Łączne wykorzystanie wyświetlaczy LED i e-Paper oraz rozpoznawania gestów w interfejsach człowiek-maszyna (HMI) niskiej mocy stosowanych w łączności w przedsiębiorstwach

Interfejsy człowiek-maszyna (HMI) stanowią istotny element wspierający łączność w przedsiębiorstwach na potrzeby przemysłowego Internetu rzeczy (IoT) w automatyce i sterowaniu procesami w ramach Przemysłu 4.0 oraz systemach motoryzacyjnych i medycznych. Interfejsy człowiek-maszyna (HMI) są wielorakie, począwszy od okularów do rzeczywistości rozszerzonej, przez ekrany dotykowe, po proste wskaźniki wizualne. O okularach do rzeczywistości rozszerzonej dużo mówi się w mediach, a ekrany dotykowe dają wiele możliwości, tymczasem proste, tanie, miniaturowe i energooszczędne wskaźniki wizualne i elementy sterujące są potrzebne w coraz większej liczbie urządzeń brzegowych.

W celu wdrożenia energooszczędnych, niedrogich i bogatych w funkcje interfejsów człowiek-maszyna (HMI) w węzłach brzegowych przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) w Przemyśle 4.0 oraz w wielu zastosowaniach korporacyjnych, medycznych i motoryzacyjnych, projektanci mogą połączyć wyświetlacze mozaikowe LED lub wyświetlacze e-paper (EPD) z funkcją rozpoznawania gestów i czujnikami zbliżeniowymi kąta padania światła podczerwonego.

Artykuł rozpoczyna się od omówienia działania i możliwości alfanumerycznych i wyświetlaczy mozaikowych LED oraz wyświetlaczy e-Paper (EPD), a następnie szczegółowo omawia zastosowanie układów scalonych czujników kąta padania światła podczerwonego w rozpoznawaniu gestów i wykrywaniu zbliżeniowym. W dalszej części przedstawiono przykładowe wyświetlacze LED firmy Broadcom i Lumex, wyświetlacz EPD firmy E Ink oraz platformę rozwojową do wyświetlaczy EPD firmy Pervasive Displays, a także pomiarowy układ scalony na podczerwień (IR) do wykrywania gestów firmy Analog Devices wraz z platformami rozwojowymi pozwalającymi przyspieszyć proces projektowania i integracji wysokoparametrowych, miniaturowych interfejsów człowiek-maszyna (HMI) niskiej mocy.

Alfanumeryczne wyświetlacze LED

Dostępne są alfanumeryczne wyświetlacze LED, w których można stosować równoległe i szeregowe wejścia danych oraz różniące się liczbą znaków, rozmiarami i szerokością wyświetlania. Każdy znak jest tworzony z matrycy o rozmiarze 5 x 7 pikseli - zwykle w jednym kolorze LED, np. czerwonym lub zielonym. Omawiane wyświetlacze obsługują różne zestawy znaków, np. znaki ASCII (American Standard Code for Information Interchange), zestaw znaków japońskiego alfabetu katakana wg ISO 15924, który może być zakodowany w zestawie znaków ASCII, a także znaki specyficzne dla danego kraju i niestandardowe znaki zdefiniowane przez użytkownika do zastosowań specjalnych (ilustracja 1). Są one czytelne w świetle dziennym i odporne na warunki środowiskowe.

Ilustracja 1: zestaw znaków ASCII utworzonych przy użyciu alfanumerycznego wyświetlacza LED 5 x 7 pikseli. (Źródło ilustracji: Broadcom)

Wizualne wyświetlacze LED

Wyświetlacze mozaikowe LED wykorzystują diody LED ułożone w układzie matrycowym nie do tworzenia pojedynczych znaków, ale do wyświetlania grafiki. Mogą one również wyświetlać tekst w standardowych formatach ASCII, katakana i innych. Pod względem wydajności plasują się one pomiędzy opisanymi wyżej wyświetlaczami mozaikowymi a wyświetlaczami LED wideo. Są one dostępne w wielu różnych rozmiarach i mogą być wyświetlaczami jednokolorowymi, np. czerwonymi, zielonymi, lub wielokolorowymi, np. czerwono-zielono-niebieskimi (RGB). Mają one jednak zwykle bardziej ograniczoną paletę kolorów i niższą częstotliwość odświeżania w porównaniu z wyświetlaczami wideo (ilustracja 2). Diody LED są zwykle rozmieszczone w układzie siatkowym z ujemnymi lub dodatnimi zaciskami diod LED połączonymi we wspólny węzeł obwodowy. Dostępne są wizualne wyświetlacze LED współpracujące z interfejsem I2C, 8-bitowym równoległym, szeregowym i innymi. Niektóre posiadają wbudowany mikrokontroler MCU, a inne wykorzystują procesor systemowy.

Ilustracja 2: przykładowa paleta kolorów wyświetlacza LED RGB. (Źródło ilustracji: Lumex)

Czym jest e-Paper i jak działa?

Podczas gdy diody LED wymagają ciągłego prądu sterującego, aby pozostać włączone, e-Paper jest technologią bistabilną, która nie wymaga ciągłego sterowania i może charakteryzować się wyjątkowo niską mocą. Gdy priorytetem jest jest niska moc, częstotliwość odświeżania jest niska, a pełna gama kolorów nie jest wymagana, wyświetlacze ePaper (EPD) mogą stanowić dobrą alternatywę dla wyświetlaczy LED i ciekłokrystalicznych (LCD). Do renderowania obrazu na wyświetlaczu EPD potrzeba bardzo mało mocy - utrzymanie obrazu po wyrenderowaniu nie wymaga zasilania. Wyświetlacze EPD charakteryzują się kontrastem zbliżonym do kontrastu atramentu na papierze. Podczas gdy większość z nich jest czarno-biała, niektóre posiadają dodany inny kolor, na przykład czerwony.

Wyświetlacze EPD łączą w sobie technologię tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) z warstwą elektronicznego atramentu. Atrament składa się z milionów maleńkich kapsułek zawierających naładowane elektrycznie cząsteczki pigmentu. Atrament znajduje się pomiędzy dwiema elektrodami (ilustracja 3). Dzięki przyłożeniu niezbędnego sterowania do matrycy TFT cząstki pigmentu tworzą szczegółowy obraz. Gdy cząsteczki pigmentu zostaną przesunięte na miejsce, pozostają tam bez potrzeby zasilania. Sterowanie wyświetlaczami EPD może być nieco trudniejsze niż się wydaje. Laminat panelu przedniego (FPL) różni się nieznacznie w poszczególnych partiach, co wymaga ręcznego dostrojenia kształtu fali sterującej. Ponadto w różnych temperaturach pracy mogą być wymagane różne kształty fali sterującej.

Ilustracja 3: wyświetlacz z atramentem elektronicznym składa się z milionów maleńkich kapsułek zawierających naładowane elektrycznie cząstki pigmentu, umieszczonych pomiędzy dwiema elektrodami. (Źródło ilustracji: Pervasive Displays)

Rozpoznawanie gestów

Wyświetlacze LED i EPD służą do przekazywania informacji użytkownikom i operatorom systemu. Stanowią tylko połowę kompletnego interfejsu człowiek-maszyna (HMI). Użytkownicy i operatorzy potrzebują również możliwości dostarczania danych wejściowych i sygnałów sterujących do systemu. W niektórych zastosowaniach system jest powiadamiany o obecności operatora przez czujnik zbliżeniowy, a wyświetlacz automatycznie włącza się, aby przekazać informacje o stanie. Choć jest to przydatne do wysyłania informacji o stanie, nie zapewnia mechanizmu wysyłania danych wejściowych i poleceń do sprzętu. Jednym z rozwiązań może być użycie tradycyjnych klawiatur, przełączników i innych mechanizmów. Może to jednak skutkować stosunkowo dużymi i wymagającymi dużej mocy rozwiązaniami. Zamiast tego w celu wykrywania i tłumaczenia ruchów i ich wzorców na polecenia, projektanci mogą sięgnąć po interfejsy rozpoznawania gestów dla czujników zbliżeniowych. Rozpoznawanie gestów może być szczególnie przydatne w hałaśliwych środowiskach, gdzie hałas w tle i dźwięki otoczenia utrudniają korzystanie z rozpoznawania głosu. Podstawowe rozpoznawanie gestów wymaga trzech czynności:

• Rozpoznawanie początku i końca gestu
• Śledzenie ruchu ręki podczas wykonywania gestu
• Wykorzystanie informacji z dwóch pierwszych kroków do zrozumienia gestu

Platforma rozwojowa rozpoznawania gestów

Aby opracować system rozpoznawania gestów, projektanci mogą sięgnąć po projekt referencyjny EVAL-CN0569-PMDZ firmy Analog Devices oparty na czujniku kąta padania światła podczerwonego (IR) ADPD2140. Obwód emituje ciąg impulsów podczerwieni, a czujnik przechwytuje odbite światło. Omawiana konstrukcja obsługuje wykrywanie gestów w odległości do około 20cm od płytki. Częstotliwość próbkowania dochodząca do 512 próbek na sekundę umożliwia projektantom regulację tłumienia szumów i czasu reakcji w celu lepszego dopasowania komponentu do zastosowania i otoczenia. Na uwagę zasługuje również fakt, że czujnik ADPD2140 nie wymaga precyzyjnego ustawienia w linii - charakteryzuje się liniową odpowiedzią w obrębie pola widzenia o kącie ±35° (ilustracja 4). Zintegrowany w obudowie czujnika ADPD2140 filtr optyczny zapewnia ostre odcięcie światła widzialnego, co dodatkowo upraszcza konstrukcję systemu, eliminując konieczność stosowania zewnętrznych soczewek lub filtrów, przy jednoczesnym zachowaniu zakresu dynamicznego czujnika przy jasnym oświetleniu we wnętrzach lub dużym nasłonecznieniu.

Ilustracja 4: czujnik kąta padania światła podczerwonego (IR) ADPD2140 charakteryzuje się liniową odpowiedzią w polu widzenia o kącie ±35°. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wyświetlacze alfanumeryczne LED

W zastosowaniach, w których potrzeba jasnych i wytrzymałych alfanumerycznych wyświetlaczy LED, można wykorzystać konstrukcje z interfejsami równoległymi lub interfejsami szeregowymi firmy Broadcom. Wyświetlacze z interfejsami równoległymi są dostępne w wersjach z 4 lub 8 znakami (ilustracja 5). Są one dostępne w kilku stylach obudów, różnych kolorach i rozmiarach. Przykładem jest 8-znakowy model HDSP-2533 5mm z zielonymi diodami LED oraz 4-znakowy model HDLU-1414 3,7mm z czerwonymi diodami LED o wysokiej sprawności, oba w plastikowych obudowach. Kolejny przykład to 8-znakowy model HDSP-2131 5mm z żółtymi diodami LED w wytrzymałej obudowie szklano-ceramicznej. Wszystkie one posiadają zintegrowany sterownik ASIC upraszczający projektowanie. Charakterystyka zaprezentowanych wyświetlaczy z interfejsem równoległym:

• Od siedmiu do ośmiu linii magistrali dla danych
• Mapa znaków z 128 znakami ASCII i szesnastoma znakami definiowanymi przez użytkownika przechowywana w programowalnej pamięci ROM
• Funkcja migania pojedynczych znaków i wszystkich znaków jednocześnie
• Funkcja przewijania
• Osiem poziomów jasności
• Możliwość piętrowego układania w kierunku x i y w przypadku potrzeb zwiększenia obszaru wyświetlania

Ilustracja 5: alfanumeryczne wyświetlacze LED z interfejsami równoległymi są dostępne w wersjach z 4 lub 8 znakami. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Firma Broadcom oferuje wyświetlacze alfanumeryczne LED z interfejsem szeregowym o 4, 8 i 16 znakach. Przykładem jest 8-znakowy zielony model HCMS-3977 5mm i 8-znakowy czerwony model HCMS-2912 3,8mm - oba w plastikowych obudowach, oraz 4-znakowy, żółto-zielony model HCMS-2333 0,2" w szklano-ceramicznej obudowie o rozszerzonym zakresie temperatur. Charakterystyka zaprezentowanych wyświetlaczy LED z interfejsem szeregowym:

• 128 znaków ASCII, znaki japońskiego alfabetu katakana wg normy ISO 15924 oraz czcionki niestandardowe
• Interfejs szeregowy obsługujący wyświetlacze o dużej liczbie znaków przy minimalnej liczbie linii danych
• Możliwość bezpośredniego połączenia z mikrokontrolerem MCU w celu uproszczenia projektowania układu
• Tryb uśpienia w stanie czuwania urządzenia
• 64 poziomy jasności
• Możliwość piętrowego układania w kierunku x i y w celu uzyskania wyświetlaczy o dużej liczbie znaków

Wyświetlacz mozaikowy LED

Gdy w danym zastosowaniu wymagany jest wizualny wyświetlacz LED do wyświetlania bardziej złożonych informacji, projektanci mogą użyć wyświetlacza LDM-6432-P3-UR-1 firmy Lumex Opto. Ten wyświetlacz RGB o wymiarach 64 x 32 piksele charakteryzuje się rastrem diod LED wynoszącym 3mm (ilustracja 6). Wyświetlacz ten posiada interfejs UART, gniazdo zasilania USB, a także ochronnik prądowy 1,5A oraz moduł BLE 4.0. Do tworzenia oprogramowania wyświetlacza deweloperzy mogą użyć komputera osobistego. Charakterystyka:

• Obsługa poleceń HEX lub Arduino AT
• Wbudowane czcionki i podstawowe kształty
• Możliwość pracy w mieszanych trybach graficznych i znakowych
• Aby uzyskać większe wyświetlacze, istnieje możliwość piętrowego łączenia wielu modułów wyświetlacza
• Możliwość integracji z dowolnym mikrokontrolerem MCU
• Nie jest wymagany sterownik ani biblioteka
• Możliwość wyświetlania animacji
• Inne języki dostępne na zamówienie

Ilustracja 6: wyświetlacz RGB LED o wymiarach 64 x 32 pikseli może być stosowany do prezentowania bardziej złożonych informacji. (Źródło ilustracji: Lumex Opto)

Wyświetlacz e-Paper i płytka rozwojowa

W zastosowaniach, w których korzystne jest użycie wyświetlaczy EPD można sięgnąć po wyświetlacz ED078KC2 firmy E Ink. Jest to odblaskowy moduł elektroforetyczny EPD na podłożu TFT z aktywną matrycą. Posiada on rozmiary 1404 x 1872 pikseli w obszarze aktywnym o przekątnej 7,8". W zależności od kontrolera, wspomniany wyświetlacz EPD może wyświetlać do 16 poziomów szarości (ilustracja 7).

Na potrzeby integracji omawianego wyświetlacza EPD z innymi systemami, firma Pervasive Displays oferuje płytki rozszerzeń do wyświetlaczy EPD B3000MS044 (ext3) oraz B3000MS037 (ext3 giant). Podstawowy zestaw ext3 pozwala sterować wyświetlaczami EPD o przekątnej od 1,54" do 12". W przypadku dużych wyświetlaczy EPD o przekątnej od 9,7" i 12", potrzebny jest zestaw ext3 giant. Omawiana platforma rozwojowa posiada wbudowany obwód sterujący, co uprasza rozwój projektów EPD. Ponadto firma Pervasive Displays oferuje opcje rozbudowy, szereg otwartoźródłowych kodów do sterowania, zasoby projektowe i biblioteki programistyczne zwiększające funkcje graficzne i interaktywne.

Ilustracja 7: bistabilny wyświetlacz EPD charakteryzuje się rozmiarami 1404 x 1872 pikseli w aktywnym obszarze 7,8" i bardzo niskim poborem mocy. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Podsumowanie

Zastosowanie szeregu kompaktowych technologii oraz technologii o niskim poborze mocy w przypadku urządzeń brzegowych przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), które wymagają interfejsu człowiek-maszyna (HMI), może przynieść wiele korzyści. Rozpoznawanie gestów umożliwia wydawanie poleceń i sterowanie nawet w trudnych warunkach. Wyświetlacze alfanumeryczne LED są wytrzymałe, czytelne w warunkach silnego oświetlenia i można je łączyć piętrowo na potrzeby wyświetlania większej ilości informacji. Wyświetlacze mozaikowe LED oraz wyświetlacze EPD potrafią prezentować bardziej złożone informacje. Mozaiki LED mogą wyświetlać obraz kolorowy RGB oraz animacje, podczas gdy wyświetlacze EPD pozwalają na wyświetlanie obrazu w skali szarości o wysokim kontraście, przy czym charakteryzują się bardzo małym poborem mocy.