnittet genom att hantera bild- och ljudobjekt med fördefinierade egenskaper (till exempel cirklar, kvadrater, ljudsignaler). Det betyder att alla element tilldelas endast en identifierare istället för att de ges åtkomst till all information för grafik och ljud i människa-maskin-gränssnittet. Detta i sin tur leder till en avsevärd reducering av dataöverföringen, vilket minskar påfrestningarna på mikrostyrenheten så att denna kan användas för bildrutebuffert och flashminne. När det behövs mer komplexa objekt (till exempel skjutreglage, växlingsreglage, klocka och mätare) finns dessa tillgängliga från ett förprogrammerat bibliotek.

Figur 1: användning av EVE i hushållsapparater och detaljhandelsvaror (Bildkälla: Bridgetek)

Tredje generationens EVE-chip i serie BT81X med deras adaptiva skalbara texturkomprimering (ASTC) ger kraftfull och omedelbar, fristående rendering (immediate mode rendering). Dessa klarar också av skärmupplösning upp till 1280 x 720 pixel och diagonal skärmstorlek upp till 11 tum. De stöder även kapacitiva pekskärmar med detektering av upp till fem pekpunkter. EVE kan blåsa nytt liv i maskinvara för traditionell elektronik genom att avsevärt uppdatera människa-maskin-gränssnittet. Bland de olika tillämpningar som är lämpliga för denna teknik är kassaterminaler, hushållsapparater, blodtrycksmätare, effektmätare, digitalboxar, vetenskapsinstrument, hisstyrning, säkerhetssystem, industriella styrsystem, utrustning för GPS-navigering, pulsmätare, varuautomater och system för hemautomation. I figur 1 visas exempel på användning av EVE (tillsammans med mikrostyrenhet över ett SPI-gränssnitt): a) människa-maskin-gränssnittet i en ledande tvättmaskinsmodell, b) smart hyllsystem på en vinbutik.

En annan stor användningsmöjlighet är för människa-maskin-gränssnitt är bilindustrin. EVE används mer och mer för elektriska fordon och inom eftermarknaden för fordonstillbehör. EVE kan bland annat användas för instrumentkluster på instrumentpaneler, infotainment-konsoler, display för sido- och backspeglar, vindruteprojektorer och underhållningskonsol för baksätespassagerare.

Det finns ett mycket stort utbud av sekundära displayer till bilens infotainment-konsol som används för utbyggnad och anpassning av fordonets infotainmentsystem. Dessa kan användas för navigering, multimediaunderhållning och konnektivitet. Vid denna typ av användning kan EVE (när den används som integrerat människa-maskin-gränssnitt) synkroniseras med förhållandevis billiga mikrostyrenheter och ersätta dyra applikationsprocessorer, flashminnen och dynamiska RAM-minnen. Resultatet är en enkel och kompakt lösning till ett mycket bättre pris.

Figur 2: EVE använd i instrumentkluster i bil (Bildkälla: Bridgetek)

I figur 2 visas hur EVE-teknik redan används för instrumentkluster och på instrumentpaneler i bilar. Med displaybaserad implementering får du klart bättre flexibilitet än med en mekaniskt baserad dito. Det är enkelt för föraren att växla mellan olika visningar – modern eller retro. Den kan också användas för att växla visning av bilens körläge (standard, sport etc.). Färger kan också ändras efter önskemål.

Figur 3: EVE i laddningstillämpning för elektriskt fordon (Bildkälla: Bridgetek)

Den här tekniken ger också nya möjligheter för fordonsdiagnostik. Figur 3: EVE på instrumentpanel i elektriskt fordon Här tar en mikrostyrenhet emot indata från relevanta ECU så att EVE kan visa viktiga parametrar i realtid (till exempel fordonets hastighet, räckvidd, motorvarvtal, batteriladdning och energiregenerering) på displayen – med snygg animering med hjälp av videouppspelningsfunktionen.

Figur 4: Stolsinställning för bilstol (Bildkälla: Bridgetek)

I figur 4 illustreras människa-maskin-gränssnitt för stolsinställning för bilstol. Här hanterar EVE den grafiska avbildningen, rendering på displayen och användarinmatning. Det går att konfigurera önskade inställningar (till exempel stolens läge, ryggstödets/nackstödets läge och höjd). Dessa inställningar kan sparas som favoriter.

För att underlätta hantering av EVE-projekt för ingenjörer stöds plattformen av ett heltäckande utvecklingsprogram. Detta består av EVE Screen Designer (ESD), EVE Screen Editor (ESE) och EVE Asset Builder (EAB). Tack vare den abstraktion som ESD kan leverera ger den ingenjörer ett komplett arbetsflöde som stöder komplett EVE-utvecklingscykel. Dess visuella programmering underlättar snabb konstruktion av människa-maskin-gränssnitt. ESE är en intuitiv applikation för människa-maskin-gränssnitt avsedd för ovana EVE-användare och användare med lite erfarenhet. Detta är ett verktyg som underlättar användning av EVE-kommandon. Användaren kan konstruera en enkel statisk skärm genom att dra och släppa objekt eller genom att skriva in EVE-kommandon direkt för att instantiera objekt på skärmen. Den inbyggda EVE-emulatorn förmedlar displaykommandon exakt som de skulle se ut på vald skärmstorlek med vald upplösning. EAB-applikationen är avsedd för omvandling av alla tillgångar i människa-maskin-gränssnittet (till exempel bilder, ljud, video, typsnitt) så att dessa kan kombineras till ett EVE-kompatibelt format.

Hela EVE-systemet (med dess chip och programmeringsverktyg) erbjuder de verktyg som behövs för att skapa ett mycket användarvänligt människa-maskin-gränssnitt. Och det gör det utan behov av dyr integrerad krets för applikationsprocessor. Denna teknik anammas nu av fler och fler industrisektorer, inte minst inom bilindustrin.