Come combinare LED, e-paper e riconoscimento dei gesti nella connettività aziendale per interfacce HMI a basso consumo

Le interfacce uomo-macchina (HMI) sono un elemento importante a supporto della connettività aziendale per l'Internet delle cose industriale (IIoT) nell'automazione e nel controllo di processo per l'Impresa 4.0, nei sistemi automobilistici e medici. Le HMI vanno dagli occhiali per la realtà aumentata ai touchscreen e ai semplici indicatori visivi. Mentre gli occhiali per la realtà aumentata fanno notizia e i touchscreen offrono molte funzionalità, per una gamma crescente di dispositivi edge sono necessari indicatori e controlli visivi semplici, a basso costo, miniaturizzati e a basso consumo.

I progettisti possono combinare display a matrice di punti a LED o su carta elettronica (e-paper) (EPD) con il riconoscimento dei gesti e i controlli mediante sensore di prossimità angolare a luce infrarossa (IR) per implementare interfacce operatore a basso consumo, basso costo e ricche di funzionalità sui nodi edge IIoT nell'Impresa 4.0 e in una serie di applicazioni aziendali, mediche e automotive.

Questo articolo inizia con una rassegna del funzionamento e delle funzionalità dei display LED alfanumerici e a matrice di punti e degli EPD, quindi illustra l'uso dei CI per sensori angolari a luce IR nel riconoscimento dei gesti e nel rilevamento di prossimità. Presenta quindi display LED rappresentativi di Broadcom e Lumex, un EPD di E Ink, una piattaforma di sviluppo EPD di Pervasive Displays e un CI di rilevamento IR per il riconoscimento dei gesti di Analog Devices, oltre a piattaforme di sviluppo per accelerare la progettazione e l'integrazione di interfacce HMI miniaturizzate ad alte prestazioni e basso consumo.

LED alfanumerici

Sono disponibili display alfanumerici a LED che accettano ingressi dati paralleli e seriali e una serie di numeri e caratteri, dimensioni e larghezze di visualizzazione. Ogni carattere è formato da una matrice di 5 x 7 pixel, che di solito utilizza un LED monocromatico, ad esempio rosso o verde. Questi display integrano set di caratteri come i caratteri dell'American Standard Code for Information Interchange (ASCII), il set di caratteri ISO 15924 per la scrittura giapponese Katakana, che può essere codificato nel set di caratteri ASCII, nonché caratteri specifici per ogni paese e caratteri personalizzati definiti dall'utente per casi d'uso speciali (Figura 1). Possono essere leggibili alla luce diurna e resistenti alle condizioni ambientali.

Figura 1: Il set di caratteri ASCII formato da un display LED alfanumerico da 5 x 7 pixel. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

Display LED visivi

Anziché essere utilizzati per formare i singoli caratteri, i display a matrice di punti LED utilizzano i LED disposti a matrice per creare la grafica. Possono anche visualizzare formati di testo standard ASCII, Katakana e altri. In termini di prestazioni, si collocano tra i display a matrice di punti descritti in precedenza e i display video a LED. Sono disponibili in svariate dimensioni e possono essere display monocromatici, rossi, verdi o multicromatici (RGB). Tuttavia, di solito hanno una tavolozza di colori più limitata e una frequenza di aggiornamento più lenta rispetto ai display video (Figura 2). I LED sono solitamente disposti a griglia con i terminali negativi o positivi dei LED uniti come nodo di un comune circuito. Sono disponibili display LED visivi che funzionano con interfacce I²C, parallele a 8 bit, seriali e altre. Alcuni includono un'unità microcontroller (MCU), mentre altri utilizzano il processore di sistema.

Figura 2: Esempio di tavolozza di colori per un display LED RGB. (Immagine per gentile concessione di Lumex)

e-paper e come funziona

Mentre i LED richiedono una corrente di comando continua per rimanere accesi, l'e-paper è una tecnologia bistabile che non richiede il pilotaggio continuo e può essere a bassissimo consumo. Quando il basso consumo energetico è una priorità, la frequenza di aggiornamento è bassa e il full-color non è necessario, i display e-paper (EPD) possono rappresentare una valida alternativa ai display a LED e a cristalli liquidi (LCD). Il rendering di un'immagine su un EPD richiede pochissima energia; una volta che l'immagine è stata renderizzata, non è necessaria energia per mantenerla. Gli EPD hanno un contrasto come l'inchiostro e la carta. Mentre la maggior parte sono in bianco e nero, alcuni aggiungono un altro colore, come il rosso.

Gli EPD combinano la tecnologia dei transistor a film sottile (TFT) con uno strato di inchiostro elettronico. L'inchiostro è composto da milioni di minuscole capsule contenenti particelle di pigmento caricate elettricamente. L'inchiostro si trova tra due elettrodi (Figura 3). Applicando l'impulso necessario alla matrice TFT, le particelle di pigmento formano un'immagine dettagliata. Una volta che le particelle di pigmento sono in posizione, rimangono fisse senza dover essere alimentate. Comandare gli EPD può essere un po' complicato. La lamina del pannello anteriore (FPL) varia leggermente da un lotto all'altro, e questo impone la regolazione manuale della forma d'onda del convertitore. Inoltre, in presenza di temperature di funzionamento diverse, possono essere richieste forme d'onda diverse.

Figura 3: Un e-ink comprende milioni di minuscole capsule contenenti particelle di pigmento caricate elettricamente e poste tra due elettrodi. (Immagine per gentile concessione di Pervasive Displays)

Riconoscimento dei gesti

I LED e gli EPD possono fornire informazioni agli utenti e agli operatori di sistema. Ma questa è solo la metà di un'installazione HMI completa. Gli utenti e gli operatori devono anche poter fornire l'input e i segnali di controllo al sistema. In alcune applicazioni, il rilevamento di prossimità avverte il sistema della presenza di un operatore e il display si accende automaticamente per fornire informazioni sullo stato. Sebbene sia utile per inviare informazioni sullo stato, non fornisce un meccanismo per inviare input e comandi all'apparecchiatura. L'uso di tastiere, interruttori e altri meccanismi tradizionali può essere un'opzione, ma può portare a soluzioni relativamente grandi ed energivore. I progettisti possono invece rivolgersi alle interfacce di riconoscimento dei gesti per i sensori di prossimità per rilevare e tradurre i movimenti e i modelli delle mani in comandi. Il riconoscimento dei gesti può essere particolarmente utile negli ambienti rumorosi, dove il rumore di fondo e i suoni ambientali rendono difficile l'uso del riconoscimento vocale. Sono necessarie tre attività per implementare il riconoscimento di base dei gesti:

• Riconoscere l'inizio e la fine di un gesto
• Tracciare il movimento della mano durante il gesto
• Utilizzare le informazioni delle prime due fasi per comprendere il gesto

Piattaforma di sviluppo per il riconoscimento dei gesti

Per sviluppare un sistema di riconoscimento dei gesti, i progettisti possono rivolgersi al progetto di riferimento EVAL-CN0569-PMDZ di Analog Devices, basato sul sensore angolare a luce IR ADPD2140. Il circuito emette un treno di impulsi IR e il sensore acquisisce la luce riflessa. Il progetto supporta il rilevamento dei gesti fino a circa 20 centimetri di distanza dalla scheda. La frequenza di campionamento fino a 512 campioni al secondo consente ai progettisti di regolare la reiezione del rumore e il tempo di risposta per adattarsi al meglio all'applicazione e all'ambiente. Inoltre, ADPD2140 non richiede l'allineamento preciso; il suo sensore ha una risposta lineare entro un campo visivo angolare di ±35° (Figura 4). Il filtro ottico integrato nel contenitore ADPD2140 fornisce un taglio netto della luce visibile, semplificando ulteriormente la progettazione del sistema, eliminando la necessità di lenti o filtri esterni e mantenendo la gamma dinamica del sensore in condizioni di illuminazione interna intensa o di luce solare.

Figura 4: Il sensore angolare a luce IR ADPD2140 ha una risposta lineare entro un campo visivo angolare di ±35°. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Display alfanumerici a LED

Le applicazioni che necessitano di display alfanumerici a LED luminosi e robusti possono affidarsi a progetti con interfacce parallele o seriali di Broadcom. I display con interfaccia parallela sono disponibili con 4 o 8 caratteri (Figura 5). Sono disponibili in diversi modelli, colori e dimensioni, come HDSP-2533 da 8 caratteri e 5 mm con LED verdi e HDLU-1414 da 4 caratteri e 3,7 mm con LED rossi ad alta efficienza, entrambi in contenitori in plastica. Oppure HDSP-2131 a 8 caratteri, 5 mm, con LED gialli in un robusto contenitore in vetroceramica. Tutti integrano un driver ASIC che semplifica il lavoro di progettazione. Le caratteristiche di questi display con interfaccia parallela includono:

• Da sette a otto linee di bus per i dati
• Mappa dei caratteri con 128 caratteri ASCII e 16 caratteri definibili dall'utente, memorizzati nella ROM programmabile.
• Caratteri lampeggianti individualmente e tutti insieme
• Funzione di scorrimento
• Otto livelli di luminosità
• Impilabile in direzione x e y per esigenze di visualizzazione più ampie

Figura 5: I display alfanumerici a LED con interfaccia parallela sono disponibili con 4 o 8 caratteri. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Broadcom offre display alfanumerici a LED con interfaccia seriale a 4, 8 e 16 caratteri, come HCMS-3977 verde da 8 caratteri e 5 mm e HCMS-2912 rosso da 8 caratteri e 3,8 mm, entrambi in contenitore in plastica, e HCMS-2333 giallo-verde da 4 caratteri e 0,2" in un contenitore in vetroceramica a temperatura estesa. Le caratteristiche di questi display seriali a LED includono:

• 128 ASCII, scrittura giapponese Katakana ISO 15924 e tipi di caratteri personalizzati
• Interfaccia seriale che supporta visualizzazioni ad elevato numero di caratteri con linee dati minime
• Interfacciamento diretto con un MCU per semplificare la progettazione del sistema
• Modalità di sospensione quando l'apparecchiatura è in standby
• 64 livelli di luminosità
• Impilabile nelle direzioni x e y per supportare i display ad elevato numero di caratteri

Display a matrice di punti LED

Quando l'applicazione richiede un display visivo a LED per informazioni più complesse, i progettisti possono utilizzare il modello LDM-6432-P3-UR-1 di Lumex Opto. Questo display RGB da 64 x 32 pixel ha LED di passo 3 mm (Figura 6). Questo display include un'interfaccia UART, una presa di alimentazione USB e un protettore di corrente da 1,5 A, nonché un modulo BLE 4.0. Gli sviluppatori possono utilizzare un PC per sviluppare il software di visualizzazione. Le caratteristiche includono:

• Può gestire comandi HEX o AT di Arduino
• Tipi di carattere e forme di base integrati
• Può funzionare in modalità mista carattere e grafica
• Più moduli di visualizzazione possono essere impilati per realizzare display più grandi
• Può essere integrato con qualsiasi MCU
• Non richiede driver o librerie
• Può visualizzare animazioni
• Sono disponibili lingue diverse su richiesta

Figura 6: Questo display LED RGB da 64 x 32 pixel può essere utilizzato per presentare informazioni più complesse. (Immagine per gentile concessione di Lumex Opto)

Display e-paper e scheda di sviluppo

Le applicazioni che beneficiano di un EPD possono rivolgersi a ED078KC2 di E Ink. Si tratta di un modulo EPD elettroforetico riflettente su un substrato TFT a matrice attiva da 1404 x 1872 pixel in un'area attiva di 7,8". A seconda del controller, questo EPD può visualizzare fino a 16 livelli di grigio (Figura 7).

Pervasive Displays offre le schede di estensione EPD B3000MS044, ext3, e B3000MS037, ext3 giant, per integrare questo EPD nei sistemi. Il kit ext3 di base può gestire EPD da 1,54" a 12". Per gli EPD di grandi dimensioni, da 9,7" e 12", è necessario anche ext3 giant. Questa piattaforma dispone di un circuito di pilotaggio integrato per semplificare lo sviluppo di applicazioni EPD. Inoltre, Pervasive Displays offre opzioni di espansione, diversi codici di guida open-source, risorse di progettazione e librerie di sviluppo per funzionalità grafiche e interattive.

Figura 7: Questo EPD bistabile ha 1404 x 1872 pixel in un'area attiva di 7,8" e ha un consumo energetico molto basso. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

I dispositivi edge IIoT che richiedono un HMI possono beneficiare di una serie di tecnologie compatte e a basso consumo. Il riconoscimento dei gesti è un modo per fornire comandi e controlli anche in ambienti difficili. I display alfanumerici a LED sono robusti, visibili in ambienti ad alta luminosità e possono essere impilati per supportare esigenze informative più ampie. I display a matrice di punti a LED e gli EPD possono presentare informazioni più complesse. Le matrici di punti LED possono presentare visualizzazioni e animazioni a colori RGB, mentre gli EPD possono essere utilizzati per visualizzazioni in scala di grigi ad elevato contrasto che richiedono poca energia.