Industriële bedieningspanelen zijn mechanische speeltuinen, met schakelaars en knoppen, lineaire of roterende potentiometers aangedreven door wielen en schuifregelaars. Omdat ze mechanisch zijn, kunnen ze een bron van problemen worden, van soldeerverbindingen tot bewegende delen. Gebouwd voor een specifieke reeks besturingstaken, is het opnieuw configureren van het bord voor iets anders moeilijk, zo niet onmogelijk. Ze zijn niet gemakkelijk te leren gebruiken en bij complexe handelingen gaan ze vaak gepaard met schermen waarop de status van het apparaat wordt weergegeven.
Tegenwoordig zijn dit een uitstervend ras. In plaats daarvan zijn nieuwe apparaten volledig solid-state; ze gebruiken touchpads op beeldschermen die worden aangestuurd door GUI's (grafische gebruikersinterfaces). Door het schermbeeld te veranderen, worden gebieden boven het aanraakpaneel visueel gekoppeld aan verschillende functies. Dit betekent dat het systeem niet alleen opnieuw kan worden geconfigureerd, maar gebruikers ook door handelingen kan leiden-misschien tijdens het opstarten of afsluiten, of wanneer zich afwijkingen voordoen. Hoewel deze aanpak een robuustere, gemakkelijker-te-schoonmaakbare interface biedt met een bredere omgevingstolerantie, brengt deze ook kosten met zich mee: software, vaak complexe software.
Uiteraard worden de verschillende apparaten die door het scherm worden aangestuurd, zelf beheerd door processors en software. Individuele machines communiceren met elkaar en met de algehele systeemcontroller via een soort bus, zoals CAN of Industrial Ethernet. Er zijn vaak robuuste real{2}}besturingselementen vereist, en toepassingen kunnen van cruciaal belang zijn voor de veiligheid-. Bijgevolg moet de gehele systeemarchitectuur zo worden ontworpen dat de touchscreencontroller en GUI worden geïsoleerd van de algehele systeemgegevens, behalve via veilig gedefinieerde interfaces. Dit zorgt ervoor dat eventuele problemen met de GUI-software de veiligheid van het hele systeem of individuele apparaten niet in gevaar brengen.
Deze isolatie kan voortkomen uit het uitvoeren van alle GUI- en touchscreen-activiteiten op een afzonderlijke processor met een besturingssysteem voor algemene- doeleinden, terwijl de controle van activiteiten die worden uitgevoerd op een realtime- besturingssysteem op zijn eigen processor plaatsvindt. De processors kunnen fysiek onafhankelijke apparaten zijn, onafhankelijke kernen op een enkele chip of virtuele kernen die zijn gemaakt door virtualisatiesoftware.
Hoewel we in dit artikel fysiek onafhankelijke controllers zullen onderzoeken, is het grootste deel van de discussie ook van toepassing op touchscreencontrollers die binnen virtuele kernen draaien.
Figuur 1: Touchscreenbediening in een industriële HMI-omgeving. In dit scenario lijkt dezelfde MCU/MPU twee apparaten aan te sturen: één aangesloten op de PLC via CAN-bus en de andere die de touchscreen-interface bedient.
Schermtechnologie
Hoewel er meerdere touchscreen-technologieën bestaan, zijn capacitieve en resistieve technologieën de twee meest voorkomende en dominante op de markt.
Resistieve schermen bestaan doorgaans uit twee lagen glas of plastic, gescheiden door een luchtspleet. Eén laag is voorzien van horizontale geleidende draden, terwijl de andere laag verticale draden heeft. Druk uitgeoefend op de bovenste laag verbindt deze draden en levert XY-coördinaten op. Hoewel specifieke implementatiedetails variëren, wordt het scherm meestal via vier poorten op een controller aangesloten.
Capacitieve detectieschermen maken gebruik van verschillende gedetailleerde technieken, maar vertrouwen op geleidende stoffen (zoals vingers) om de capaciteit van het schermgebied te veranderen en deze verandering vervolgens te detecteren als XY-coördinaten. Capacitieve detectie heeft beperkingen in industriële toepassingen: als de vingers in handschoenen zitten, vooral bij zware werkhandschoenen, is er mogelijk onvoldoende capaciteitsverandering om te meten, en kunnen omgevingsfactoren zoals RF-emissies de capaciteit beïnvloeden. Beide technologieën ondersteunen multi{2}}aanraakinvoer-, bijvoorbeeld twee vingers die uit elkaar spreiden of samenknijpen om in of uit te zoomen op GUI-elementen.
Schermgroottes variëren aanzienlijk. Aan de ene kant van het spectrum bevinden zich grote 32-inch beeldschermen van fabrikanten als 3M; aan de andere kant schermen zo klein als 3,5 inch diagonaal (2,83 x 2,07 inch).
GUI
Het touchscreen geeft een vorm van GUI weer. Dit kan een generieke interface zijn, zoals een versie van Windows, of een interface die specifiek voor de applicatie is gegenereerd. Het is duidelijk dat de hoeveelheid geheugen die beschikbaar is in de controller een belangrijke factor zal zijn bij het selecteren van de interface. Andere factoren zijn onder meer de complexiteit van het vereiste beeldscherm, kostenbeperkingen en de grootte van het beeldscherm.
De kwaliteit van de weergegeven beelden wordt niet altijd grondig onderzocht. Het selecteren van enkele symbolen of iconen uit een bibliotheek en deze op het scherm plaatsen is zelden voldoende. Er bestaat veel onderzoek naar interface-ontwerp en een groep binnen de ISA (International Society of Automation) lijkt te werken aan de ISA101-standaard.
Figuur 3: Atmel integreert speciale touchscreen-interfaces in veel van zijn processors, waarbij sommige ook beschikken over hardware-QTouch-acquisitie als een speciale randinterface.Microcontrollers
Veel fabrikanten van microcontrollers bieden nu ondersteuning voor aanraakdetectie, hoewel deze doorgaans gericht zijn op draagbare en draagbare apparaten. In de industriële sector is Atmel een belangrijke speler geweest, vooral na de overname van Quantum Research, een fabrikant van aanraak-gevoelige apparaten-met name sliders, wieltjes en knoppen. Naast de uitgebreide AT42QT speciale touchscreencontrollers, ontwikkelde het bedrijf de QTouch touchscreen-softwarebibliotheek voor microcontrollers en voegde een 'aanraakkanaal' toe voor de interface van touchscreens met talrijke processorfamilies, waaronder AVR UC3 en AT Mega- en X Mega-series, evenals LCD-controllers. Sommige modellen, zoals bepaalde leden van de tinyAVR-serie, bevatten ook hardware QTouch-acquisitie. Deze microcontrollers worden ondersteund door een verscheidenheid aan ontwikkelings- en evaluatiekits.
Texas Instruments (TI) heeft een reeks touchscreen-applicaties "Smart Display Modules" ontwikkeld, gebaseerd op de ARM Cortex-M3 Stellaris-processor. Deze dienen als referentieontwerpen en worden ondersteund door schema's, stuklijsten, Gerber-bestanden voor PCB-lay-out en voorbeeldtoepassingen. Bovendien zal TI verder gaan dan deze reikwijdte en modules aanbieden voor volumeverkoop, waardoor de productie voor specifieke toepassingen wordt vereenvoudigd. Er zijn drie modellen beschikbaar, allemaal gericht op industriële toepassingen met temperatuur-geharde processors. Opties zijn onder meer Power over Ethernet en Gigabit Ethernet, elk met een 2,8-inch scherm met een grotere 3,5-inch schermoptie. Deze producten worden ondersteund door Stellaris-software en grafische bibliotheken, samen met het bredere ecosysteem rondom de Cortex-M3.
Infineon heeft een aanraakgevoelige controller- geïntroduceerd als een van de randinterfaces voor zijn XC82x en XC83x 8-bit microcontrollers. De controller is in de eerste plaats ontworpen voor eenvoudige LED-knoppen, schuifregelaars of wielpanelen, waarbij de scherminterface wordt gedeeld met de LED-matrixcontroller via tijdverdelingsmultiplexing.
Microchip heeft capacitieve detectietechnologie "Metal Cap" ontwikkeld. Deze technologie plaatst een frontpaneel (dat van roestvrij staal, aluminium of andere geschikte materialen kan zijn) op een printplaat, met een kleine luchtspleet ertussen. De symbolen op het bovenoppervlak vertegenwoordigen sensoren op de printplaat. Druk zorgt ervoor dat het bovenoppervlak afbuigt, waardoor de opening tussen het paneel en de sensoren verandert, waardoor de capaciteit verandert. Afhankelijk van de toepassing kan besturingssoftware onderscheid maken tussen zachte en harde aanrakingen. Metal Cap is met name relevant voor industriële omgevingen die eenvoudig schakelen vereisen, en de mTouch-softwarebibliotheek ondersteunt capacitieve aanraking. Veel 8-bits, 16-bits en 32-bits leden van de PIC-microcontrollerfamilie ondersteunen deze functie. Bij bepaalde producten wordt het gecombineerd met displaybediening, CAN-businterfaces en USB-interfaces. Ter ondersteuning van deze toepassing bieden wij een reeks ontwikkelings- en evaluatiekits aan.
Figuur 4: De met metaal-bedekte" sensor van Microchip maakt gebruik van een metalen paneel dat vervormt om de capaciteit te veranderen.
De overgrote meerderheid van microcontrollerproducten voor touchscreenbediening wordt gebruikt in draagbare en draagbare apparaten. Veel leveranciers van microcontrollers hebben touchscreen-bedieningsbibliotheken ontwikkeld die op hun standaardproducten draaien en met controllers communiceren via standaard algemene- I/O-kanalen (GPIO). Hoewel deze bibliotheken kunnen worden gebruikt in industriële besturingstoepassingen, zijn de processors die deze gebruiken mogelijk niet bestand tegen de zware omstandigheden die doorgaans in industriële omgevingen voorkomen. Dit geldt met name wanneer ontwerpers van microcontrollers prioriteit geven aan een laag stroomverbruik,-wat niet verrassend is voor draagbare apparaten waarbij de levensduur van de batterij een eerste zorg blijft.
Touchscreen-interfaces zullen een steeds belangrijker rol spelen in de industriële automatisering vanwege hun inherente robuustheid en het vermogen om de harde realiteit van productieomgevingen te weerstaan. Hoewel het ogenschijnlijk eenvoudig te implementeren is, moeten ontwerpers echter veel aandacht besteden aan het interface-ontwerp en de relatie tussen interfacesoftware en software die veiligheids-kritische applicaties uitvoert, zodat deze effectief kunnen functioneren.