Hur man kombinerar lysdioder, e-papper och gestidentifiering i strömsnåla gränsnitt mellan människa och maskin i företagsanslutningar

Gränssnittet mellan människa och maskin (HMI) är en viktig del för att stödja företagsanslutningar med IIoT (Industrial Internet of Things) i Industry 4.0-automatisering och processstyrning samt i fordonssystem och medicintekniska system. Gränssnitten sträcker sig från glasögon med förstärkt verklighet till pekskärmar och enkla visuella indikeringar. Även om glasögon med förstärkt verklighet får många rubriker och pekskärmar ger många möjligheter, behövs enkla, billiga, små och energisnåla visuella indikeringar och styrenheter för ett växande antal molnenheter.

Konstruktörer kan kombinera LED-displayer med punktmatris eller EPD-displayer (electronic paper display) med gestidentifiering och infraröda (IR) närhetsavkännande sensorer för belysningsvinkel för att implementera energisnåla, billiga och kompetenta gränssnitt mellan människa och maskina för IIoT-kantnoder i Industry 4.0 och i en rad olika tillämpningar inom företag, medicinteknik och fordon.

Artikeln inleds med en funktionsgenomgång av alfanumeriska displayer, LED-displayer med punktmatris och EPD-displayer samt vilken prestanda de har och beskriver därefter användningen av IR-sensorkretsar för belysningsvinkel för gestidentifiering och närhetsavkänning. Därefter presenteras typiska LED-displayer från Broadcom och Lumex, en EDP-display från E Ink, en utvecklingsplattform för EDP-displayer från Pervasive Displays samt en styrkrets med IR-sensor för gestidentifiering från Analog Devices, tillsammans med utvecklingsplattformar för att påskynda konstruktions- och integrationsprocessen för högeffektiva, energisnåla gränssnitt mellan människa och maskin i liten skala.

Alfanumeriska LED-displayer

Det finns alfanumeriska LED-displayer som accepterar parallella och seriella dataingångar med ett stort antal siffror, storlekar och displaybredder. Varje tecken bildas av en matris på 5 x 7 punkter - vanligtvis med en enda lysdiodsfärg, t.ex. rött eller grönt. Displayerna integrerar teckenuppsättningar som ASCII (American Standard Code for Information Interchange), den japanska teckenuppsättningen ISO 15924 för Katakana-skrift som kan kodas in i teckenuppsättningen för ASCII, samt tecken som är specifika för olika länder och användardefinierade tecken för särskilda användningsområden (figur 1). De kan vara läsbara i dagsljus och stryktåliga.

Figur 1: ASCII-teckenuppsättningen skapas med hjälp av en alfanumerisk LED-display med 5 x 7 punkter. (Bildkälla: Broadcom)

Visuella LED-displayer

Som ett alternativ till att skapa individuella tecken, använder displayer med LED-punktmatris, lysdioder som är ordnade i en matrislayout för att visa grafik. De kan även visa standardiserad ASCII, Katakana och andra textformat. När det gäller prestanda placerar de sig mellan de displayer med punktmatris som beskrivs ovan och LED-bildskärmar. De finns i många olika storlekar och kan vara enfärgade displayer som t.ex. röda eller gröna eller flerfärgsskärmar med röd, grön, blå (RGB). De har dock vanligtvis en mer begränsad färgpalett och långsammare uppdateringsfrekvenser jämfört med bildskärmar (figur 2). Lysdioderna är normalt placerade i ett rutmönster med antingen lysdiodernas negativa eller positiva anslutningar sammanbundna som en gemensam kretsnod. Det finns visuella LED-displayer som fungerar med I2C, 8-bitars parallella, seriella och andra gränssnitt. Några har en inbyggd microcontroller (MCU) och andra använder systemets processor.

Figur 2: Exempel på en färgpalett för en LED-display med RGB. (Bildkälla: Lumex)

Vad är e-papper och hur fungerar det?

Medan lysdioder kräver en kontinuerlig ström för att vara tända, är e-papper en bistabil teknik som inte kräver kontinuerlig ström och kan ha extremt låg strömförbrukning. När låg strömförbrukning är en prioritet, uppdateringsfrekvenserna är låga och fullfärg inte behövs kan en EPD-display vara ett bra alternativ till LED- och LCD-displayer (liquid crystal display). Det krävs väldigt lite ström för att återge en bild på en EPD-display och när bilden väl är återgiven behövs ingen ström för att bibehålla den. EPD-displayer har en kontrast likt bläck och papper. Medan de flesta är svartvita, lägger några till en annan färg, t.ex. rött.

EPD-displayer kombinerar teknik för tunnfilmstransistorer (TFT) med ett lager elektroniskt bläck. Bläcket består av miljontals små kapslar som innehåller elektriskt laddade pigmentpartiklar. Bläcket är placerat mellan två elektroder (figur 3). Genom att applicera den nödvändiga drivströmmen på TFT-matrisen bildar pigmentpartiklarna en detaljerad bild. När pigmentpartiklarna väl har flyttats till sin plats, förblir de där utan att någon ström tillförs. Det kan vara lite knepigt att driva EPD-displayer. Frontpanelens laminat (FPL) varierar något från en serie till en annan, vilket kräver att drivströmmens vågform ställs in manuellt. Det kan dessutom krävas olika vågformer för drivströmmen vid olika driftstemperaturer.

Figur 3: E-bläck består av miljontals små kapslar med elektriskt laddade pigmentpartiklar placerade mellan två elektroder. (Bildkälla: Pervasive Displays)

Gestidentifiering

LED- och EPD-displayer kan ge information till systemanvändare och tekniker. Det är bara hälften av en komplett installation med gränssnitt mellan människa och maskin. Användare och tekniker måste även kunna förse systemet med inmatningar och styrsignaler. I vissa tillämpningar uppmärksammar närhetssensorer systemet att en användare är närvarande och displayen tänds automatiskt för att ge statusinformation. Detta är användbart för att skicka statusinformation, men det tillhandahåller ingen funktion för att skicka inmatningar och kommandon till utrustningen. Att använda traditionella tangentbord, omkopplare och andra mekanismer kan vara ett alternativ, men kan resultera i relativt stora och energikrävande lösningar. Istället kan konstruktörer använda sig av närhetssensorernas gränssnitt för gestidentifiering för att upptäcka och omvandla handrörelser och mönster till kommandon. Gestidentifiering kan vara särskilt användbart i bullriga miljöer där bakgrundsbrus och omgivande ljud gör det svårt att använda röstigenkänning. Det krävs tre aktiviteter för att genomföra en grundläggande gestidentifiering:

• Känna igen början och slutet av en gest
• Spåra handens rörelse under hela gesten
• Användning av informationen från de två första stegen för att förstå gesten

Utvecklingsplattform för gestidentifiering

För att utveckla ett system för gestidentifiering kan konstruktörer använda sig av referensdesignen EVAL-CN0569-PMDZ från Analog Devices som baseras på IR-sensorn för belysningsvinkel ADPD2140. Kretsen skickar ut ett IR-pulståg och sensorn fångar upp det reflekterade ljuset. Konstruktionen stöder avläsning av rörelser på upp till cirka 20 cm från kortet. Med en samplingshastighet på upp till 512 samplingar per sekund kan konstruktörerna justera brusreducering och svarstid för att passa tillämpningen och miljön bäst. Det är även värt att notera att ADPD2140 inte kräver någon exakt justering; sensorn har ett linjärt svar med en vinkel på ±35° inom sitt synfält (figur 4). Kapslingens inbyggda optiska filter i ADPD2140 har en skarp avgränsning av synligt ljus, vilket ytterligare förenklar systemkonstruktionen genom att eliminera behovet av externa linser eller filter samtidigt som sensorns dynamiska område bibehålls i stark inomhusbelysning eller i starkt solljus.

Figur 4: IR-sensorn för belysningsvinkel ADPD2140 har ett linjärt svar med en vinkel på ±35° inom sitt synfält. (Bildkälla: Analog Devices)

Alfanumeriska LED-displayer

Tillämpningar som behöver ljusstarka och tåliga alfanumeriska LED-displayer kan använda sig av konstruktioner med parallella eller seriella gränssnitt från Broadcom. Displayer med parallella gränssnitt finns med 4- eller 8 tecken (figur 5). De finns i flera olika kapslingar, färger och storlekar, som t.ex. den 5 mm höga HDSP-2533 med plats för 8 tecken och gröna lysdioder samt den 3,7 mm höga HDLU-1414 med 4 tecken och högeffektiva, röda, lysdioder. Båda modellerna levereras i plastkapslingar. Eller den 5 mm höga HDSP-2131 med 8 tecken och gula lysdioder i en robust glas/keramikkapsling. Alla har en integrerad ASIC-drivrutin som förenklar konstruktionsarbetet. Dessa displayer med parallella gränssnitt har följande egenskaper:

• Sju till åtta busslinjer för data
• Teckenuppsättning med 128 ASCII-tecken och sexton användardefinierbara tecken, lagrade i ett programmerbart ROM-minne.
• Blinkning med enskilda tecken och samtliga tecken
• Rullningsfunktion
• Åtta nivåer för ljusstyrka
• Stapelbar i x- och y-led vid behov av större displayer

Figur 5: Alfanumeriska LED-displayer med parallella gränssnitt finns med 4 eller 8 tecken. (Bildkälla: DigiKey)

Broadcom erbjuder alfanumeriska LED-displayer med seriellt gränssnitt och 4, 8 eller 16 tecken, som t.ex. den 5 mm höga HCMS-3977 med 8 och gröna lysdioder; den 3,8 mm höga HCMS-2912 med 8 tecken, och röda lysdioder, som båda levereras i plastkapslingar, samt den 0,5 cm höga HCMS-2333 med 4 tecken och gulgröna lysdioder som levereras i en glas/keramikkapsling med utökat temperaturområde. Dessa seriella LED-displayer har följande egenskaper:

• 128 ASCII, ISO 15924 japansk Katakana-skrift och anpassade teckensnitt.
• Seriellt gränssnitt som stöder ett högt teckenantal med ett minimum av datalinjer.
• Kan anslutas direkt till en microcontroller för att förenkla systemkonstruktionen.
• Viloläge när utrustningen är i standby-läge
• 64 nivåer för ljusstyrka
• Stapelbar i x- och y-led för att stöda displayer med många tecken

Display med LED-punktmatris

När tillämpningen kräver en visuell LED-display för mer avancerad information kan konstruktörer använda sig av LDM-6432-P3-UR-1 från Lumex Opto. Denna RGB-display med 64 x 32 punkter har ett avstånd mellan lysdioderna på 3 mm (figur 6). Displayen har ett UART-gränssnitt, ett USB-uttag med överströmsskydd på 1,5 A och en BLE 4.0-modul. Utvecklare kan använda en persondator för att utveckla displayens programvara. Egenskaperna innefattar:

• Kan hantera HEX- eller Arduino AT-kommandon
• Inbyggda teckensnitt och grundläggande former
• Kan köras i blandade tecken- och grafiklägen
• Flera displaymoduler kan staplas på varandra för större displayer
• Kan integreras med valfri microcontroller
• Inga drivrutiner eller bibliotek behövs
• Kan visa animationer
• Olika språk är tillgängliga på begäran.

Figur 6: Den här LED-displayen med RGB och 64 x 32 punkter kan användas för att visa mer komplex information. (Bildkälla: Lumex Opto)

E-pappersdisplay och utvecklingskort

Tillämpningar som drar nytta av en EPD-display kan använda sig av ED078KC2 från E Ink. Det är en reflekterande elektroforetisk display-modul (EPD) på ett TFT-substrat med aktiv matris. Den har 1404 x 1872 punkter i ett aktivt område på 7,8 tum. Beroende på styrenhet kan denna EPD-display visa en gråskala med upp till 16 nivåer (figur 7).

Pervasive Displays erbjuder B3000MS044, ext3, och B3000MS037, ext3 giant, EPD-utökningskort för att integrera denna EPD-display i system. Den grundläggande ext3-satsen kan driva EPD-displayer med storlekarna 1,54 till 12 tum. För stora EPD-displayer, från 9,7 och 12 tum, behövs även ext3 giant. Denna utvecklingsplattform har en inbyggd drivkrets för att förenkla utvecklingen av EPD-tillämpningar. Dessutom erbjuder Pervasive Displays expansionsmöjligheter, flera drivrutiner med öppen källkod, konstruktionsresurser och utvecklingsbibliotek för grafiska och interaktiva funktioner.

Figur 7: Denna bistabila EPD-display har 1404 x 1872 punkter i ett aktivt område på 7,8 tum med mycket låg strömförbrukning. (Bildkälla: DigiKey)

Sammanfattning

IIoT-enheter som kräver ett gränssnitt mellan människa och maskin kan dra nytta av en rad kompakta och energisnåla teknologier. Gestidentifiering är ett sätt att ge kommandon och hantera styrningar även i utmanande miljöer. Alfanumeriska LED-displayer är robusta, kan avläsas i ljusa miljöer och kan staplas för att stödja större informationsbehov. Displayer med LED-punktmatris och EPD-displayer kan presentera mer komplicerad information. LED-punktmatriser kan visa RGB-färgbilder och animeringar, medan EPD-displayer kan användas för bilder i gråskala med hög kontrast som kräver mycket lite ström.