Kombination von LEDs, E-Paper und Gestenerkennung für stromsparende HMIs in der Unternehmenskommunikation

Benutzerschnittstellen (HMIs) sind ein wichtiges Element zur Unterstützung der Unternehmensverbindung für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) in der Industrie-4.0-Automatisierung und Prozesssteuerung sowie in der Automobiltechnik und Medizin. HMIs reichen von Augmented-Reality-Brillen über Touchscreens bis hin zu einfachen visuellen Indikatoren. Während Augmented-Reality-Brillen für viele Schlagzeilen sorgen und Touchscreens viele Möglichkeiten bieten, werden für eine wachsende Zahl von Geräten am Netzwerkrand (Edge) einfache, kostengünstige, kleine und stromsparende visuelle Indikatoren und Bedienelemente benötigt.

Entwickler können LED-Punktmatrix- oder E-Paper-Displays (EPDs) mit Gestenerkennung und Infrarot-(IR)-Lichtwinkelsensorsteuerung kombinieren, um stromsparende, kostengünstige und funktionsreiche HMIs auf IIoT-Edge-Knoten in der Industrie 4.0 und in einer Reihe von Unternehmens-, Medizin- und Automobilanwendungen zu implementieren.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die Funktionsweise und die Möglichkeiten von alphanumerischen und Punktmatrix-LED-Anzeigen und EPDs und geht dann auf die Verwendung von IR-Lichtwinkelsensor-ICs in der Gestenerkennung und Näherungssensorik ein. Anschließend werden repräsentative LED-Displays von Broadcom und Lumex, ein EPD von E Ink, eine EPD-Entwicklungsplattform von Pervasive Displays und ein IR-Sensor-IC für die Gestenerkennung von Analog Devices sowie Entwicklungsplattformen zur Beschleunigung des Design- und Integrationsprozesses für leistungsstarke, stromsparende Miniatur-HMIs vorgestellt.

Alphanumerische LEDs

Es sind alphanumerische LED-Anzeigen erhältlich, die parallele und serielle Dateneingänge und eine Reihe von Zeichennummern, Größen und Anzeigebreiten akzeptieren. Jedes Zeichen wird aus einem 5x7-Pixel-Array gebildet - in der Regel mit einer einzigen LED-Farbe wie Rot oder Grün. Diese Displays integrieren Zeichensätze wie den ASCII-Zeichensatz (American Standard Code for Information Interchange), den japanischen Zeichensatz ISO 15924 Katakana, der im ASCII-Zeichensatz kodiert werden kann, sowie länderspezifische Zeichen und benutzerdefinierte Zeichen für spezielle Anwendungsfälle (Abbildung 1). Sie können bei Tageslicht lesbar und umweltverträglich sein.

Abbildung 1: Der ASCII-Zeichensatz in Form einer 5 x 7 Pixel großen alphanumerischen LED-Anzeige. (Bildquelle: Broadcom)

LED-Displays

Bei LED-Punktmatrixanzeigen werden nicht einzelne Zeichen, sondern in einer Matrix angeordnete LEDs zur Darstellung von Grafiken verwendet. Sie können auch Standard-ASCII, Katakana und andere Textformate anzeigen. In Bezug auf die Leistung liegen sie zwischen den oben beschriebenen Punktmatrixanzeigen und den Video-LED-Anzeigen. Sie sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich und können einfarbig, z. B. in roten oder grünen Displays, oder mehrfarbig in rot-grün-blauen (RGB) Anzeigen vorliegen. Im Vergleich zu Videobildschirmen haben sie jedoch in der Regel eine begrenztere Farbpalette und langsamere Bildwiederholraten (Abbildung 2). Die LEDs sind in der Regel in einem Gittermuster angeordnet, wobei entweder die negativen oder die positiven Anschlüsse der LEDs als gemeinsamer Schaltungsknoten miteinander verbunden sind. Es sind LED-Displays erhältlich, die mit I2C-, 8-Bit-Parallel-, Serien- und anderen Schnittstellen arbeiten. Einige verfügen über eine integrierte Mikrocontrollereinheit (MCU), andere verwenden den Systemprozessor.

Abbildung 2: Beispiel für eine Farbpalette für eine RGB-LED-Anzeige. (Bildquelle: Lumex)

Was ist E-Paper, und wie funktioniert es?

Während LEDs einen kontinuierlichen Betriebsstrom benötigen, um eingeschaltet zu bleiben, handelt es sich bei E-Paper um eine bistabile Technologie, die keinen kontinuierlichen Betriebsstrom benötigt und extrem stromsparend sein kann. Wenn geringer Stromverbrauch Priorität hat, die Bildwiederholrate niedrig ist und kein volles Farbspektrum benötigt wird, können E-Paper-Displays (EPDs) eine brauchbare Alternative zu LED- und Flüssigkristall-Displays (LCDs) darstellen. Das Rendern eines Bildes auf einem EPD erfordert nur sehr wenig Strom; sobald das Bild gerendert ist, wird kein Strom mehr benötigt, um es zu erhalten. EPDs haben einen Kontrast wie Tinte und Papier. Während die meisten schwarz-weiß sind, fügen einige eine andere Farbe hinzu, z. B. rot.

EPDs kombinieren die Dünnschichttransistortechnologie (TFT) mit einer Schicht aus elektronischer Tinte. Die Tinte besteht aus Millionen von winzigen Kapseln, die elektrisch geladene Pigmentteilchen enthalten. Die Tinte befindet sich zwischen zwei Elektroden (Abbildung 3). Wird die TFT-Matrix mit der nötigen Energie versorgt, bilden die Pigmentpartikel ein detailliertes Bild. Sobald die Pigmentteilchen an ihren Platz gebracht wurden, bleiben sie dort, ohne dass Strom zugeführt wird. Der Betrieb von EPDs kann ein wenig knifflig sein. Das Frontplattenlaminat (FPL) variiert geringfügig von Charge zu Charge, so dass die Wellenform für den Betrieb manuell abgestimmt werden muss. Darüber hinaus können bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unterschiedliche Wellenformen für den Betrieb erforderlich sein.

Abbildung 3: E-Tinte besteht aus Millionen winziger Kapseln mit elektrisch geladenen Pigmentpartikeln, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind. (Image source: Pervasive Displays)

Gestenerkennung

LEDs und EPDs liefern Systembenutzern und Bedienern Informationen. Das ist aber nur die Hälfte einer kompletten HMI-Installation. Benutzer und Bediener müssen auch die Möglichkeit haben, Eingaben und Steuersignale an das System zu übermitteln. Bei einigen Anwendungen wird das System durch einen Näherungssensor auf die Anwesenheit eines Bedieners aufmerksam gemacht, und das Display schaltet sich automatisch ein, um Statusinformationen anzuzeigen. Dies ist zwar nützlich für die Übermittlung von Statusinformationen, bietet aber keinen Mechanismus für die Übermittlung von Eingaben und Befehlen an das Gerät. Die Verwendung herkömmlicher Tastaturen, Schalter und anderer Mechanismen kann eine Option sein, führt aber zu relativ großen und stromhungrigen Lösungen. Stattdessen können Entwickler auf Schnittstellen zur Gestenerkennung für Näherungssensoren zurückgreifen, um Handbewegungen und -muster zu erkennen und in Befehle umzusetzen. Die Gestenerkennung kann besonders in lauten Umgebungen nützlich sein, in denen Hintergrund- und Umgebungsgeräusche die Verwendung der Spracherkennung erschweren. Zur Umsetzung der grundlegenden Gestenerkennung sind drei Aktivitäten erforderlich:

• Erkennen von Anfang und Ende einer Geste
• Verfolgung der Handbewegung während der gesamten Geste
• Verwendung der Informationen aus den ersten beiden Schritten, um die Geste zu verstehen

Entwicklungsplattform für Gestenerkennung

Für die Entwicklung eines Gestenerkennungssystems kann das Referenzdesign EVAL-CN0569-PMDZ von Analog Devices verwendet werden, das auf dem IR-Lichtwinkelsensor ADPD2140 basiert. Der Schaltkreis sendet eine IR-Impulsfolge aus, und der Sensor fängt das reflektierte Licht ein. Das Design unterstützt die Gestenerkennung in einem Abstand von bis zu 20 Zentimetern (cm) zum Board. Die Abtastrate von bis zu 512 Samples pro Sekunde ermöglicht es, die Rauschunterdrückung und die Reaktionszeit optimal an die Anwendung und die Umgebung anzupassen. Bemerkenswert ist auch, dass der ADPD2140 keine präzise Ausrichtung erfordert; sein Sensor bietet eine lineare Reaktion innerhalb eines Sichtfeldes von ±35° (Abbildung 4). Der integrierte optische Filter im ADPD2140-Gehäuse sorgt für eine scharfe Unterbrechung des sichtbaren Lichts, was das Systemdesign weiter vereinfacht, da keine externen Linsen oder Filter erforderlich sind und der Dynamikbereich des Sensors bei heller Innenbeleuchtung oder Sonnenlicht erhalten bleibt.

Abbildung 4: Der IR-Lichtwinkelsensor ADPD2140 hat eine lineare Reaktion innerhalb eines Sichtfeldes von ±35°. (Bildquelle: Analog Devices)

Alphanumerische LED-Displays

Anwendungen, die helle und robuste alphanumerische LED-Displays benötigen, können auf parallele oder serielle Schnittstellen von Broadcom zurückgreifen. Die Displays mit parallelen Schnittstellen sind mit 4 oder 8 Zeichen erhältlich (Abbildung 5). Sie sind in verschiedenen Gehäuseformen, Farben und Größen erhältlich, wie z. B. das HDSP-2533 mit 8 Zeichen (5 mm Höhe) mit grünen LEDs und das HDLU-1414 mit 4 Zeichen (3,7 mm Höhe) und hocheffizienten roten LEDs, beide in Kunststoffgehäusen. Oder das 8-stellige HDSP-2131 (5 mm hohe Zeichen) mit gelben LEDs in einem robusten Glas-/Keramikgehäuse. Alle enthalten einen integrierten ASIC-Treiber, der den Entwicklungsaufwand vereinfacht. Zu den Merkmalen dieser Displays mit paralleler Schnittstelle gehören:

• Sieben bis acht Busleitungen für Daten
• Zeichentabelle mit 128 ASCII- und sechzehn benutzerdefinierten Zeichen im programmierbaren ROM gespeichert
• Blinken einzelner Zeichen und Blinken aller Zeichen
• Bildlauffunktion
• Acht Helligkeitsstufen
• Stapelbar in x- und y-Richtung für größere Displayanforderungen

Abbildung 5: Alphanumerische LED-Displays mit parallelen Schnittstellen sind mit 4 oder 8 Zeichen erhältlich. (Bildquelle: DigiKey)

Broadcom bietet auch alphanumerische LED-Displays mit serieller Schnittstelle mit 4, 8 und 16 Zeichen an, wie das grüne HCMS-3977 mit 8 Zeichen (5 mm Höhe) und das rote HCMS-2912 mit 8 Zeichen (3,8 mm Höhe), beide in Kunststoffgehäusen, sowie das gelb-grüne HCMS-2333 mit 4 Zeichen (0,2 Zoll Höhe) in einem Glas-/Keramikgehäuse mit erweitertem Temperaturbereich. Zu den Merkmalen dieser seriellen LED-Displays gehören:

• 128 ASCII-Zeichen, japanische Katakana-Zeichen nach ISO 15924 und benutzerdefinierte Schriftarten
• Serielle Schnittstelle, die Anzeigen mit hoher Zeichenzahl bei minimalen Datenleitungen unterstützt
• Kann direkt mit einer MCU verbunden werden, um das Systemdesign zu vereinfachen
• Ruhemodus, wenn sich das Gerät im Standby-Modus befindet
• 64 Helligkeitsstufen
• Stapelbar in x- und y-Richtung für Displays mit hoher Zeichenzahl

LED-Punktmatrix-Display

Wenn die Anwendung ein LED-Display für komplexere Informationen erfordert, kann das LDM-6432-P3-UR-1 von Lumex Opto verwendet werden. Diese 64 x 32 Pixel große RGB-Anzeige hat einen LED-Abstand von 3 mm (Abbildung 6). Dieses Display verfügt über eine UART-Schnittstelle, eine USB-Stromversorgungsbuchse mit 1,5 A Stromschutz und ein BLE4.0-Modul. Für die Entwicklung der Anzeigesoftware kann ein Heimcomputer verwendet werden. Features:

• Kann HEX- oder Arduino-AT-Befehle verarbeiten
• Integrierte Schriftarten und Grundformen
• Kann in gemischten Zeichen- und Grafikmodi laufen
• Mehrere Displaymodule können für größere Displays gestapelt werden
• Kann mit jeder MCU integriert werden
• Keine Treiber oder Bibliotheken erforderlich
• Kann Animationen anzeigen
• Verschiedene Sprachen sind auf Anfrage erhältlich

Abbildung 6: Diese 64 x 32 Pixel große RGB-LED-Display kann zur Darstellung komplexerer Informationen verwendet werden. (Bildquelle: Lumex Opto)

E-Paper-Display und Entwicklungsplatine

Für Anwendungen, die von einem EPD profitieren, bietet sich der ED078KC2 von E Ink an. Es handelt sich um ein reflektierendes elektrophoretisches EPD-Modul auf einem TFT-Substrat mit aktiver Matrix. Es bietet 1404 x 1872 Pixel auf einer aktiven Fläche von 7,8". Je nach Controller kann dieses EPD bis zu 16 Graustufen anzeigen (Abbildung 7).

Pervasive Displays bietet die EPD-Erweiterungskarten B3000MS044, ext3, und B3000MS037, ext3 giant, an, um dieses EPD in Systeme zu integrieren. Das grundlegende ext3-Kit kann 1,54"- bis 12"-EPDs betreiben. Für große EPDs von 9,7" und 12" wird auch der das ext3 giant benötigt. Diese Entwicklungsplattform verfügt über eine integrierte Treiberschaltung, die die Entwicklung von EPD-Anwendungen vereinfacht. Darüber hinaus bietet Pervasive Displays Erweiterungsmöglichkeiten, verschiedene Open-Source-Ansteuerungscodes, Design-Ressourcen und Entwicklungsbibliotheken für grafische und interaktive Funktionen.

Abbildung 7: Dieses bistabile EPD hat 1404 x 1872 Pixel auf einer aktiven Fläche von 7,8" und zeichnet sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch aus. (Bildquelle: DigiKey)

Zusammenfassung

IIoT-Edge-Geräte, die eine HMI benötigen, können von einer Reihe von kompakten und stromsparenden Technologien profitieren. Die Gestenerkennung bietet eine Möglichkeit, Befehle und Steuerungen auch in schwierigen Umgebungen bereitzustellen. Alphanumerische LED-Displays sind robust, können auch in hellen Umgebungen gesehen werden und lassen sich stapeln, um größeren Informationsbedarf zu decken. LED-Punktmatrixanzeigen und EPDs können komplexere Informationen darstellen. LED-Punktmatrizen können RGB-Farbdisplays und Animationen darstellen, während EPDs für kontrastreiche Graustufen-Displays verwendet werden können, die sehr wenig Strom benötigen.