Ledien, e-paperin ja eleiden tunnistuksen yhdistäminen enterprise-liitettävyyden vähävirtaisiksi käyttöliittymiksi

Käyttöliittymät (Human Machine Interface, HMI) ovat tärkeä teollisen esineiden internetin (Industrial Internet of Things, IIoT) liitettävyystekijä Teollisuus 4.0 -aloitteessa automaation ja prosessien sekä ajoneuvoteollisuuden ja lääkinnällisten järjestelmien ohjaamisessa. Käyttöliittymiä on aina lisätyn todellisuuden päässä pidettävistä näytöistä kosketusnäyttöihin ja yksinkertaisiin visuaalisiin indikaattoreihin. Vaikka lisätyn todellisuuden päässä pidettävät näytöt ovat paljon otsikoissa ja kosketusnäytöissä on paljon ominaisuuksia, reunalaitteiden kasvava valikoima vaatii yksinkertaisia, edullisia, pieniä ja vähävirtaisia visuaalisia indikaattoreita ja ohjaimia.

Suunnittelijat voivat yhdistellä pistematriisi-ledinäyttöjä, eleitä tunnistavia sähköistä paperia käyttäviä näyttöjä (e-paper display, EPD) ja lähestymisen havaitsevia infrapunavalolla (IR) toimivia kulma-anturiohjaimia vähävirtaisten, edullisten ja ominaisuuksiltaan monipuolisten käyttöliittymien luomiseksi Teollisuus 4.0 -aloitteen mukaisiin IIoT-reunasolmuihin sekä yritys-, lääketiede- ja ajoneuvosovelluksiin.

Tässä artikkelissa tutustutaan ensin aakkosnumeeristen ja pistematriisi-ledinäyttöjen sekä EPD-näyttöjen toimintaan ja ominaisuuksiin. Sitten eritellään IR-kulma-antureiden käyttöä eleiden ja lähestymisen tunnistamisessa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Broadcomin ja Lumexin ledinäyttöjä, E Inkin EPD-näyttö, Pervasive Displaysin EPD-kehitysalusta, Analog Devices -yrityksen IR-eleentunnistuspiiri sekä kehitysalustoja vähävirtaisten ja suorituskykyisten minikokoisten käyttöliittymien suunnittelun ja integroinnin nopeuttamiseksi.

Aakkosnumeeriset ledinäytöt

Saatavana on aakkosnumeerisia ledinäyttöjä, jotka tukevat rinnakkais- ja sarjamuotoista tiedonsiirtoa. Merkkien määrä, koko ja näytön leveys vaihtelevat. Kukin merkki muodostetaan 5 x 7 pikselin ryhmällä ja yleensä yhdellä ledivärillä, kuten punainen tai vihreä. Näihin näyttöihin on integroitu eri merkistöjä, kuten ASCII (American Standard Code for Information Interchange), ISO 15924 ‑standardin mukainen japanin katakana-merkistö, joka on mahdollista koodata ASCII-muodossa, sekä maakohtaisia ja käyttäjän määrittämiä mukautettuja merkkejä erityisiä käyttötapauksia varten (kuva 1). Niistä on saatavilla päivänvalossa luettavia ja lujatekoisia versioita.

Kuva 1: ASCII-merkistö voidaan esittää aakkosnumeerisella 5 x 7 pikselin ledinäytöllä. (Kuvan lähde: Broadcom)

Visuaaliset ledinäytöt

Pistematriisi-ledinäyttöjen ledit on aseteltu matriisiksi, mikä mahdollistaa yksittäisten merkkien lisäksi grafiikan esittämisen. Niillä voi myös esittää ASCII- ja katakana-tekstiä tai muita tekstimuotoja. Suorituskyvyltään ne sijoittuvat yllä kuvattujen pistematriisinäyttöjen ja ledivideonäyttöjen väliin. Näyttöjä on saatavana erikokoisina joko yksivärisinä (esimerkiksi vihreä tai punainen) tai monivärisinä RGB (Red-Green-Blue) -versioina. Niiden värivalikoima on kuitenkin yleensä rajallisempi ja virkistystaajuus alhaisempi kuin videonäytöillä (kuva 2). Ledit on yleensä muodostettu ruudukoksi ja niiden negatiivinen tai positiivinen napa on yhteinen. Saatavana on visuaalisia ledinäyttöjä, joiden rajapintana on I2C, 8 bitin rinnakkais- tai sarjamuotoinen tai jokin muu rajapinta. Joissain on integroitu mikrokontrolleri (MCU), kun taas toiset käyttävät järjestelmäsuoritinta.

Kuva 2: Esimerkki RGB-ledinäytön värivalikoimasta. (Kuvan lähde: Lumex)

Mitä e-paperi on ja kuinka se toimii?

Ledit vaativat jatkuvan sähkövirran pysyäkseen päällä, kun taas e-paperi on bistabiili teknologia, joka ei vaadi jatkuvaa sähkövirtaa ja joka on erittäin vähävirtainen. Kun alhainen virrankulutus on tärkeällä sijalla, kuvan virkistystaajuus on matala eikä värinäyttöä tarvita, e-paperinäytöt eli EPD-näytöt ovat hyvä vaihtoehto ledi- ja nestekidenäytöille (Liquid Crystal Display, LCD). Kuvan muodostaminen EPD-näytölle vaatii hyvin vähän virtaa, ja sen jälkeen kuva pysyy näytöllä ilman jatkuvaa virtaa. EPD-näyttöjen kontrasti muistuttaa paperilla olevaa mustetta. Useimmat niistä ovat mustavalkoisia, mutta jotkin tukevat myös jotakin toista väriä, kuten punaista.

EPD-näytöissä yhdistyvät TFT (Thin Film Transistor) ‑teknologia ja sähköisen musteen kerros. Muste koostuu miljoonista pienistä kapseleista, jotka sisältävät sähköisesti varattuja pigmenttihiukkasia. Muste sijaitsee kahden elektrodin välissä (kuva 3). TFT-matriisin aktivoinnilla pigmenttihiukkasista voidaan muodostaa yksityiskohtainen kuva. Kun pigmenttihiukkaset ovat siirtyneet paikoilleen, ne pysyvät paikoillaan ilman virransyöttöä. EPD-näyttöjen ohjaus voi olla hieman hankalaa. Etupaneelin laminointi (Front Panel Laminate, FPL) vaihtelee erästä toiseen, mikä vaatii ohjausaaltomuodon manuaalista säätöä. Lisäksi ohjausaaltomuoto voi riippua käyttölämpötilasta.

Kuva 3: E-muste koostuu miljoonista sähköisesti varattuja pigmenttihiukkasia sisältävistä pienistä kapseleista, jotka sijaitsevat kahden elektrodin välissä. (Kuvan lähde: Pervasive Displays)

Eleiden tunnistus

Ledi- ja EPD-näytöt voivat esittää tietoja järjestelmän käyttäjille ja operaattoreille. Mutta tämä on vasta puolet kokonaisesta käyttöliittymästä. Käyttäjien ja operaattoreiden pitää pystyä myös antamaan järjestelmälle syötteitä ja ohjaussignaaleja. Joissain sovelluksissa järjestelmä saa läheisyysantureilta tiedon käyttäjän läsnäolosta ja voi aktivoida näytön automaattisesti tilatietojen näyttämiseksi. Tämä on hyödyllistä tilatietojen esittämisessä, mutta se ei vielä tarjoa mekanismia syötteiden ja komentojen lähettämiseen laitteistolle. Perinteiset näppäimistöt, kytkimet ja muut mekanismit ovat varteenotettavia vaihtoehtoja, mutta tuloksena voi olla suuri ja paljon virtaa kuluttava ratkaisu. Sen sijaan suunnittelijat voivat hyödyntää lähestymisantureiden eleiden tunnistusta, joka muuttaa käden liikkeet komennoiksi. Eleiden tunnistus voi olla erityisen hyvä vaihtoehto meluisissa ympäristöissä, joissa äänentunnistus on hankalampaa taustakohinan ja melun vuoksi. Eleiden tunnistaminen koostuu muodostuu kolmesta perustoiminnosta:

• eleen aloittamisen ja lopetuksen tunnistaminen
• käden liikkeiden seuranta eleen aikana
• ensimmäisten kahden vaiheen tietojen yhdistäminen eleen ymmärtämiseksi.

Eleiden tunnistuksen kehitysalusta

Eleidentunnistusjärjestelmän kehittämisessä suunnittelijat voivat käyttää Analog Devices -yrityksen EVAL-CN0569-PMDZ-referenssisuunnitelmaa, joka pohjautuu ADPD2140-IR-kulma-anturiin. Piiri lähettää IR-pulssijonon ja anturi ottaa heijastuneen valon vastaan. Ratkaisu mahdollistaa eleiden tunnistuksen jopa 20 cm:n etäisyydellä kortista. Näytteenottonopeus on jopa 512 näytettä sekunnissa, mikä mahdollistaa häiriönpoiston ja vasteajan säätämisen sopimaan sovellukseen ja ympäristöön parhaalla tavalla. On myös huomionarvoista, että ADPD2140 ei vaadi tarkkaa kohdistusta, sillä sen anturilla on lineaarinen vaste ±35 asteen näkökentällä (kuva 4). ADPD2140-piirin integroitu optinen suodatin mahdollistaa näkyvän valon terävän katkaisun, mikä yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua entisestään eliminoimalla tarpeen käyttää ulkoisia linssejä tai suodattimia samalla, kun anturin dynaaminen alue säilyy sisätilan kirkkaassa valaistuksessa tai auringonvalossa.

Kuva 4: ADPD2140-IR-kulma-anturilla on lineaarinen vaste ±35 asteen näkökentällä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Aakkosnumeeriset ledinäytöt

Kirkkaita ja lujatekoisia aakkosnumeerisia ledinäyttöjä tarvitsevissa sovelluksissa voidaan käyttää Broadcomin ratkaisuita rinnakkaismuotoisilla tai sarjamuotoisilla rajapinnoilla. Rinnakkaismuotoista rajapintaa käyttäviä näyttöjä on saatavilla 4 tai 8 merkin tuella (kuva 5). Niitä saa eri koteloissa erivärisinä ja -kokoisina, esimerkiksi 8 merkin ja 5 mm:n HDSP-2533 vihreillä ledeillä sekä 4 merkin ja 3,7 mm:n HDLU-1414 punaisilla korkean tehokkuuden ledeillä. Kumpikin käyttää muovikoteloa. Toinen vaihtoehto on 8 merkin ja 5 mm:n HDSP-2131, jossa on keltaiset ledit ja lujatekoinen lasi-/keramiikkakotelo. Näissä kaikissa on integroitu ASIC-ohjain, joka yksinkertaistaa suunnittelua. Näiden rinnakkaismuotoista liitäntää käyttävien näyttöjen ominaisuuksia:

• 7 tai 8 väylälinjaa tiedonsiirtoa varten
• merkistö, jossa 128 ASCII-merkkiä ja 16 käyttäjän määrittämää merkkiä ohjelmoitavassa ROM-muistissa
• yksittäisten tai kaikkien merkkien vilkuttaminen
• vieritystoiminto
• 8 kirkkaustasoa
• pinottavissa X- tai Y-suunnassa tarvittaessa suurempi näyttö.

Kuva 5: Aakkosnumeerisia ledinäyttöjä rinnakkaismuotoisilla rajapinnoilla on saatavilla 4 tai 8 merkin tuella. (Kuvan lähde: DigiKey)

Broadcom tarjoaa sarjamuotoista rajapintaa käyttäviä aakkosnumeerisia ledinäyttöjä 4, 8 ja 16 merkin tuella, esimerkiksi muovikoteloiset 8 merkin 5 mm:n vihreä HCMS-3977 ja 8 merkin 3,8 mm:n punainen HCMS-2912 sekä laajennetun lämpötila-alueen lasi/keramiikkakoteloitu 4 merkin 0,2 tuuman kelta-vihreä HCMS-2333. Näiden sarjamuotoisten ledinäyttöjen ominaisuuksia:

• 128 merkin ASCII, japanin katakana-merkistö ISO 15924 -standardin mukaisesti sekä mukautettavat fontit
• sarjamuotoinen rajapinta, joka tukee merkkimäärältään korkeita näyttöjä minimaalisella määrällä datalinjoja
• voidaan kytkeä suoraan mikrokontrolleriin, mikä yksinkertaistaa suunnittelua
• lepotila laitteen ollessa valmiudessa
• 64 kirkkaustasoa
• pinottavissa X- tai Y-suunnassa merkkimäärältään suurempien näyttöjen tukemiseksi.

Pistematriisi-ledinäytöt

Kun sovellukseen tarvitaan kompleksisemman tiedon esittämiseen visuaalinen ledinäyttö, suunnittelijat voivat käyttää Lumex Opton LDM-6432-P3-UR-1-näyttöä. Tässä 64 x 32 pikselin RGB-näytössä ledien väli on 3 mm (kuva 6). Näyttöön kuuluu UART-rajapinta, USB-virtaliitäntä 1,5 A:n vikavirtasuojalla sekä BLE 4.0 ‑moduuli. Näytön ohjelmistoa voi kehittää tietokoneella. Ominaisuuksiin kuuluvat:

• HEX- ja Arduino AT ‑komentojen tuki
• sisäänrakennetut fontit ja perusmuodot
• yhdistetyn merkki- ja grafiikkatilan tuki
• mahdollisuus pinota useita näyttömoduuleita suuremmiksi näytöiksi
• voidaan integroida kaikenlaisten mikrokontrollerien kanssa
• ei tarvetta ajurille tai kirjastolle
• tuki animaatioiden esittämiselle
• eri kieliä saatavilla pyynnöstä.

Kuva 6: Tätä 64 x 32 pikselin RGB-ledinäyttöä voidaan käyttää kompleksisemman datan esittämiseen. (Kuvan lähde: Lumex Opto)

E-paperinäyttö ja kehitysalusta

E Inkin ED078KC2 sopii sovelluksiin, joissa voidaan käyttää EPD-näyttöä. Se on heijastava elektroforeettinen EPD-moduuli TFT-aktiivimatriisipohjalla. Sen tarkkuus on 1404 x 1872 pikseliä ja aktiivinen alue 7,8 tuumaa. Ohjaimesta riippuen tämä EPD voi näyttää jopa 16 harmaasävyä (kuva 7).

Pervasive Displays tarjoaa B3000MS044 EXT3- ja B3000MS037 EXT3 Giant -EPD-laajennuskortteja tämän EPD-näytön integroimiseksi järjestelmiin. EXT3-perussarjalla voi ohjata 1,54–12 tuuman EPD-näyttöjä. Suurempiin 9,7 ja 12 tuuman EPD-näyttöihin tarvitaan myös EXT3 Giant ‑kortti. Tämän kehitysalustan integroitu ohjauspiiri yksinkertaistaa EPD-sovellusten kehitystä. Lisäksi Pervasive Displays tarjoaa laajennusvaihtoehtoja, useita avoimen lähdekoodin ohjauskoodeja, suunnitteluresursseja ja kehityskirjastoja grafiikka- ja interaktiivisuusominaisuuksien kehittämiseen.

Kuva 7: Tässä hyvin vähän virtaa kuluttavassa bistabiilissa EPD-näytössä on 1404 x 1872 pikseliä 7,8 tuuman aktiivisella alueella. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Käyttöliittymää tarvitsevat IIoT-reunalaitteet voivat hyötyä erilaisista kompakteista ja vähävirtaisista teknologioista. Eleiden tunnistus mahdollistaa komennot ja ohjauksen myös haastavissa ympäristöissä. Aakkosnumeeriset ledinäytöt ovat lujatekoisia, ne mahdollistavat hyvän näkyvyyden kirkkaassa ympäristössä ja niitä voi pinota tukemaan suuremman tietomäärän esittämistä. Pistematriisi-ledinäytöt ja EPD-näytöt sopivat kompleksisemman datan esittämiseen. Ledipistematriiseilla voidaan näyttää RGB-värejä ja animaatioita, kun taas EPD-näytöt sopivat harmaasävyjen näyttämiseen korkealla kontrastilla ja hyvin pienellä virrankulutuksella.