Hoe LED's, e-paper en gebaarherkenning te combineren voor energiezuinige HMI's in bedrijfsconnectiviteit

Human machine interfaces (HMI's) zijn een belangrijk element ter ondersteuning van bedrijfsconnectiviteit voor het Industrial Internet of Things (IIoT) in Industrie 4.0 automatisering en procescontrole, en automotive en medische systemen. HMI's variëren van augmented reality-brillen tot aanraakschermen en eenvoudige visuele indicators. Hoewel augmented reality-brillen veel aandacht krijgen en aanraakschermen veel mogelijkheden bieden, zijn er eenvoudige, goedkope, miniatuur- en energiezuinige visuele indicators en bedieningselementen nodig voor een groeiend aantal randapparaten.

Ontwerpers kunnen LED-dotmatrix of elektronische papieren (e-paper) displays (EPD's) combineren met gebaarherkenning en nabijheidsgevoelige infrarood (IR) lichthoeksensoren om energiezuinige, goedkope en veelzijdige HMI's te implementeren op IIoT-randknooppunten in Industrie 4.0 en in een reeks bedrijfs-, medische en automobieltoepassingen.

Dit artikel begint met een overzicht van de werking en mogelijkheden van alfanumerieke en dotmatrix LED-displays en EPD's, en beschrijft vervolgens het gebruik van IR-lichthoeksensor-IC's bij gebaarherkenning en nabijheidsdetectie. Vervolgens worden representatieve LED-displays van Broadcom en Lumex gepresenteerd, een EPD van E Ink, een EPD-ontwikkelingsplatform van Pervasive Displays en een IR-detectie-IC voor gebarenherkenning van Analog Devices, samen met ontwikkelingsplatforms om het ontwerp- en integratieproces voor krachtige, energiezuinige miniatuur-HMI's te versnellen.

Alfanumerieke LED's

Er zijn alfanumerieke LED-displays beschikbaar die parallelle en seriële gegevensinvoer en een reeks karakternummers, groottes en displaybreedtes accepteren. Elk teken wordt gevormd door een 5 x 7-pixel array - meestal met behulp van een enkele LED-kleur zoals rood of groen. Deze displays integreren tekensets zoals de American Standard Code for Information Interchange (ASCII) tekens, de ISO 15924 Japanse Katakana script tekenset die kan worden gecodeerd in de ASCII tekenset, alsmede landspecifieke tekens en aangepaste, door de gebruiker gedefinieerde tekens voor speciale gebruiksgevallen (Afbeelding 1). Ze kunnen bij daglicht leesbaar en milieuvriendelijk zijn.

Afbeelding 1: De ASCII-tekenset zoals gevormd met behulp van een alfanumeriek LED-scherm van 5 x 7 pixels. (Bron afbeelding: Broadcom)

Visuele LED displays

In plaats van individuele tekens te vormen, gebruiken LED-dotmatrixdisplays LED's die in een matrix zijn gerangschikt om afbeeldingen te leveren. Ze kunnen ook standaard ASCII, Katakana en andere tekstformaten weergeven. Qua prestaties liggen zij tussen de hierboven beschreven dotmatrixdisplays en video LED-displays. Zij zijn verkrijgbaar in een groot aantal afmetingen en kunnen éénkleurige displays zijn, zoals rode, groene of roodgroenblauwe (RGB) meerkleurige displays. Zij hebben echter meestal een beperkter kleurenpalet en tragere vernieuwingsfrequenties dan videodisplays (Afbeelding 2). De LED's zijn gewoonlijk gerangschikt in een rasterpatroon met ofwel de negatieve ofwel de positieve pool van de LED's samengebonden als een gemeenschappelijk circuitknooppunt. Er zijn visuele LED-displays beschikbaar die werken met I2C, 8-bit parallelle, seriële en andere interfaces. Sommige hebben een ingebouwde microcontroller-eenheid (MCU), andere gebruiken de systeemprocessor.

Afbeelding 2: Voorbeeld van een kleurenpalet voor een RGB-LED-display. (Bron afbeelding: Lumex)

Wat is e-paper, en hoe werkt het?

Terwijl LED's een continue aandrijfstroom nodig hebben om te blijven branden, is e-paper een bistabiele technologie die geen continue aandrijving nodig heeft en een extreem laag vermogen kan hebben. Wanneer een laag stroomverbruik een prioriteit is, de vernieuwingsfrequenties laag zijn en volledige kleuren niet nodig zijn, kunnen e-paper displays (EPD's) een levensvatbaar alternatief bieden voor LED's en LCD's. Het kost zeer weinig stroom om een beeld op een EPD weer te geven; als het beeld eenmaal is weergegeven, is er geen stroom meer nodig om het in stand te houden. EPD's hebben een contrast zoals inkt en papier. Terwijl de meeste zwart-wit zijn, voegen sommige een andere kleur toe, zoals rood.

EPD's combineren dunne-filmtransistortechnologie (TFT) met een laag elektronische inkt. De inkt bestaat uit miljoenen kleine capsules met elektrisch geladen pigmentdeeltjes. De inkt bevindt zich tussen twee elektroden (Afbeelding 3). Door de benodigde aandrijving op de TFT-matrix aan te brengen, vormen de pigmentdeeltjes een gedetailleerd beeld. Zodra de pigmentdeeltjes op hun plaats zijn gebracht, blijven ze daar zonder stroomtoevoer. Rijden met EPD's kan een beetje lastig zijn. Het frontpaneellaminaat (FPL) verschilt enigszins van partij tot partij, zodat de golfvorm van de aandrijving handmatig moet worden afgestemd. Bovendien kunnen verschillende aandrijfgolfvormen nodig zijn bij verschillende bedrijfstemperaturen.

Afbeelding 3: E-ink bestaat uit miljoenen kleine capsules met elektrisch geladen pigmentdeeltjes die tussen twee elektroden zijn geplaatst. (Bron afbeelding: Pervasive Displays))

Gebarenherkenning

LED's en EPD's kunnen informatie verstrekken aan gebruikers en exploitanten van het systeem. Dat is slechts de helft van een complete HMI-installatie. Gebruikers en exploitanten moeten het systeem ook kunnen voorzien van inputs en besturingssignalen. Bij sommige toepassingen waarschuwt nabijheidsdetectie het systeem voor de aanwezigheid van een operator, waarna het display automatisch wordt ingeschakeld om statusinformatie te geven. Hoewel dat nuttig is voor het verzenden van statusinformatie, biedt het geen mechanisme voor het verzenden van inputs en commando's naar de apparatuur. Het gebruik van traditionele toetsenborden, schakelaars en andere mechanismen kan een optie zijn, maar kan resulteren in relatief grote en energievretende oplossingen. In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot interfaces voor gebaarherkenning voor nabijheidssensoren om handbewegingen en -patronen te detecteren en te vertalen in opdrachten. Gebaarherkenning kan bijzonder nuttig zijn in lawaaierige omgevingen, waar de achtergrondgeluiden en omgevingsgeluiden het gebruik van spraakherkenning bemoeilijken. Er zijn drie activiteiten nodig om de basis gebarenherkenning uit te voeren:

• Het begin en het einde van een gebaar herkennen
• Het volgen van handbewegingen tijdens het gebaar
• De informatie uit de eerste twee stappen gebruiken om het gebaar te begrijpen

Ontwikkelingsplatform voor gebarenherkenning

Om een gebaarherkenningssysteem te ontwikkelen, kunnen ontwerpers zich wenden tot het EVAL-CN0569-PMDZ-referentieontwerp van Analog Devices dat gebaseerd is op de ADPD2140 IR-lichthoeksensor. De schakeling zendt een IR-pulstrein uit, en de sensor vangt het gereflecteerde licht op. Het ontwerp ondersteunt gebarendetectie tot op ongeveer 20 centimeter (cm) afstand van het bord. Dankzij de bemonsteringssnelheid van maximaal 512 monsters per seconde kunnen ontwerpers de ruisonderdrukking en de reactietijd aanpassen aan de toepassing en de omgeving. Opmerkelijk is ook dat de ADPD2140 geen precieze uitlijning vereist; de sensor heeft een lineaire respons binnen een gezichtsveld van ±35°. Het geïntegreerde optische filter in het ADPD2140-pakket zorgt voor een scherpe afscherming van zichtbaar licht, waardoor het systeemontwerp verder wordt vereenvoudigd doordat er geen externe lenzen of filters nodig zijn, terwijl het dynamische bereik van de sensor bij helder binnenlicht of zonlicht behouden blijft.

Afbeelding 4: De ADPD2140 IR-lichthoeksensor heeft een lineaire respons binnen een gezichtsveld van ±35°. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Alfanumerieke LED-displays

Toepassingen die heldere en robuuste alfanumerieke LED-displays nodig hebben, kunnen zich wenden tot ontwerpen met parallelle interfaces of seriële interfaces van Broadcom. De displays met parallelle interfaces zijn verkrijgbaar met 4 of 8 tekens (Afbeelding 5). Ze zijn verkrijgbaar in verschillende verpakkingen, kleuren en maten, zoals de HDSP-2533 met 8 tekens en 5 millimeter (mm) groene LED's en de HDLU-1414 met 4 tekens en 3,7 mm grote rode LED's, beide in plastic verpakkingen. Of de HDSP-2131 met 8 tekens, 5 mm, gele LED's in een stevige glas/keramische behuizing. Ze bevatten allemaal een geïntegreerde ASIC-driver die het ontwerp vereenvoudigt. Kenmerken van deze parallelle interface displays zijn onder andere:

• Zeven tot acht buslijnen voor gegevens
• Tekenkaart met 128 ASCII en zestien door de gebruiker te definiëren tekens, opgeslagen in programmeerbaar ROM
• Individueel karakter knipperen en knipperen van alle karakters
• Scrollende functie
• Acht helderheidsniveaus
• Stapelbaar in x- en y-richting voor grotere weergavebehoeften

Afbeelding 5: Alfanumerieke LED-displays met parallelle interfaces zijn verkrijgbaar met 4 of 8 tekens. (Bron afbeelding: DigiKey)

Broadcom biedt seriële interface LED alfanumerieke displays met 4, 8 en 16 karakters, zoals de HCMS-3977 met 8 karakters en 5 mm groen, en de HCMS-2912 met 8 karakters en 3,8 mm rood, beide in plastic verpakking, en de HCMS-2333 met 4 karakters en 0,2 inch geelgroen, in een glas/keramiek verpakking met uitgebreid temperatuurbereik. Kenmerken van deze seriële LED-displays zijn onder meer:

• 128 ASCII, ISO 15924 Japans Katakana-schrift en aangepaste lettertypen
• Seriële interface die displays met een hoog aantal tekens en minimale datalijnen ondersteunt
• Kan rechtstreeks met een MCU communiceren om het systeemontwerp te vereenvoudigen
• Slaapstand wanneer de apparatuur op stand-by staat
• 64 helderheidsniveaus
• Stapelbaar in x- en y-richting ter ondersteuning van displays met een hoog aantal karakters

LED-dotmatrixdisplay

Wanneer de toepassing een visuele LED-display voor complexere informatie vereist, kunnen ontwerpers de LDM-6432-P3-UR-1 van Lumex Opto gebruiken. Dit 64 x 32-pixel RGB-scherm heeft een LED-pitch van 3 mm (Afbeelding 6). Dit display bevat een UART-interface, een USB-stroomaansluiting plus een stroombeschermer van 1,5 A en een BLE 4.0-module. Ontwikkelaars kunnen een personal computer gebruiken om de displaysoftware te ontwikkelen. Kenmerken zijn onder andere:

• Kan HEX of Arduino AT bevelen behandelen
• Ingebouwde lettertypes en basisvormen
• Kan draaien in gemengde karakter- en grafische modes
• Meerdere displaymodules kunnen worden gestapeld voor grotere displays
• Kan worden geïntegreerd met elke MCU
• Geen stuurprogramma of bibliotheek nodig
• Kan animatie weergeven
• Verschillende talen zijn beschikbaar op aanvraag

Afbeelding 6: Dit 64 x 32-pixel RGB LED-scherm kan worden gebruikt om complexere informatie te presenteren. (Bron afbeelding: Lumex Opto)

e-paper-display en dev-bord

Toepassingen die baat hebben bij een EPD kunnen zich wenden tot de ED078KC2 van E Ink. Het is een reflecterende elektroforetische EPD-module op een TFT-substraat met actieve matrix. Het heeft 1404 x 1872 pixels in een actief gebied van 7,8". Afhankelijk van de regelaar kan dit EPD tot 16 grijsniveaus weergeven (Afbeelding 7).

Pervasive Displays biedt de B3000MS044, ext3, en de B3000MS037, ext3 giant, EPD-uitbreidingsborden om dit EPD in systemen te integreren. De basis ext3-kit kan 1,54" tot 12" EPD's aandrijven. Voor grote EPD's, van 9,7" en 12", is ook de ext3-reus nodig. Dit ontwikkelingsplatform heeft een ingebouwd stuurcircuit om de ontwikkeling van EPD-toepassingen te vereenvoudigen. Daarnaast biedt Pervasive Displays uitbreidingsmogelijkheden, diverse open source stuurcodes, ontwerpmiddelen en ontwikkelingsbibliotheken voor grafische en interactieve mogelijkheden.

Afbeelding 7: Dit bistabiele EPD heeft 1404 x 1872 pixels in een actief gebied van 7,8" en heeft een zeer laag stroomverbruik. (Bron afbeelding: DigiKey)

Samenvatting

IIoT-randapparatuur waarvoor een HMI nodig is, kan profiteren van een reeks compacte en energiezuinige technologieën. Gebaarherkenning biedt een manier om zelfs in moeilijke omgevingen commando's en bedieningen te geven. Alfanumerieke LED-displays zijn robuust, zichtbaar in omgevingen met veel licht, en stapelbaar voor grotere informatiebehoeften. LED-dotmatrixdisplays en EPD's kunnen complexere informatie weergeven. LED-dotmatrices kunnen RGB-kleurendisplays en -animaties weergeven, terwijl EPD's kunnen worden gebruikt voor contrastrijke grijswaardendisplays die zeer weinig stroom vergen.