כיצד לשלב נורות LED‏, נייר אלקטרוני זיהוי ותנועות-יד עבור HMIs בהספק נמוך בחיבוריות בארגון

ממשקי אדם-מכונה (HMIs) הם מרכיב חשוב התומך בחיבוריות בארגון עבור אינטרנט תעשייתי של דברים (IIoT) באוטומציה, בקרת תהליכים, ומערכות רכב ורפואה של Industry 4.0‏. HMIs נעים בין משקפי מציאות רבודה למסכי מגע ומחוונים ויזואליים פשוטים. בעוד שמשקפי מציאות רבודה זוכים להרבה כותרות ומסכי מגע מביאים הרבה יכולות, נחוצים מחוונים ופקדים ויזואליים פשוטים, זולים, זעירים ובהספק נמוך עבור מגוון הולך וגדל של התקני קצה.

המתכננים יכולים לשלב צגי מטריצת נקודות LED‏ או נייר אלקטרוני (EPD) עם זיהוי תנועות-יד וחישת קירבה עם אינפרה-אדום (IR), כדי ליישם HMIs עתירי מאפיינים עם צריכת הספק נמוכה ועלות נמוכה בצומתי קצה של IIoT ב Industry 4.0 ועל פני מגוון של יישומים ארגוניים, רפואיים ומכוניות.

מאמר זה פותח בסקירת הפעולה והיכולות של צגי LED ו-EPD אלפאנומריים ומטריצות נקודות, ולאחר מכן מפרט את השימוש ב-ICs של חיישני זווית אור IR בזיהוי תנועות-יד וחישת קירבה. לאחר מכן הוא מציג צגים מייצגים LED של Broadcom‏ ו-Lumex‏, EPD‏ של E Ink‏, פלטפורמת פיתוח EPD של Pervasive Displays‏ ו-IC לחישת IR עבור זיהוי תנועות-יד של Analog Devices‏, ביחד עם פלטפורמות פיתוח להאצת תהליך התכנון והאינטגרציה לטובת ביצועים עיליים, הספק נמוך ו-HMIs‏ זעירים.

צגי LED אלפאנומריים

קיימים צגי LED אלפאנומריים המקבלים כניסות נתונים מקביליות וטוריות ומגוון של מספרי תווים, גדלים ורוחבי תצוגה. כל תו נוצר ממערך פיקסלים של 7‏ x‏ 5‏ - בדרך כלל באמצעות צבע LED יחיד כמו אדום או ירוק. צגים אלו משלבים מערכי תווים כמו תווי American Standard Code for Information Interchange‏ (ASCII‏), מערכי תווים של סקריפט Katakana‏ יפני ISO 15924‏ שניתן לקודד במערך התווים ASCII, כמו גם תווים ספציפיים-למדינה ותווים מותאמים-במיוחד המוגדרים על ידי המשתמש עבור מקרי שימוש מיוחדים (איור 1). ניתן לקרוא צגים אלו באור יום והם חסונים סביבתית.

איור 1‏: מערך תווים ASCII כפי שנוצר באמצעות צג LED אלפאנומרי של 7‏ x‏ 5‏ פיקסלים. (מקור התמונה: Broadcom)

צגי LED‏ ויזואליים

במקום לשמש ליצירת תווים בודדים, צגי מטריצת נקודות LED‏ משתמשים בנורות LED המסודרות בפריסת מטריצה כדי להציג גרפיקה. הם גם יכולים להציג פורמטי טקסט סטנדרטיים ASCII‏, Katakana‏ ואחרים. מבחינת הביצועים, הם נמצאים בין צגי מטריצת נקודות שתוארו לעיל וצגי LED וידאו. הם זמינים במגוון רחב של גדלים ויכולים להיות צגי צבע-יחיד כמו צגים בצבע אדום, ירוק או אדום ירוק כחול (RGB). עם זאת, לרוב יש להם פלטת צבעים מוגבלת יותר וקצב רענון איטי יותר בהשוואה לצגי וידאו (איור 2). נורות ה-LED מסודרות בדרך כלל בתבנית סריג כאשר ההדקים השליליים או החיוביים של הנורות קשורים יחד כצומת מעגל משותף. קיימים צגי LED ויזואליים הפועלים עם ממשקי I2C‏, Bit‏-8‏ מקבילי, טורי וממשקים אחרים. חלקם כוללים יחידת מיקרו-בקר על-הלוח (MCU), ואחרים משתמשים במעבד המערכת.

איור 2: דוגמה של פלטת צבעים עבור צג LED‏ RGB‏. (מקור התמונה: Lumex)

מה זה נייר אלקטרוני ואיך זה עובד?

בעוד שנורות LED לבן דורשות זרם דחיפה רצוף כדי להישאר דולקות, נייר אלקטרוני היא טכנולוגיה דו-יציבה שאינה דורשת דחיפה רצופה ויכולה להיות בהספק נמוך ביותר. כאשר הספק נמוך הוא בראש סדר העדיפויות, קצבי הרענון נמוכים ואין צורך בצבעים מלאים, צגי נייר אלקטרוני (EPDs) יכולים לספק חלופה בת-קיימא לצגי LED וצגי גביש נוזלי (LCD). נדרש מעט מאוד הספק כדי להציג תמונה ב-EPD; לאחר עיבוד התמונה, אין צורך בהספק כדי לשמור עליה. ל-EPDs‏ יש ניגודיות כמו דיו ונייר. בעוד שרובם הם שחור ולבן, חלקם מוסיפים צבע נוסף, כמו אדום.

ה-EPDs‏ משלבים טכנולוגיית טרנזיסטור פילם-דק (TFT) עם שכבה של דיו אלקטרוני. הדיו מורכב ממיליוני קפסולות זעירות המכילות חלקיקי פיגמנט טעונים חשמלית. הדיו נמצא בין שתי אלקטרודות (איור 3). הפעלת הדחיפה הדרושה על מטריצת ה-TFT גורמת לחלקיקי הפיגמנט ליצור תמונה מפורטת. לאחר שחלקיקי הפיגמנט הועברו למקומם, הם נשארים שם ללא הפעלת הספק. דחיפת EPDs‏ עשויה להיות מעט מורכבת. הלמינאט של הפאנל הקדמי (FPL) משתנה מעט מאצווה לאצווה, ולכן נדרש כיוונון ידני של צורת-גל הדחיפה. בנוסף, ניתן לדרוש צורות גל שונות של הדחיפה תחת טמפרטורות פעולה שונות.

איור 3‏ דיו אלקטרוני מורכב ממיליוני קפסולות זעירות המכילות חלקיקי פיגמנט טעונים חשמלית הממוקמות בין שתי אלקטרודות. (מקור התמונה: Pervasive Displays)

זיהוי תנועות-יד

צגי LED ו-EPD יכולים לספק מידע למשתמשי ומפעילי מערכות. אך זה רק חצי מהתקנת HMI שלמה. משתמשים ומפעילים זקוקים גם ליכולת לספק כניסות ואותות בקרה למערכת. בכמה יישומים, חישת קירבה מתריעה למערכת על נוכחות של מפעיל, והצג נדלק אוטומטית כדי לספק פרטי סטטוס. בעוד שזה שימושי עבור שליחת פרטי סטטוס, זה לא מספק מנגנון לשליחת כניסות ופקודות לציוד. שימוש במקלדות, מתגים ומנגנונים מסורתיים אחרים יכול להיות אופציה אך עלול ליצור פתרונות צמאי-הספק גדולים יחסית. במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות לממשקי זיהוי תנועות-יד עבור חיישני קירבה כדי לגלות ולתרגם תנועות יד ותבניות לפקודות. זיהוי תנועות-יד יכול להיות שימושי במיוחד עבור סביבות רועשות, שבהן רעשי הרקע והסביבה מקשים על השימוש בזיהוי קולי. נדרשות שלוש פעילויות כדי לממש זיהוי תנועות-יד בסיסי:

• זיהוי ההתחלה והסוף של תנועת-יד
• מעקב אחר תנועת היד
• שימוש במידע משני השלבים הראשונים כדי להבין את תנועת-היד

פלטפורמת פיתוח לזיהוי תנועות-יד

כדי לפתח מערכת זיהוי תנועות-יד, המתכננים יכולים לפנות אל תכן הייחוס EVAL-CN0569-PMDZ‏ של Analog Devices המבוסס על חיישן זווית אור IR‏ ADPD2140‏. המעגל פולט רכבת פולסים IR, והחיישן קולט את האור המוחזר. התכן תומך בחישת תנועות-יד במרחק של עד כ-20 ס"מ (ס"מ) מהלוח. קצב הדגימה של עד 512 דגימות לשנייה מאפשר למתכננים לכוונן את דחיית הרעש ואת זמן התגובה כך שיתאימו בצורה הטובה ביותר עבור היישום והסביבה. ראוי לציין גם שה-ADPD2140 אינו דורש יישור מדויק; לחיישן שלו יש תגובה לינארית בתוך שדה ראייה זוויתי של ±35° (איור 4). המסנן האופטי המשולב במארז ADPD2140 מספק חיתוך חד של האור הנראה, ומפשט עוד יותר את תכן המערכת הודות לביטול הצורך בעדשות חיצוניות או מסננים תוך שמירה על התחום הדינמי של החיישן תחת תאורת פנים בהירה או אור שמש.

איור 4‏: לחיישן זווית אור IR‏ ADPD2140‏ יש תגובה לינארית בתוך שדה ראייה זוויתי של ±35°‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

צגי LED אלפאנומריים

יישומים הזקוקים לצגי LED אלפאנומריים בהירים וחסונים יכולים לפנות לתכנים עם ממשקים מקביליים או ממשקים טוריים של Broadcom. הצגים עם ממשקים מקביליים זמינים עם 4 או 8 תווים (איור 5). הם זמינים במספר סגנונות מארזים, צבעים וגדלים, כגון HDSP-2533‏ של 8 תווים, 5 מילימטר (מ"מ) עם נורות LED ירוק ו-4 תווים, ו-HDLU-1414‏ 3.7 מ"מ עם נורות LED אדום בנצילות גבוהה, שניהם במארזי פלסטיק. או HDSP-2131‏ עם 8 תווים, 5 מ"מ, עם נורות LED צהוב במארז חסון של זכוכית/קרמיקה. כולם כוללים דוחף ASIC משולב המפשט את מאמץ התכנון. המאפיינים של צגי ממשק מקבילי אלה כוללים:

• שבעה עד שמונה קווי אפיק עבור נתונים
• מפת תווים עם 128 ASCII ושישה עשר תווים הניתנים להגדרה על ידי המשתמש המאוחסנים ב-ROM ניתן-לתכנות
• הדלקה והבהוב של תווים בודדים או של כל התווים
• פונקציית גלילה
• שמונה רמות בהירות
• ניתנים-לגיבוב בכיווני x ו-y עבור צורכי צגים גדולים יותר

איור 5: צגי LED אלפאנומריים עם ממשקים מקביליים זמינים עם 4 או 8 תווים. (מקור התמונה: DigiKey)

Broadcom מציעה צגי LED אלפאנומריים בממשק טורי עם 4, 8 ו-16 תווים כמו HCMS-3977‏ עם 8 תווים, 5 מ"מ ירוק ו-HCMS-2912‏ עם 8 תווים, 3.8 מ"מ אדום, שניהם במארזי פלסטיק, ו-HCMS-2333‏ עם 4 תווים, 0.2 אינץ' צהוב-ירוק במארז זכוכית/קרמיקה עם תחום טמפרטורות מורחב. המאפיינים של צגי LED אלה עם ממשק טורי כוללים:

• 128 ASCII‏, סקריפט Katakana יפני ISO 15924 ופונטים מותאמים-במיוחד
• ממשק טורי התומך בצגים עם מספר תווים גבוה עם קווי נתונים מינימליים
• יכול להתממשק ישירות עם מיקרו-בקרים כדי לפשט את תכן המערכת
• אופן שינה כאשר הציוד באופן המתנה
• 64 רמות בהירות
• ניתנים-לגיבוב בכיווני x ו-y עבור צגים עם מספר תווים גדול

צגי מטריצת נקודות LED‏

כאשר היישום דורש צג LED ויזואלי עבור מידע מורכב יותר, המתכננים יכולים להשתמש ב-LDM-6432-P3-UR-1‏ של Lumex Opto. צג RGB זה של 32‏ x‏ 64‏ פיקסלים הוא בעל פסיעת LED של 3 מ"מ (איור 6). צג זה כולל ממשק UART, שקע הספקת-כוח USB בתוספת מגן זרםA‏ 1.5‏ ומודול BLE 4.0‏. המפתחים יכולים להשתמש במחשב אישי כדי לפתח את תוכנת התצוגה. המאפיינים כוללים:

• יכול לטפל בפקודות HEX או Arduino AT
• פונטים מובנים וצורות בסיסיות
• יכול לפעול באופני תווים מעורבים וגרפיקה
• ניתן לגבב מספר מודולי תצוגה עבור צגים גדולים יותר
• ניתן לשילוב עם כל מיקרו-בקר
• אין צורך במנהל-התקן או בספרייה
• יכול להציג אנימציה
• שפות שונות זמינות על פי דרישה

איור 6‏: צג LED‏ RGB‏ זה עם 32‏ x‏ 64‏ פיקסלים יכול לשמש להצגת מידע מורכב יותר. (מקור התמונה: Lumex Opto)

צג נייר אלקטרוני ולוח פיתוח

יישומים היכולים להפיק תועלת מ-EPD יכולים להשתמש ב-ED078KC2‏ של E Ink‏. זהו מודול EPD אלקטרו-פורטי רפלקטיבי על מצע TFT של מטריצה אקטיבית. יש לו 1404 x‏ 1872 פיקסלים באזור אקטיבי של 7.8 אינץ'. בתול בבקר, EPD זה יכול להציג עד 16 רמות אפור (איור 7).

Pervasive Displays מציעה את לוחות ההרחבה EPD‏ B3000MS044‏, ext3‏, ואת B3000MS037‏, ext3 giant, כדי לשלב EPD זה בתוך מערכות. ערכת ext3‏ הבסיסית יכולה לדחוף EPDs בגודל 1.54 אינץ' עד 12 אינץ'. עבור EPDs גדולים, מ-9.7 אינץ' ו-12 אינץ', יש צורך גם ב-ext3 giant‏. לפלטפורמת פיתוח זו יש מעגל דחיפה על-הלוח כדי לפשט את הפיתוח של יישומי EPD. בנוסף, Pervasive Displays מציעה אפשרויות הרחבה, מספר קודי דחיפה בקוד פתוח, משאבי תכנון וספריות פיתוח עבור יכולות גרפיות ואינטראקטיביות.

איור 7‏: ל-EPD‏ דו-יציב זה יש 1404 x‏ 1872 פיקסלים באזור אקטיבי של 7.8 אינץ' עם צריכת הספק נמוכה ביותר. (מקור התמונה: DigiKey)

סיכום

התקני קצה IIoT הדורשים HMI יכולים להפיק תועלת ממגוון של טכנולוגיות קומפקטיות ובהספק נמוך. זיהוי תנועות-יד מעניק דרך למתן פקודות ובקרות גם בסביבות מאתגרות. צגי LED אלפאנומריים הם חסונים, ניתן לראות בהם בסביבות מוארות וניתן לגבב אותם כדי לתמוך בצורכי הצגת מידע גדול יותר. צגי מטריצת נקודות LED‏ ו-EPDs‏ יכולים להציג מידע מורכב יותר. מטריצות נקודות LED יכולות להציג תצוגת צבע RGB ואנימציות, בעוד ש-EPDs יכולים לשמש עבור צגים בגווני אפור בעלי ניגודיות גבוהה הדורשים מעט מאוד הספק.