Οι βιομηχανικοί πίνακες ελέγχου είναι μηχανικές παιδικές χαρές, με διακόπτες και κουμπιά, γραμμικά ή περιστροφικά ποτενσιόμετρα που κινούνται από τροχούς και ολισθητήρες. Επειδή είναι μηχανικά, μπορούν να γίνουν πηγές προβλημάτων, από συγκολλήσεις έως κινούμενα μέρη. Σχεδιασμένο για ένα συγκεκριμένο σύνολο εργασιών ελέγχου, η αναδιαμόρφωση της πλακέτας για οτιδήποτε άλλο είναι δύσκολη, αν όχι αδύνατη. Δεν είναι εύκολο να μάθετε πώς να τα χρησιμοποιείτε και για πολύπλοκες λειτουργίες, συχνά συνοδεύονται από οθόνες για την εμφάνιση της κατάστασης της συσκευής.
Σήμερα, αυτά είναι μια ετοιμοθάνατη φυλή. Αντίθετα, οι νέες συσκευές είναι εντελώς σταθερά-. χρησιμοποιούν επιφάνειες αφής σε οθόνες που οδηγούνται από GUI (γραφικά περιβάλλοντα χρήστη). Με την αλλαγή της εικόνας της οθόνης, οι περιοχές πάνω από την οθόνη αφής συνδέονται οπτικά με διαφορετικές λειτουργίες. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα όχι μόνο μπορεί να αναδιαμορφωθεί αλλά και να καθοδηγήσει τους χρήστες σε λειτουργίες-ίσως κατά την εκκίνηση ή τον τερματισμό λειτουργίας ή όταν συμβαίνουν ανωμαλίες. Παρόλο που αυτή η προσέγγιση προσφέρει μια πιο στιβαρή,-α-ακαθαριστή διεπαφή με ευρύτερη περιβαλλοντική ανοχή, έχει ένα κόστος: λογισμικό, συχνά πολύπλοκο λογισμικό.
Φυσικά, οι διάφορες συσκευές που ελέγχονται από την οθόνη διαχειρίζονται οι ίδιες από επεξεργαστές και λογισμικό. Τα μεμονωμένα μηχανήματα επικοινωνούν μεταξύ τους και με τον συνολικό ελεγκτή συστήματος μέσω κάποιας μορφής διαύλου, όπως το CAN ή το Industrial Ethernet. Συχνά απαιτούνται ισχυρά στοιχεία ελέγχου πραγματικού χρόνου και οι εφαρμογές μπορεί να είναι κρίσιμες για την ασφάλεια-. Συνεπώς, ολόκληρη η αρχιτεκτονική του συστήματος πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να απομονώνει τον ελεγκτή της οθόνης αφής και το γραφικό περιβάλλον εργασίας από τα συνολικά δεδομένα του συστήματος, εκτός από ασφαλώς καθορισμένες διεπαφές. Αυτό διασφαλίζει ότι τυχόν προβλήματα με το λογισμικό GUI δεν θέτουν σε κίνδυνο την ασφάλεια ολόκληρου του συστήματος ή μεμονωμένων συσκευών.
Αυτή η απομόνωση μπορεί να προκύψει από την εκτέλεση όλων των δραστηριοτήτων GUI και οθόνης αφής σε έναν ξεχωριστό επεξεργαστή που εκτελεί ένα{{0}λειτουργικό σύστημα γενικής χρήσης, ενώ ο έλεγχος των δραστηριοτήτων που εκτελούνται σε ένα λειτουργικό-πραγματικό χρόνο στον δικό του επεξεργαστή. Οι επεξεργαστές μπορεί να είναι φυσικά ανεξάρτητες συσκευές, ανεξάρτητοι πυρήνες σε ένα μόνο τσιπ ή εικονικοί πυρήνες που δημιουργούνται από λογισμικό εικονικοποίησης.
Σε αυτό το άρθρο, ενώ θα εξετάσουμε φυσικά ανεξάρτητους ελεγκτές, το μεγαλύτερο μέρος της συζήτησης ισχύει επίσης για ελεγκτές οθόνης αφής που εκτελούνται σε εικονικούς πυρήνες.
Εικόνα 1: Έλεγχος οθόνης αφής σε βιομηχανικό περιβάλλον HMI. Σε αυτό το σενάριο, το ίδιο MCU/MPU φαίνεται να εκτελεί δύο συσκευές: η μία είναι συνδεδεμένη στο PLC μέσω διαύλου CAN και η άλλη λειτουργεί με τη διεπαφή της οθόνης αφής.
Τεχνολογία οθόνης
Ενώ υπάρχουν πολλαπλές τεχνολογίες οθονών αφής, οι χωρητικές τεχνολογίες και οι τεχνολογίες αντίστασης είναι οι δύο πιο διαδεδομένες και κυρίαρχες στην αγορά.
Οι αντιστάσεις αποτελούνται συνήθως από δύο στρώματα γυαλιού ή πλαστικού που χωρίζονται από ένα διάκενο αέρα. Το ένα στρώμα διαθέτει οριζόντια αγώγιμα σύρματα, ενώ το άλλο έχει κάθετα σύρματα. Η πίεση που εφαρμόζεται στο επάνω στρώμα συνδέει αυτά τα καλώδια, παρέχοντας συντεταγμένες XY. Αν και οι συγκεκριμένες λεπτομέρειες υλοποίησης ποικίλλουν, η οθόνη συνήθως συνδέεται με έναν ελεγκτή μέσω τεσσάρων θυρών.
Οι χωρητικές οθόνες ανίχνευσης χρησιμοποιούν διάφορες λεπτομερείς τεχνικές, αλλά βασίζονται σε αγώγιμες ουσίες (όπως τα δάχτυλα) για να αλλάξουν την χωρητικότητα της περιοχής της οθόνης και, στη συνέχεια, ανιχνεύουν αυτή την αλλαγή ως συντεταγμένες XY. Η χωρητική ανίχνευση έχει περιορισμούς στις βιομηχανικές εφαρμογές: εάν τα δάχτυλα βρίσκονται μέσα στα γάντια, ειδικά στα βαριά γάντια εργασίας, μπορεί να υπάρξει ανεπαρκής αλλαγή χωρητικότητας για μέτρηση και περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως οι εκπομπές ραδιοσυχνοτήτων μπορεί να επηρεάσουν την χωρητικότητα. Και οι δύο τεχνολογίες υποστηρίζουν πολλαπλή-εισαγωγή αφής-για παράδειγμα, δύο δάχτυλα που απλώνονται ή τσιμπούν μεταξύ τους για μεγέθυνση ή σμίκρυνση σε στοιχεία GUI.
Τα μεγέθη οθόνης ποικίλλουν σημαντικά. Στο ένα άκρο του φάσματος υπάρχουν μεγάλες οθόνες 32 ιντσών από κατασκευαστές όπως η 3M. στο άλλο, οθόνες με διαγώνιο 3,5" (2,83" x 2,07").
GUI
Η οθόνη αφής εμφανίζει κάποια μορφή GUI. Αυτό μπορεί να είναι μια γενική διεπαφή, όπως μια έκδοση των Windows ή μπορεί να είναι μια διεπαφή που δημιουργήθηκε ειδικά για την εφαρμογή. Σαφώς, η ποσότητα της διαθέσιμης μνήμης στον ελεγκτή θα είναι σημαντικός παράγοντας για την επιλογή της διεπαφής. Άλλοι παράγοντες περιλαμβάνουν την πολυπλοκότητα της απαιτούμενης οθόνης, τους περιορισμούς κόστους και το μέγεθος της οθόνης.
Η ποιότητα των εμφανιζόμενων εικόνων δεν διερευνάται πάντα διεξοδικά. Η επιλογή μερικών συμβόλων ή εικονιδίων από μια βιβλιοθήκη και η τοποθέτησή τους στην οθόνη είναι σπάνια επαρκής. Υπάρχει σημαντική έρευνα σχετικά με το σχεδιασμό διεπαφής και μια ομάδα εντός της ISA (Διεθνής Εταιρεία Αυτοματισμού) φαίνεται να εργάζεται πάνω στο πρότυπο ISA101.
Εικόνα 3: Η Atmel ενσωματώνει αποκλειστικές διεπαφές οθόνης αφής σε πολλούς από τους επεξεργαστές της, με μερικούς να διαθέτουν επίσης την απόκτηση υλικού QTouch ως αποκλειστική περιφερειακή διεπαφή.Μικροελεγκτές
Πολλοί κατασκευαστές μικροελεγκτών προσφέρουν πλέον υποστήριξη ανίχνευσης αφής, αν και συνήθως απευθύνονται σε φορητές και φορητές συσκευές. Στον βιομηχανικό τομέα, η Atmel υπήρξε βασικός παράγοντας, ιδίως μετά την εξαγορά της Quantum Research, ενός κατασκευαστή-ευαίσθητων συσκευών στην αφή-συγκεκριμένα ρυθμιστικών, τροχών και κουμπιών. Πέρα από τους εκτενείς ελεγκτές αφής αφής AT42QT, η εταιρεία ανέπτυξε τη βιβλιοθήκη λογισμικού ελέγχου οθόνης αφής QTouch για μικροελεγκτές και πρόσθεσε ένα "κανάλι αφής" για διασύνδεση οθονών αφής με πολλές οικογένειες επεξεργαστών, συμπεριλαμβανομένων των σειρών AVR UC3 και AT Mega και X Mega, καθώς και ελεγκτές LCD. Ορισμένα μοντέλα, όπως ορισμένα μέλη της σειράς tinyAVR, ενσωματώνουν επίσης την απόκτηση υλικού QTouch. Αυτοί οι μικροελεγκτές υποστηρίζονται από μια ποικιλία κιτ ανάπτυξης και αξιολόγησης.
Η Texas Instruments (TI) έχει αναπτύξει μια σειρά εφαρμογών αφής "Smart Display Modules" που βασίζονται στον επεξεργαστή ARM Cortex-M3 Stellaris. Αυτά χρησιμεύουν ως σχέδια αναφοράς και υποστηρίζονται από σχηματικά σχέδια, λογαριασμούς υλικών, αρχεία Gerber για διάταξη PCB και δείγματα εφαρμογών. Επιπλέον, η TI θα επεκταθεί πέρα από αυτό το πεδίο εφαρμογής και θα προσφέρει τις ενότητες για πωλήσεις όγκου, απλοποιώντας την παραγωγή για συγκεκριμένες εφαρμογές. Τρία μοντέλα είναι διαθέσιμα, όλα στοχεύουν βιομηχανικές εφαρμογές με-σκληρυμένους επεξεργαστές θερμοκρασίας. Οι επιλογές περιλαμβάνουν Power over Ethernet και Gigabit Ethernet, το καθένα με οθόνη 2,8{10}} ιντσών με μεγαλύτερη επιλογή οθόνης 3,5 ιντσών. Αυτά τα προϊόντα υποστηρίζονται από το λογισμικό Stellaris και τις βιβλιοθήκες γραφικών, μαζί με το ευρύτερο οικοσύστημα που περιβάλλει το Cortex-M3.
Η Infineon παρουσίασε έναν ελεγκτή-αίσθησης αφής ως μία από τις περιφερειακές διεπαφές για τους μικροελεγκτές XC82x και XC83x 8-bit. Ο ελεγκτής έχει σχεδιαστεί κυρίως για απλά κουμπιά LED, ρυθμιστικά ή πίνακες τροχών, που μοιράζονται τη διασύνδεση της οθόνης με τον ελεγκτή μήτρας LED μέσω πολυπλεξίας διαίρεσης χρόνου.
Η Microchip έχει αναπτύξει την τεχνολογία χωρητικής ανίχνευσης "Metal Cap". Αυτή η τεχνολογία τοποθετεί ένα μπροστινό πάνελ (που μπορεί να είναι από ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνιο ή άλλα κατάλληλα υλικά) σε ένα PCB, με ένα μικρό διάκενο αέρα μεταξύ τους. Τα σύμβολα στην επάνω επιφάνεια αντιπροσωπεύουν αισθητήρες στο PCB. Η πίεση προκαλεί την εκτροπή της επάνω επιφάνειας, αλλάζοντας το κενό μεταξύ του πίνακα και των αισθητήρων, μεταβάλλοντας έτσι την χωρητικότητα. Ανάλογα με την εφαρμογή, το λογισμικό ελέγχου μπορεί να διακρίνει μεταξύ απαλών και σκληρών πινελιών. Το Metal Cap είναι ιδιαίτερα σημαντικό για βιομηχανικά περιβάλλοντα που απαιτούν απλή εναλλαγή και η βιβλιοθήκη λογισμικού mTouch υποστηρίζει χωρητική αφή. Πολλά μέλη 8-bit, 16-bit και 32-bit της οικογένειας μικροελεγκτών PIC υποστηρίζουν αυτήν τη δυνατότητα. Συνδυάζεται με έλεγχο οθόνης, διασυνδέσεις διαύλου CAN και διεπαφές USB σε ορισμένα προϊόντα. Για την υποστήριξη αυτής της εφαρμογής, προσφέρουμε μια σειρά από κιτ ανάπτυξης και αξιολόγησης.
Εικόνα 4: Ο αισθητήρας "μεταλλικού-καλυμμένου" του μικροτσίπ χρησιμοποιεί ένα μεταλλικό πάνελ που παραμορφώνεται για να αλλάξει την χωρητικότητα.
Η συντριπτική πλειοψηφία των προϊόντων μικροελεγκτών για έλεγχο οθόνης αφής χρησιμοποιούνται σε φορητές και φορητές συσκευές. Πολλοί προμηθευτές μικροελεγκτών έχουν αναπτύξει βιβλιοθήκες ελέγχου οθόνης αφής που εκτελούνται στα τυπικά προϊόντα τους, επικοινωνώντας με ελεγκτές μέσω τυπικών καναλιών I/O γενικής-σκοπίας (GPIO). Ενώ αυτές οι βιβλιοθήκες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές βιομηχανικού ελέγχου, οι επεξεργαστές που τις εκτελούν ενδέχεται να μην αντέχουν στις σκληρές συνθήκες που συνήθως σχετίζονται με βιομηχανικά περιβάλλοντα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν οι σχεδιαστές μικροελεγκτών δίνουν προτεραιότητα στη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας-δεν προκαλεί έκπληξη για φορητές συσκευές όπου η διάρκεια ζωής της μπαταρίας παραμένει πρωταρχικό μέλημα.
Οι διεπαφές οθονών αφής θα διαδραματίζουν ολοένα και πιο ζωτικό ρόλο στον βιομηχανικό αυτοματισμό λόγω της εγγενούς στιβαρότητάς τους και της ικανότητάς τους να αντέχουν στη σκληρή πραγματικότητα των περιβαλλόντων παραγωγής. Ωστόσο, αν και φαίνεται εύκολο να αναπτυχθεί, οι σχεδιαστές πρέπει να δώσουν ιδιαίτερη προσοχή στο σχεδιασμό διεπαφής και στη σχέση μεταξύ λογισμικού διεπαφής και λογισμικού που εκτελούνται{1}}κρίσιμες εφαρμογές ασφαλείας για να λειτουργούν αποτελεσματικά.