Una nuova dimensione nell'implementazione di un'interfaccia uomo-macchina che non richiede un uso intensivo delle risorse

Il lancio dell'iPhone, poco più di dieci anni fa, preannunciava un cambiamento radicale per diversi aspetti della nostra vita quotidiana. Questi telefoni rivoluzionari avrebbero inciso fortemente sul modo in cui interagiamo continuamente con la tecnologia, in particolare attraverso l'uso delle funzioni tattili. Anche se i touchscreen esistevano già da molti anni, fu attraverso questo smartphone (e quelli di altri produttori che presto seguirono la stessa strada) che finalmente si imposero a livello globale. Ora hanno effettivamente rivoluzionato il modo in cui funziona tutta la nostra società, e ormai non sarebbe facile farne a meno.

Le tradizionali interfacce uomo-macchina (HMI), che consistevano principalmente di pulsanti meccanici, manopole e interruttori, più un display a LED a 7 segmenti o a matrice di caratteri, sono state sostituite da schermi TFT-LCD full-color, corredati di funzionalità audio, video, animazione e, naturalmente, dotati di capacità tattili. Mentre le velocità di elaborazione hanno tenuto il passo nello spazio del processore per applicazioni (AP), i microcontroller (MCU) che fanno la maggior parte del lavoro "umile" nei comuni dispositivi elettronici non hanno visto un aumento significativo della loro capacità di calcolo.

La maggior parte degli MCU sono tuttora basati sul core 8051 o sui core della serie Arm® Cortex®-M e sono progettati principalmente per compiti di controllo e rilevamento. Non sono dotati di unità di elaborazione grafica (GPU) come i loro più costosi e potenti cugini processori per applicazioni. È a questo punto che si produce uno scollamento: gli utenti, abituati ormai alla praticità dell'interazione tattile, ora si aspettano anche da altre apparecchiature (sia di natura commerciale, medicale che industriale) la stessa funzionalità tattile, con sensazioni e risposte simili a quelle dei propri smartphone. Tuttavia, gli MCU non possono fornire gli stessi livelli di esperienza utente. Hanno bisogno di supporto.

Se l'MCU di sistema viene incaricato di occuparsi dell'HMI, una parte della sua potenza di calcolo dovrà essere distolta dal suo compito principale. Come conseguenza ne soffrirebbero le prestazioni complessive. Inoltre, a seguito del rendering dei display e del loro aggiornamento pixel per pixel, per memorizzare tutti i dati grafici servono frame buffer e grande memoria flash. L'aggiunta di questi componenti occupa spazio, va a pesare sulla potenza disponibile e aumenta i costi in distinta base.

Attraverso il suo approccio innovativo orientato agli oggetti, Bridgetek offre la premiata serie di CI di motori video embedded (EVE) destinati a risolvere il gap tecnologico che è venuto a crearsi nel settore HMI. All'interno di ognuno di questi dispositivi sono presenti una potente GPU, un processore di controllo del display, un decoder JPEG, un controller per l'LCD, un processore audio e un processore di funzioni touch. Quando un chip EVE viene abbinato a un qualsiasi MCU standard, l'esperienza utente può trasformarsi in qualcosa di molto simile a quella offerta da uno smartphone di ultima generazione.

Il chip EVE è in grado di snellire i sistemi HMI trattando tutti i necessari contenuti audio e di immagine come più oggetti costituenti con caratteristiche predefinite (cerchi, quadrati, bip, ecc.). Questo significa che invece di dover accedere a tutti i dettagli della grafica o dei suoni che saranno inclusi in quella HMI, a ogni elemento viene assegnato un semplice identificatore. Ciò riduce drasticamente il trasferimento dei dati interessati, diminuendo il carico sull'MCU ed eliminando la necessità di un frame buffer o di una memoria flash di grandi dimensioni. Quando sono necessari oggetti più complessi - come cursori, commutatori, orologi e misuratori - si può ricorrere a una libreria di espansione preprogrammata che li contiene tutti.

Figura 1: Esempi di EVE negli elettrodomestici e nel settore del dettaglio (Immagine per gentile concessione di Bridgetek)

La terza generazione del chip EVE serie BT81X, con la sua funzionalità di compressione adattiva scalabile delle texture (ASTC), vanta potenti capacità di rendering in modalità standalone immediata. Questi chip offrono risoluzioni di visualizzazione fino a 1280 x 720 pixel e dimensioni diagonali dei pannelli fino a 11 pollici, oltre a supportare schermi tattili capacitivi con un massimo di cinque punti di rilevamento tattile. I dispositivi EVE hanno la capacità di dare una nuova vita all'hardware elettronico tradizionale aggiornando drasticamente l'aspetto dell'HMI. Tra le numerose applicazioni che possono beneficiare di questa tecnologia troviamo PoS, elettrodomestici, misuratori di pressione sanguigna, misuratori di potenza, set-top box, strumentazione scientifica, controlli per ascensori, sistemi di sicurezza, controlli industriali, apparecchiature di navigazione GPS, cardiofrequenzimetri, distributori automatici e sistemi domotici. La Figura 1 mostra due esempi in cui viene implementato il chip EVE (in connessione con un'unità MCU su un'interfaccia SPI): a) nell'HMI di una modernissima lavatrice e b) negli scaffali intelligenti di una enoteca specializzata.

Un'altra grande opportunità per l'implementazione di HMI più sofisticate si presenta nel settore automotive. Il dispositivo EVE si sta già imponendo sul mercato dei veicoli elettrici (EV) e degli accessori auto aftermarket. Può essere applicato al quadro strumenti dei cruscotti, alle console di infotainment, agli specchietti retrovisori laterali e centrale, ai fari e alle console di intrattenimento per i sedili posteriori.

Per rendere il viaggio più piacevole per gli occupanti e conferire un più alto grado di personalizzazione, nell'abitacolo delle vetture si stanno moltiplicando i display secondari, ausiliari della console centrale di infotainment. Il loro utilizzo spazia dalla navigazione, all'intrattenimento multimediale e alla connettività. In questo contesto, EVE, quando funge da motore HMI integrato, può essere abbinato a un MCU relativamente economico per sostituire costosi processori per applicazioni, sottosistemi di memoria flash e DRAM. Il risultato è una soluzione semplice e compatta a un prezzo molto più competitivo.

Figura 2: EVE applicato a un quadro strumenti sul cruscotto di una vettura (Immagine per gentile concessione di Bridgetek)

La Figura 2 mostra come la tecnologia EVE sia già in uso nei quadri strumenti e nei cruscotti delle auto. Grazie all'implementazione basata su display, piuttosto che meccanica, viene garantita una maggiore flessibilità di progettazione. Il conducente può facilmente passare tra un'esperienza moderna e una vintage, a seconda delle proprie preferenze. Può scegliere tra una visualizzazione idonea per la modalità di guida standard e quella più adatta alla modalità sportiva. Lo schema dei colori può essere modificato, ad esempio per rispecchiare il gusto personale del conducente.

Figura 3: EVE implementato in un'applicazione di ricarica di una vettura elettrica (Immagine per gentile concessione di Bridgetek)

Le possibilità sono innumerevoli anche nel campo della diagnostica del veicolo. La Figura 3 mostra EVE applicato al cruscotto di un'auto elettrica. Qui un'unità MCU riceve l'input dalle relative centraline per consentire al chip EVE di visualizzare in tempo reale sul display i parametri chiave (come la velocità del veicolo, l'autonomia, i giri del motore, il livello di carica della batteria e la rigenerazione di energia) con un'accattivante forma animata attraverso la funzione di riproduzione video.

Figura 4: Regolazione del sedile di un'automobile (Immagine per gentile concessione di Bridgetek)

La Figura 4 illustra una HMI di regolazione del sedile. Qui EVE gestisce la rappresentazione grafica, il rendering sul display e l'input tattile dell'utente. È possibile configurare le impostazioni preferite, come la posizione della seduta e quella dello schienale, l'altezza dello schienale, ecc. Queste regolazioni possono essere memorizzate e richiamate successivamente quando desiderato.

Per aiutare gli ingegneri che vogliono inserire EVE nei loro progetti, la piattaforma è supportata da una suite di sviluppo completa composta da EVE Screen Designer (ESD), EVE Screen Editor (ESE) ed EVE Asset Builder (EAB). Fornendo il massimo livello di astrazione, ESD presenta agli ingegneri un flusso di lavoro completo che supporta l'intero ciclo di sviluppo di EVE. L'uso della programmazione visuale facilita la rapida costruzione dell'interfaccia uomo-macchina. ESE è un'applicazione per HMI intuitiva per utenti EVE principianti/intermedi. Lo scopo di questo strumento è quello di semplificare la comprensione e l'uso dei comandi EVE. Gli utenti possono costruire un singolo schermo statico trascinando e rilasciando oggetti o digitando direttamente i comandi EVE per istanziare gli oggetti sullo schermo. L'emulatore EVE integrato trasmette l'effetto dei comandi del display esattamente come apparirebbero su uno schermo con le dimensioni e la risoluzione scelte. L'applicazione EAB è progettata per convertire tutte le risorse dell'HMI (come immagini, audio, video, dati dei font, ecc.) in modo che possano essere combinate in un formato compatibile con EVE.

L'ecosistema EVE (con i suoi chip e la toolchain di supporto) offre i mezzi attraverso i quali creare HMI abilitate touch accattivanti, colorate e ricche che possono offrire agli utenti esperienze più soddisfacenti. E tutto ciò può essere realizzato anche senza mettere in specifica un costoso CI come processore per applicazioni. La portata di questa tecnologia viene ora riconosciuta in un ventaglio di settori industriali sempre più ampio ed è confermata dalla crescente diffusione nel campo automotive.