Industrielle kontrollpaneler er mekaniske lekeplasser, med brytere og knapper, lineære eller roterende potensiometre drevet av hjul og glidere. Siden de er mekaniske, kan de bli kilder til problemer, fra loddeforbindelser til bevegelige deler. Bygget for et spesifikt sett med kontrolloppgaver, er det vanskelig, om ikke umulig, å rekonfigurere brettet for noe annet. De er ikke enkle å lære å bruke, og for komplekse operasjoner er de ofte ledsaget av skjermer for å vise enhetens status.
I dag er disse en døende rase. I stedet er nye enheter fullstendig solid-state; de bruker touchpads på skjermer drevet av GUIer (Graphical User Interfaces). Ved å endre skjermbildet lenker områder over berøringspanelet visuelt til forskjellige funksjoner. Dette betyr at systemet ikke bare kan rekonfigureres, men også veilede brukere gjennom operasjoner-kanskje under oppstart eller avslutning, eller når det oppstår uregelmessigheter. Selv om denne tilnærmingen tilbyr et mer robust, enklere-å-rengjøre grensesnitt med bredere miljøtoleranse, har det en pris: programvare, ofte kompleks programvare.
Naturligvis styres de ulike enhetene som styres av skjermen selv av prosessorer og programvare. Individuelle maskiner kommuniserer med hverandre og med den overordnede systemkontrolleren via en eller annen form for buss, for eksempel CAN eller Industrial Ethernet. Robuste sanntidskontrollelementer er ofte påkrevd, og applikasjoner kan være sikkerhetskritiske-. Følgelig må hele systemarkitekturen utformes for å isolere berøringsskjermkontrolleren og GUI fra de generelle systemdataene, bortsett fra gjennom sikkert definerte grensesnitt. Dette sikrer at eventuelle problemer med GUI-programvaren ikke kompromitterer sikkerheten til hele systemet eller individuelle enheter.
Denne isolasjonen kan oppstå ved å kjøre alle GUI- og berøringsskjermaktiviteter på en separat prosessor som kjører et generelt-operativsystem, mens du kontrollerer aktiviteter som kjøres på et sanntidsoperativsystem på sin egen prosessor. Prosessorene kan være fysisk uavhengige enheter, uavhengige kjerner på en enkelt brikke, eller virtuelle kjerner laget av virtualiseringsprogramvare.
I denne artikkelen, mens vi skal undersøke fysisk uavhengige kontrollere, gjelder det meste av diskusjonen også for berøringsskjermkontrollere som kjører i virtuelle kjerner.
Figur 1: Berøringsskjermkontroll i et industrielt HMI-miljø. I dette scenariet ser det ut til at den samme MCU/MPU kjører to enheter: en koblet til PLS-en via CAN-buss, og den andre som betjener berøringsskjermgrensesnittet.
Skjermteknologi
Mens flere berøringsskjermteknologier eksisterer, er kapasitive og resistive teknologier de to mest utbredte og dominerende på markedet.
Resistive skjermer består vanligvis av to lag med glass eller plast atskilt med en luftspalte. Det ene laget har horisontale ledende ledninger, mens det andre har vertikale ledninger. Trykk som påføres topplaget forbinder disse ledningene, og gir XY-koordinater. Selv om spesifikke implementeringsdetaljer varierer, kobles skjermen vanligvis til en kontroller via fire porter.
Kapasitive sensingskjermer bruker forskjellige detaljerte teknikker, men er avhengige av ledende stoffer (som fingre) for å endre kapasitansen til skjermområdet, og oppdager deretter denne endringen som XY-koordinater. Kapasitiv sensing har begrensninger i industrielle applikasjoner: hvis fingrene er inne i hansker, spesielt tunge arbeidshansker, kan det være utilstrekkelig endring av kapasitansen for å måle, og miljøfaktorer som RF-utslipp kan påvirke kapasitansen. Begge teknologiene støtter multi-berøringsinndata-for eksempel, to fingre som spres fra hverandre eller kniper sammen for å zoome inn eller ut på GUI-elementer.
Skjermstørrelsene varierer betydelig. I den ene enden av spekteret er store 32-tommers skjermer fra produsenter som 3M; på den andre skjermer så små som 3,5" diagonal (2,83" x 2,07").
GUI
Berøringsskjermen viser en form for GUI. Dette kan være et generisk grensesnitt, for eksempel en versjon av Windows, eller det kan være et grensesnitt spesielt generert for applikasjonen. Det er klart at mengden minne som er tilgjengelig i kontrolleren vil være en vesentlig faktor for valg av grensesnitt. Andre faktorer inkluderer kompleksiteten til den nødvendige skjermen, kostnadsbegrensninger og størrelsen på skjermen.
Kvaliteten på de viste bildene blir ikke alltid grundig utforsket. Å velge noen få symboler eller ikoner fra et bibliotek og plassere dem på skjermen er sjelden tilstrekkelig. Det finnes betydelig forskning på grensesnittdesign, og en gruppe innen ISA (International Society of Automation) ser ut til å jobbe med ISA101-standarden.
Figur 3: Atmel inkorporerer dedikerte berøringsskjermgrensesnitt i mange av sine prosessorer, med noen som også har QTouch-anskaffelse av maskinvare som et dedikert perifert grensesnitt.Mikrokontrollere
Mange mikrokontrollerprodusenter tilbyr nå støtte for berøringsføling, selv om disse vanligvis er rettet mot håndholdte og bærbare enheter. I industrisektoren har Atmel vært en nøkkelaktør, spesielt etter oppkjøpet av Quantum Research, en produsent av berøringsfølsomme-enheter-spesifikt glidere, hjul og knapper. Utover sine omfattende AT42QT dedikerte berøringsskjermkontrollere, utviklet selskapet QTouch berøringsskjermkontrollprogramvarebiblioteket for mikrokontrollere og la til en "berøringskanal" for grensesnitt mellom berøringsskjermer med en rekke prosessorfamilier, inkludert AVR UC3 og AT Mega og X Mega-seriene, samt LCD-kontrollere. Noen modeller, for eksempel enkelte medlemmer av tinyAVR-serien, har også QTouch-anskaffelse av maskinvare. Disse mikrokontrollerne støttes av en rekke utviklings- og evalueringssett.
Texas Instruments (TI) har utviklet en serie berøringsskjermapplikasjoner "Smart Display Modules" basert på ARM Cortex-M3 Stellaris-prosessoren. Disse fungerer som referansedesign og støttes av skjemaer, stykklister, Gerber-filer for PCB-layout og eksempelapplikasjoner. Videre vil TI ekspandere utenfor dette omfanget og tilby modulene for volumsalg, noe som forenkler produksjonen for spesifikke applikasjoner. Tre modeller er tilgjengelige, alle rettet mot industrielle applikasjoner med temperatur-herdede prosessorer. Alternativene inkluderer Power over Ethernet og Gigabit Ethernet, som hver har en 2,8--tommers skjerm med et større 3,5-tommers skjermalternativ. Disse produktene støttes av Stellaris programvare og grafikkbiblioteker, sammen med det bredere økosystemet rundt Cortex-M3.
Infineon har introdusert en berøringskontroller-som et av de perifere grensesnittene for XC82x og XC83x 8-bits mikrokontrollere. Kontrolleren er først og fremst designet for enkle LED-knapper, skyveknapper eller hjulpaneler, og deler skjermgrensesnittet med LED-matrisekontrolleren via tidsdelt multipleksing.
Microchip har utviklet "Metal Cap" kapasitiv sensorteknologi. Denne teknologien plasserer et frontpanel (som kan være rustfritt stål, aluminium eller andre egnede materialer) på et PCB, med en liten luftspalte mellom dem. Symbolene på den øvre overflaten representerer sensorer på kretskortet. Trykk får toppflaten til å bøye seg, endre gapet mellom panelet og sensorene, og dermed endre kapasitansen. Avhengig av applikasjonen kan kontrollprogramvare skille mellom myke og harde berøringer. Metal Cap er spesielt relevant for industrielle miljøer som krever enkel veksling, og mTouch-programvarebiblioteket støtter kapasitiv berøring. Mange 8-biters, 16-biters og 32-biters medlemmer av PIC-mikrokontrollerfamilien støtter denne funksjonen. Den er kombinert med skjermkontroll, CAN-buss-grensesnitt og USB-grensesnitt i enkelte produkter. For å støtte denne applikasjonen tilbyr vi en rekke utviklings- og evalueringssett.
Figur 4: Microchips "metall-dekkede" sensor bruker et metallpanel som deformeres for å endre kapasitansen.
De aller fleste mikrokontrollerprodukter for berøringsskjermkontroll brukes i bærbare og håndholdte enheter. Mange mikrokontrollerleverandører har utviklet berøringsskjermkontrollbiblioteker som kjører på standardproduktene deres, og kommuniserer med kontrollere gjennom standard I/O-kanaler (GPIO) for generelle-formål. Selv om disse bibliotekene kan brukes i industrielle kontrollapplikasjoner, tåler kanskje ikke prosessorene som kjører dem de tøffe forholdene som vanligvis er forbundet med industrielle miljøer. Dette gjelder spesielt når mikrokontrollerdesignere prioriterer lavt strømforbruk-ikke overraskende for bærbare enheter der batterilevetiden fortsatt er et hovedproblem.
Berøringsskjermgrensesnitt vil spille en stadig viktigere rolle i industriell automatisering på grunn av deres iboende robusthet og evne til å motstå de harde realitetene i produksjonsmiljøer. Men selv om det tilsynelatende er enkelt å distribuere, må designere være nøye med grensesnittdesign og forholdet mellom grensesnittprogramvare og programvare som kjører sikkerhetskritiske-applikasjoner for at de skal fungere effektivt.