Kis fogyasztású ember–gép kommunikációs felületek létrehozása a vállalati összekapcsolhatóság területén LED- és EPD kijelzők és a mozdulatfelismerés kombinálásával

Az ember–gép kommunikációs felületek (HMI, human-machine interface) fontos elemek, amelyek elősegítik a vállalatoknak az ipari dolgok internetére (IIoT, industrial internet of things) csatlakozását az Ipar 4.0-s automatizálás és a folyamatirányítás terén, valamint a gépjárműipari és gyógyászati rendszerekben. Az ember–gép kommunikációs felületek a kiterjesztettvalóság-szemüvegektől az érintőképernyőkön át az egyszerű vizuális kijelzőkig terjednek. Míg a kiterjesztettvalóság-szemüvegek sokszor kerülnek a címlapokra, az érintőképernyők pedig sok képességet kínálnak, a helyi eszközök (más néven peremeszközök) egyre szélesebb körében egyszerű, olcsó, kis méretű és kis fogyasztású vizuális visszajelzőkre és kezelőszervekre van szükség.

A tervezők kombinálhatják a pontmátrixos LED-kijelzőket és az elektronikuspapír- (e-papír-) kijelzőket (EPD, electronic paper display vagy e-paper) a mozdulatfelismerő és közelségérzékelő infravörös (IR) fényszögérzékelős vezérléssel, hogy kis fogyasztású, olcsó és funkciógazdag ember–gép kommunikációs felületeket valósítsanak meg az ipari dolgok internetének peremcsomópontjain az Ipar 4.0-ban, valamint számos vállalati, gyógyászati és gépjárműipari felhasználási területen.

Ez a cikk az alfanumerikus és pontmátrixos LED-kijelzők és EPD kijelzők működésének és képességeinek áttekintésével kezdődik, majd részletesen ismerteti az infravörös fényszögérzékelő IC-k használatát a mozdulatfelismerésben és a közelségérzékelésben. Ezután bemutatja a Broadcom és a Lumex jellegzetes LED-kijelzőit, az E Ink EPD kijelzőjét, a Pervasive Displays EPD-kijelző-fejlesztő platformját és az Analog Devices mozdulatfelismerő infravörös érzékelő IC-jét, valamint néhány nagy teljesítményű, kis fogyasztású, kis méretű, az ember–gép kommunikációs felületek tervezési és beépítési folyamatát felgyorsító fejlesztési platformot.

Alfanumerikus LED-kijelzők

Kaphatóak olyan alfanumerikus LED-kijelzők, amelyek párhuzamos és soros adatbemeneteket, valamint különböző karakterszámokat, méreteket és kijelzőszélességeket fogadnak. Mindegyik karakter egy 5 × 7 képpont alkotta tömbből áll – általában egyetlen színű világítódiódát (LED, light emitting diode), például pirosat vagy zöldet használva. Ezek a kijelzők olyan karakterkészleteket képesek megjeleníteni, mint az ASCII (American Standard Code for Information Interchange, amerikai információcsere-kódszabvány) karakterek, a japán katakana írás ISO 15924 karakterkészlete, amely bekódolható az ASCII karakterkészletbe, valamint egyes országspecifikus karakterek és egyedi, a felhasználó által meghatározott karakterek különleges felhasználási módokhoz (1. ábra). Ezek a kijelzők lehetnek nappali fényben olvashatóak és környezetállóak.

1. ábra: Az ASCII karakterkészlet egy 5 × 7 képpontos alfanumerikus LED-kijelzőn megjelenítve (kép: Broadcom)

Grafikus LED-kijelzők

A pontmátrixos LED-kijelzők egyedi karakterek kialakítása helyett mátrixos elrendezésben elhelyezett LED-eket használnak a grafikus megjelenítésre. A szabványos ASCII, katakana és egyéb karakterformátumok megjelenítésére is képesek. Teljesítményüket tekintve a fent említett alfanumerikus kijelzők és a LED-es videókijelzők között helyezkednek el. Ezek a kijelzők tág mérettartományban kaphatóak, és lehetnek egyszínű, például piros vagy zöld, de piros-zöld-kék (RGB) színkeveréses többszínű kijelzők is. A videokijelzőkhöz képest azonban általában korlátozottabb a színpalettájuk és kisebb a frissítési sebességük (2. ábra). A LED-ek általában rácsmintázatban vannak elhelyezve, és negatív vagy pozitív lábaik közös áramköri csomópontként vannak összekötve. I2C, 8 bites párhuzamos, soros és egyéb csatlakozókkal ellátott grafikus LED-kijelzők is kaphatóak. Egyesek beépített mikrovezérlőt (MCU, microcontroller unit) tartalmaznak, mások a rendszerprocesszort használják.

2. ábra: Példa egy RGB LED-kijelző színpalettájára (kép: Lumex)

Mi az az e-papír, és hogyan működik?

Míg a LED-eknek folyamatos vezérlőáramra van szükségük ahhoz, hogy nyitva maradjanak (világítsanak), az e-papír egy olyan bistabil technika, amely nem igényel folyamatos vezérlőáramot, és rendkívül kis fogyasztású is lehet. Ha a kis fogyasztás a lényeges, a frissítési sebesség nem, és nincs szükség teljes színű megjelenítésre, az e-papíros kijelzők (EPD) életképes alternatívát jelenthetnek a LED-es és folyadékkristályos (LCD, liquid crystal display) kijelzőkkel szemben. A kép EPD-n történő megjelenítéséhez nagyon kevés energiára van szükség. Ha a kép egyszer megjelent, nincs szükség további energiára a fenntartásához. Az EPD-k kontrasztja olyan, mint a tinta–papír párosé. Míg a legtöbbjük fekete-fehér, egyesek más színt, például pirosat is használnak.

Az EPD-k a vékonyréteg-tranzisztor (TFT) technikát egy elektronikustinta-réteggel (e-tinta) kombinálják. A tinta elektromos töltésű pigmentrészecskéket tartalmazó apró kapszulák millióiból áll. A tinta két elektróda között van (3. ábra). A TFT-mátrixra a szükséges vezérlőáramot ráadva a pigmentrészecskék részletes képet alkotnak. Miután a pigmentrészecskék a helyükre kerültek, áram nélkül is ott maradnak. Az EPD-k vezérlése kissé trükkös lehet. Az előlapi laminált lemez (FPL) gyártási tételenként kissé eltérő, ezért a vezérlőáram hullámformáját egyenként kell beállítani. Ezenkívül különböző üzemi hőmérsékleteken különböző vezérlőáram-hullámformákra lehet szükség.

3. ábra: Az e-tinta két elektróda között elhelyezett, elektromosan töltött pigmentrészecskéket tartalmazó apró kapszulák millióiból áll (kép: Pervasive Displays)

Mozdulatfelismerés

A LED-ek és az EPD-k információkkal láthatják el a rendszer felhasználóit és üzemeltetőit. Ez azonban csak az egyik fele a teljes ember–gép kommunikációs felületnek. A felhasználóknak és a kezelőknek arra is szükségük van, hogy bemenő- és vezérlőjeleket adjanak a rendszernek. Egyes felhasználási területeken közelségérzékelő figyelmezteti a rendszert a kezelő jelenlétére, és a kijelző automatikusan bekapcsol, hogy állapotadatokat szolgáltasson. Bár ez az állapotadatok közlésére hasznos, nem ad lehetőséget arra, hogy bemenőjeleket és parancsokat lehessen küldeni a berendezésnek. Egyféle megoldás lehet hagyományos billentyűzetek, kapcsolók és egyéb mechanizmusok használata is, de ezek viszonylag nagy és energiaigényes megoldásokat eredményezhetnek. Ehelyett a tervezők használhatnak a közelségérzékelőkhöz mozdulatfelismerő kezelőfelületeket, hogy azok érzékeljék és parancsokká alakítsák a kézmozdulatokat és mintákat. A mozdulatfelismerés különösen hasznos lehet zajos környezetben, ahol a háttérzaj és a környezeti hangok megnehezítik a hangfelismerés használatát. Az alapszintű mozdulatfelismerés megvalósításához három műveletre van szükség:

• a mozdulat kezdetének és végének felismerése
• a kéz mozgásának követése a mozdulat során
• az első két lépésből származó adatok felhasználása a mozdulat értelmezéséhez

Mozdulatfelismerés-fejlesztő platform

A mozdulatfelismerő rendszer kifejlesztéséhez a tervezők használhatják az Analog Devices cég EVAL-CN0569-PMDZ referenciatervét, amely az ADPD2140 infravörös fényszögérzékelőn alapul. Az áramkör infravörös fényimpulzussort bocsát ki, és az érzékelő fogadja a visszavert fényt. Az eszköz a mozdulatérzékelést a kártyától mért mintegy 20 cm távolságig teszi lehetővé. A másodpercenként akár 512 mintás mintavételezési sebesség lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a zajszűrést és a válaszidőt a felhasználási területnek és a környezetnek legmegfelelőbb módon állítsák be. Szintén figyelemre méltó, hogy az ADPD2140 nem igényel pontos beállítást. Az érzékelő ±35°-os szögtartományban lineárisan reagál (4. ábra). Az ADPD2140 tokjába beépített optikai szűrő határozottan kiszűri a látható fényt, ami tovább egyszerűsíti a rendszer kialakítását, mivel nincs szükség külső lencsékre vagy szűrőkre, miközben az érzékelő dinamikatartománya megmarad erős beltéri megvilágításban és napfényben is.

4. ábra: Az ADPD2140 infravörös fényszögérzékelő ±35°-os szögtartományban lineárisan reagál (kép: Analog Devices)

Alfanumerikus LED-kijelzők

A nagy fényerejű és strapabíró alfanumerikus LED-kijelzőket igénylő készülékek tervezői használhatják a Broadcom párhuzamos vagy soros illesztőfelületű kijelzőit. A párhuzamos illesztőfelületű kijelzők 4 vagy 8 karakteres változatban kaphatóak (5. ábra). Többféle tokozásban, színben és méretben szerezhetők be, ilyen például a 8 karakteres, 5 mm-es HDSP-2533 zöld LED-ekkel és a 4 karakteres, 3,7 mm-es HDLU-1414 jó hatásfokú piros LED-ekkel, mindkettő műanyag házban, vagy a 8 karakteres, 5 mm-es HDSP-2131 sárga LED-ekkel, strapabíró üveg- vagy kerámiaházban. Mindegyik tartalmaz beépített ASIC-vezérlőegységet (ASIC: application specific IC, eszközspecifikus IC), ami leegyszerűsíti a tervezési feladatokat. A párhuzamos illesztőfelületű kijelzők jellemzői a következők:

• Hét vagy nyolc adatsín
• 128 ASCII- és tizenhat felhasználó által definiálható karaktert tartalmazó karaktertérkép programozható ROM-ban tárolva
• A karakterek villogtatása egyenként, vagy az összes karakter villogtatása
• Görgetés funkció
• Nyolc fényerőszint
• X és Y irányban is egymás mellé helyezhetőek, ha nagyobb kijelzőre van szükség

5. ábra: A párhuzamos illesztőfelületű alfanumerikus LED-kijelzők 4 vagy 8 karakteres változatban kaphatóak (kép: DigiKey)

A Broadcom 4, 8 és 16 karakteres soros illesztőfelületű LED-es alfanumerikus kijelzőket is kínál, amilyen például a 8 karakteres, 5 mm-es, zöld LED-es HCMS-3977 és a 8 karakteres, 3,8 mm-es, piros LED-es HCMS-2912, mindkettő műanyag házban, valamint a 4 karakteres, 0,2 hüvelykes (5 mm-es), sárgászöld LED-es HCMS-2333 megnövelt hőmérséklet-tartományú üveg- vagy kerámiaházban. A soros illesztőfelületű LED-kijelzők jellemzői a következők:

• 128 ASCII-karakter, ISO 15924 szerinti japán katakana betűtípus és egyéni betűtípusok
• Soros illesztőfelület, amely minimális számú adatvonallal támogatja a nagy karakterszámú kijelzőket
• Közvetlenül mikrovezérlőhöz csatlakoztatható a rendszertervezés egyszerűsítése érdekében
• Alvó üzemmód, amikor a berendezés készenléti állapotban van
• 64 fényerőszint
• X és Y irányban is egymás mellé helyezhetőek, ha nagy karakterszámú kijelzőre van szükség

Pontmátrixos LED-kijelző

Ha a készülék összetettebb adatmegjelenítéshez képmegjelenítő LED-kijelzőt igényel, a tervezők használhatják a Lumex Opto cég LDM-6432-P3-UR-1 jelű kijelzőjét. Ez a 64 × 32 képpontos RGB kijelző 3 mm-es LED-osztástávolságú (6. ábra), és UART-illesztőfelületet, USB-tápcsatlakozót és 1,5 A-es túláramvédőt, valamint egy BLE 4.0 Bluetooth-modult tartalmaz. A fejlesztők a kijelzőszoftver fejlesztéséhez használhatnak személyi számítógépet. Főbb jellemzői:

• HEX és Arduino AT parancsok kezelésére képes
• Beépített betűtípusok és alapalakzatok
• Használható vegyes, azaz karakteres és grafikus üzemmódban
• Több kijelzőmodul egymás mellé helyezhető, ha nagyobb kijelzőre van szükség
• Bármilyen mikrovezérlővel összeépíthető
• Nincs szükség sem illesztőprogramra, sem könyvtárra
• Animációt is képes megjeleníteni
• Külön kérésre különböző nyelvek is elérhetőek

6. ábra: Ez a 64 × 32 képpontos RGB LED-kijelző összetettebb információk megjelenítésére is használható (kép: Lumex Opto)

EPD kijelző és fejlesztőkártya

Az olyan készülékek tervezői, amelyek esetében előnyös az EPD kijelző, használhatják az E Ink cég ED078KC2 jelű kijelzőjét. Ez egy visszavert fényű (azaz háttérvilágítás nélküli, reflektív) elektroforézises EPD-modul aktív mátrixos TFT hordozóanyagon. 1404 × 1872 képpont felbontású, 7,8 hüvelykes (20 cm) képátlójú aktív területtel. A vezérlőegységtől függően ez az EPD akár 16 szürkeárnyalatot is képes megjeleníteni (7. ábra).

A Pervasive Displays az EPD különféle rendszerekbe történő beépítéséhez a B3000MS044 (ext3) és a B3000MS037 (ext3 giant) EPD-bővítőkártyát kínálja. Az alapfelszereltséghez tartozó ext3 kártya 1,54" – 12" (4–30,5 cm) képátlójú EPD-k meghajtására alkalmas. A nagy méretű, 9,7" – 12" (24,5–30,5 cm) képátlójú EPD-khez az ext3 giant (óriás) kártyára is szükség van. Ez a fejlesztőplatform az EPD-s készülékek fejlesztésének egyszerűsítése érdekében beépített vezérlőáramkörrel van ellátva. Ezenkívül a Pervasive Displays bővítési lehetőségeket, több nyílt forráskódú vezérlőkódot, tervezési forrásokat és fejlesztői könyvtárakat kínál a grafikus és párbeszédes (interaktív) képességek fejlesztéséhez.

7. ábra: Ennek az 1404 × 1872 képpont felbontású bistabil EPD-nek 7,8" (20 cm) képátlójú az aktív területe, és nagyon kicsi a fogyasztása (kép: DigiKey)

Összegzés

Az ember–gép kommunikációs felületet igénylő, az ipari dolgok internetére (IIoT) kapcsolódó helyi vagy peremeszközök sokféle kis méretű és kis fogyasztású technika előnyeit használhatják ki. A mozdulatfelismerés még nagy kihívást jelentő környezetben is lehetővé teszi parancsok és vezérlőjelek kiadását. Az alfanumerikus LED-kijelzők strapabíróak, jól láthatóak erősen megvilágított környezetben is, és ha nagyobb kijelzőfelületre van szükség, egymás mellé helyezhetők. A pontmátrixos LED-kijelzők és az EPD kijelzők összetettebb információkat is képesek megjeleníteni. A pontmátrixos LED-kijelzők RGB színmegjelenítésre és animációk megjelenítésére is képesek, míg az EPD kijelzők erős kontrasztú, nagyon kevés energiát igénylő szürkeárnyalatos megjelenítésre használhatóak.