วิธีรวม LED, E-paper และการจดจำท่าทางสำหรับ HMI ที่ใช้พลังงานต่ำในการเชื่อมต่อระดับองค์กร

ส่วนต่อประสานระหว่างเครื่องจักรกับมนุษย์ (HMI) เป็นองค์ประกอบสำคัญที่สนับสนุนการเชื่อมต่อระดับองค์กรสำหรับ Industrial Internet of Things (IIoT) ในระบบอัตโนมัติและการควบคุมกระบวนการของอุตสาหกรรม 4.0 รวมถึงระบบยานยนต์และการแพทย์ HMI มีตั้งแต่แว่นตาช่วยให้เห็นภาพจริงชัดเจนขึ้นไปจนถึงหน้าจอสัมผัสและตัวบ่งชี้ภาพที่เรียบง่าย ในขณะที่แว่นตาความเป็นจริงเสริมได้รับการพาดหัวข่าวมากมายและหน้าจอสัมผัสมีความสามารถมากมาย ตัวบ่งชี้และการควบคุมที่มองเห็นได้ง่าย ต้นทุนต่ำ ขนาดเล็กและใช้พลังงานต่ำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ขอบที่เพิ่มมากขึ้น

นักออกแบบสามารถรวม LED dot matrix หรือจอแสดงผลกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ (e-paper) (EPD) เข้ากับการจดจำท่าทางและการควบคุมเซ็นเซอร์มุมแสงอินฟราเรด (IR) ที่ตรวจจับความใกล้เคียง เพื่อใช้พลังงานต่ำ ต้นทุนต่ำ และ HMI ที่มีคุณสมบัติหลากหลายบนโหนดขอบ IIoT ใน อุตสาหกรรม 4.0 และการใช้งานระดับองค์กร การแพทย์ และยานยนต์

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบการทำงานและความสามารถของจอแสดงผล LED แบบตัวอักษรและตัวเลขและดอทเมตริกซ์และ EPD จากนั้นให้รายละเอียดเกี่ยวกับการใช้ IC เซ็นเซอร์มุมแสง IR ในการจดจำท่าทางสัมผัสและการตรวจจับระยะใกล้ จากนั้นจะนำเสนอจอแสดงผล LED ตัวแทนจาก Broadcom และ Lumex EPD จาก E Ink ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มการพัฒนา EPD จาก Pervasive Displays, และ IR sensing IC สำหรับการจดจำท่าทางจาก Analog Devices พร้อมกับแพลตฟอร์มการพัฒนาเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับกระบวนการออกแบบและบูรณาการสำหรับ HMI ขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูง ใช้พลังงานต่ำ

ไฟ LED ที่เป็นตัวอักษรและตัวเลข

มีจอแสดงผล LED ที่เป็นตัวอักษรและตัวเลขที่ยอมรับอินพุตข้อมูลแบบขนานและแบบอนุกรม และช่วงของตัวเลข ขนาด และความกว้างของจอแสดงผล อักขระแต่ละตัวถูกสร้างขึ้นจากอาร์เรย์ขนาด 5 x 7 พิกเซล—โดยปกติจะใช้ LED สีเดียว เช่น สีแดงหรือสีเขียว จอแสดงผลเหล่านี้รวมชุดอักขระ เช่น อักขระ American Standard Code for Information Interchange (ASCII) ชุดอักขระสคริปต์คาตาคานะของญี่ปุ่น ISO 15924 ที่สามารถเข้ารหัสในชุดอักขระ ASCII ตลอดจนอักขระเฉพาะประเทศและอักขระที่ผู้ใช้กำหนดเองสำหรับ กรณีใช้งานพิเศษ (รูปที่ 1) สามารถอ่านได้ในเวลากลางวันและทนทานต่อสิ่งแวดล้อม

รูปที่ 1: ชุดอักขระ ASCII ที่สร้างขึ้นโดยใช้จอแสดงผล LED ตัวเลขและตัวอักษรขนาด 5 x 7 พิกเซล (ที่มาภาพ: Broadcom)

Visual LED แสดงผล

แทนที่จะใช้สร้างอักขระแต่ละตัว จอแสดงผลแบบดอทเมทริกซ์ LED ใช้ไฟ LED ที่จัดเรียงในรูปแบบเมทริกซ์เพื่อแสดงกราฟิก นอกจากนี้ยังสามารถแสดงมาตรฐาน ASCII, Katakana และรูปแบบข้อความอื่น ๆ ในแง่ของประสิทธิภาพ พวกเขาอยู่ระหว่างการแสดงดอทเมทริกซ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นและการแสดงวิดีโอ LED มีให้เลือกหลายขนาดและสามารถแสดงผลแบบสีเดียว เช่น สีแดง เขียว หรือแดง เขียว น้ำเงิน (RGB) อย่างไรก็ตาม โดยปกติจานสีเหล่านี้จะมีจานสีที่จำกัดกว่าและอัตราการรีเฟรชที่ช้ากว่าเมื่อเทียบกับการแสดงผลวิดีโอ (รูปที่ 2) ไฟ LED มักจะจัดเรียงในรูปแบบกริดโดยมีขั้วลบหรือขั้วบวกของ LED ผูกติดกันเป็นโหนดวงจรทั่วไป มีจอแสดงผล Visual LED ที่ทำงานร่วมกับ I2C, 8 บิตแบบขนาน, ซีรีส์ และอินเทอร์เฟซอื่นๆ บางส่วนรวมถึงหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ออนบอร์ด (MCU) และอื่น ๆ ใช้ตัวประมวลผลระบบ

รูปที่ 2: ตัวอย่างจานสีสำหรับจอแสดงผล RGB LED (แหล่งรูปภาพ: Lumex)

e-Paper คืออะไร และทำงานอย่างไร

ในขณะที่ไฟ LED ต้องใช้กระแสขับต่อเนื่องเพื่อให้เปิดอยู่ e-paper เป็นเทคโนโลยี bistable ที่ไม่ต้องใช้ไดรฟ์ต่อเนื่องและอาจใช้พลังงานต่ำมาก เมื่อพลังงานต่ำเป็นสิ่งสำคัญ อัตราการรีเฟรชต่ำ และไม่จำเป็นต้องใช้สีเต็มรูปแบบ จอแสดงผล e-Paper (EPD) สามารถให้ทางเลือกที่ทำงานได้แทน LED และจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) ใช้พลังงานน้อยมากในการแสดงภาพบน EPD; เมื่อเรนเดอร์รูปภาพแล้ว ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการบำรุงรักษา EPD มีความเปรียบต่างเหมือนหมึกและกระดาษ แม้ว่าส่วนใหญ่จะเป็นขาวดำ แต่บางสีก็เพิ่มสีอื่นเข้าไป เช่น สีแดง

EPD รวมเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) เข้ากับชั้นของหมึกอิเล็กทรอนิกส์ หมึกประกอบด้วยแคปซูลขนาดเล็กนับล้านที่มีอนุภาคสีที่มีประจุไฟฟ้า หมึกอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว (รูปที่ 3) การใช้ไดรฟ์ที่จำเป็นกับเมทริกซ์ TFT ทำให้อนุภาคของเม็ดสีสร้างภาพที่มีรายละเอียด เมื่ออนุภาคของเม็ดสีถูกย้ายเข้าที่แล้ว พวกมันจะยังคงอยู่ที่นั่นโดยไม่ต้องใช้พลังงาน การขับ EPD อาจเป็นเรื่องยุ่งยากเล็กน้อย แผ่นลามิเนตที่แผงด้านหน้า (FPL) จะแตกต่างกันเล็กน้อยในแต่ละชุด ทำให้ต้องปรับรูปคลื่นของไดรฟ์ด้วยตนเอง นอกจากนี้ยังสามารถต้องการรูปคลื่นของไดรฟ์ที่แตกต่างกันภายใต้อุณหภูมิการทำงานที่แตกต่างกัน

รูปที่ 3: E-ink ประกอบด้วยแคปซูลขนาดเล็กนับล้านที่มีอนุภาคสีที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว (แหล่งรูปภาพ: Pervasive Displays)

การจดจำท่าทาง

LED และ EPD สามารถให้ข้อมูลแก่ผู้ใช้ระบบและผู้ปฏิบัติงาน นั่นเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของการติดตั้ง HMI ทั้งหมด ผู้ใช้และผู้ปฏิบัติงานยังต้องการความสามารถในการจัดหาอินพุตและสัญญาณควบคุมไปยังระบบ ในการใช้งานบางอย่างนั้นการตรวจจับระยะใกล้จะแจ้งเตือนระบบเมื่อมีผู้ดำเนินการอยู่ และจอแสดงผลจะเปิดขึ้นโดยอัตโนมัติเพื่อให้ข้อมูลสถานะ แม้ว่าสิ่งนี้จะมีประโยชน์สำหรับการส่งข้อมูลสถานะ แต่ก็ไม่มีกลไกสำหรับการส่งข้อมูลเข้าและคำสั่งไปยังอุปกรณ์ การใช้แป้นพิมพ์ สวิตช์ และกลไกอื่นๆ แบบเดิมอาจเป็นทางเลือกหนึ่ง แต่อาจส่งผลให้โซลูชันมีขนาดค่อนข้างใหญ่และกินไฟมาก นักออกแบบสามารถหันไปใช้อินเทอร์เฟซการจดจำท่าทางสำหรับเซนเซอร์จับความใกล้เคียง เพื่อตรวจจับและแปลการเคลื่อนไหวของมือและรูปแบบเป็นคำสั่งแทน การรู้จำท่าทางจะมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง ซึ่งเสียงพื้นหลังและเสียงรอบข้างทำให้ยากต่อการใช้การจดจำเสียง ต้องใช้สามกิจกรรมเพื่อใช้งานการจดจำท่าทางพื้นฐาน:

• รับรู้จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของท่าทาง
• ติดตามการเคลื่อนไหวของมือตลอดท่าทาง
• โดยใช้ข้อมูลจากสองขั้นตอนแรกเพื่อทำความเข้าใจท่าทาง

แพลตฟอร์มการพัฒนาการจดจำท่าทาง

เพื่อพัฒนาระบบจดจำท่าทาง นักออกแบบสามารถหันไปใช้ EVAL-CN0569-PMDZ จาก Analog Devices ซึ่งการออกแบบอ้างอิงตาม ADPD2140 เซ็นเซอร์วัดมุมแสง IR วงจรจะปล่อย IR pulse train และเซ็นเซอร์จะจับแสงที่สะท้อนกลับ การออกแบบรองรับการตรวจจับด้วยท่าทางห่างจากบอร์ดประมาณ 20 เซนติเมตร (ซม.) อัตราการสุ่มตัวอย่างสูงสุด 512 ตัวอย่างต่อวินาทีช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับการปฏิเสธเสียงรบกวนและเวลาตอบสนองให้เหมาะกับการใช้งานและสภาพแวดล้อมได้ดีที่สุด ที่น่าสังเกตอีกอย่างคือ ADPD2140 ไม่ต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำ เซ็นเซอร์มีการตอบสนองเชิงเส้นภายในขอบเขตการมองเห็นเชิงมุม ±35° (รูปที่ 4) ตัวกรองแสงในตัวในแพ็คเกจ ADPD2140 ให้การตัดแสงที่มองเห็นได้อย่างคมชัด ทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้เลนส์ภายนอกหรือตัวกรอง ในขณะที่รักษาช่วงไดนามิกของเซ็นเซอร์ภายใต้แสงในร่มหรือแสงแดดจ้า

รูปที่ 4: เซ็นเซอร์มุมแสง IR ADPD2140 มีการตอบสนองเชิงเส้นภายในขอบเขตการมองเห็นเชิงมุม ±35° (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

จอแสดงผล LED ตัวเลขและตัวอักษร

สำหรับการใช้งานที่ต้องการจอแสดงผล LED แบบตัวอักษรและตัวเลขที่สว่างและทนทานสามารถเปลี่ยนเป็นการออกแบบได้ ด้วย อินเทอร์เฟซแบบขนาน หรือ อินเทอร์เฟซแบบอนุกรม จาก Broadcom จอแสดงผลที่มีอินเทอร์เฟซแบบขนานมีได้ 4 หรือ 8 อักขระ (รูปที่ 5) มีจำหน่ายในรูปแบบบรรจุภัณฑ์ สี และขนาดที่หลากหลาย เช่น 8 ตัวอักษร 5 มิลลิเมตร (mm)HDSP-2533 พร้อมไฟ LED สีเขียว และตัวอักษร 4 ตัว ขนาด 3.7 mm HDLU-1414 ด้วยไฟ LED สีแดงประสิทธิภาพสูง ทั้งในบรรจุภัณฑ์พลาสติก หรือ 8 ตัว 5 mm HDSP-2131 พร้อมไฟ LED สีเหลืองในบรรจุภัณฑ์แก้ว/เซรามิกที่ทนทาน ทั้งหมดนี้รวมถึงไดรเวอร์ ASIC ในตัวที่ทำให้ความพยายามในการออกแบบง่ายขึ้น คุณลักษณะของการแสดงผลอินเทอร์เฟซแบบขนานเหล่านี้ประกอบด้วย:

• เจ็ดถึงแปดสายรถเมล์สำหรับข้อมูล
• แผนผังอักขระที่มี 128 ASCII และอักขระที่ผู้ใช้กำหนดได้ 16 ตัวซึ่งจัดเก็บไว้ใน ROM ที่ตั้งโปรแกรมได้
• อักขระแต่ละตัวกะพริบและกะพริบของอักขระทั้งหมด
• ฟังก์ชั่นการเลื่อน
• แปดระดับความสว่าง
• วางซ้อนกันได้ในทิศทาง x และ y สำหรับความต้องการในการแสดงผลที่ใหญ่ขึ้น

รูปที่ 5: จอแสดงผล LED ตัวเลขและตัวอักษรพร้อมอินเทอร์เฟซแบบขนานมีได้ 4 หรือ 8 อักขระ (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

Broadcom นำเสนอจอแสดงผล LED ตัวเลขและตัวอักษรแบบอนุกรมที่มี 4, 8 และ 16 อักขระ เช่น สีเขียว 8 อักขระ 5 มม.HCMS-3977 และ 8 ตัวอักษร 3.8 มม. สีแดง HCMS-2912 ทั้งแบบซองพลาสติกและแบบ 4 ตัว ขนาด 0.2 นิ้ว เหลือง-เขียว HCMS-2333 ในบรรจุภัณฑ์แก้ว/เซรามิกที่มีช่วงอุณหภูมิขยาย คุณสมบัติของจอแสดงผล LED แบบอนุกรมเหล่านี้ประกอบด้วย:

• 128 ASCII, ISO 15924 สคริปต์ภาษาญี่ปุ่น Katakana และแบบอักษรที่กำหนดเอง
• อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมที่รองรับการแสดงจำนวนอักขระสูงพร้อมสายข้อมูลขั้นต่ำ
• สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับ MCU เพื่อทำให้การออกแบบระบบง่ายขึ้น
• โหมดสลีปเมื่ออุปกรณ์อยู่ในโหมดสแตนด์บาย
• 64 ระดับความสว่าง
• วางซ้อนกันได้ในทิศทาง x และ y รองรับการแสดงจำนวนอักขระสูง

จอแสดงผล LED ดอทเมทริกซ์

เมื่อมีการใช้งานใดที่ต้องการจอแสดงผล LED สำหรับข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้น นักออกแบบสามารถใช้ LDM-6432-P3-UR-1 จาก Lumex Opto ได้ จอแสดงผล RGB ขนาด 64 x 32 พิกเซลนี้มี LED pitch 3 mm (รูปที่ 6) จอแสดงผลนี้ประกอบด้วยอินเทอร์เฟซ UART, ปลั๊กไฟ USB พร้อมตัวป้องกันกระแสไฟฟ้า 1.5 A และโมดูล BLE 4.0 นักพัฒนาสามารถใช้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเพื่อพัฒนาซอฟต์แวร์การแสดงผล คุณสมบัติประกอบไปด้วย:

• สามารถจัดการคำสั่ง HEX หรือ Arduino AT
• แบบอักษรในตัวและรูปร่างพื้นฐาน
• สามารถทำงานในโหมดตัวอักษรและกราฟิกแบบผสม
• โมดูลการแสดงผลหลายโมดูลสามารถวางซ้อนกันได้สำหรับการแสดงผลที่ใหญ่ขึ้น
• สามารถรวมเข้ากับ MCU ใดก็ได้
• ไม่จำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์หรือห้องสมุด
• แสดงภาพเคลื่อนไหวได้
• มีภาษาต่าง ๆ ตามคำขอ

รูปที่ 6: จอแสดงผล RGB LED ขนาด 64 x 32 พิกเซลสามารถใช้แสดงข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ (แหล่งรูปภาพ: Lumex Opto)

จอแสดงผล e-paper และบอร์ด dev

แอปพลิเคชันที่ได้รับประโยชน์จาก EPD สามารถเปลี่ยนเป็น ED078KC2 จาก E Ink ได้ เป็นโมดูล EPD แบบอิเล็กโทรโฟเรติกแบบสะท้อนแสงบนซับสเตรต TFT แบบแอกทีฟเมทริกซ์ มี 1404 x 1872 พิกเซลในพื้นที่ใช้งาน 7.8” EPD นี้สามารถแสดงระดับสีเทาได้สูงสุด 16 ระดับ ขึ้นอยู่กับคอนโทรลเลอร์ (รูปที่ 7)

Pervasive Displays นำเสนอ B3000MS044, ext3 และ B3000MS037, ext3 ขนาดใหญ่, บอร์ดขยาย EPD เพื่อรวม EPD นี้เข้ากับระบบ ชุด ext3 พื้นฐานสามารถขับ EPD ขนาด 1.54” ถึง 12” สำหรับ EPD ขนาดใหญ่ตั้งแต่ 9.7” และ 12” จำเป็นต้องใช้ ext3 ขนาดใหญ่ด้วย แพลตฟอร์มสำหรับนักพัฒนาซอฟต์แวร์นี้มีวงจรขับเคลื่อนในตัวเพื่อลดความซับซ้อนของการพัฒนาแอปพลิเคชัน EPD นอกจากนี้ Pervasive Displays ยังมีตัวเลือกในการขยาย, รหัสการขับขี่แบบโอเพ่นซอร์สหลายตัว, ทรัพยากรการออกแบบ และไลบรารีการพัฒนาสำหรับความสามารถด้านกราฟิกและการโต้ตอบ

รูปที่ 7: EPD bistable นี้มี 1404 x 1872 พิกเซลในพื้นที่ใช้งาน 7.8” และใช้พลังงานต่ำมาก (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

สรุป

อุปกรณ์ IIoT edge ที่ต้องการ HMI จะได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีที่มีขนาดกะทัดรัดและใช้พลังงานต่ำ การจดจำท่าทางช่วยให้สามารถออกคำสั่งและควบคุมได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย จอแสดงผล LED แบบตัวอักษรและตัวเลขมีความทนทาน มองเห็นได้ในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสว่างสูง และสามารถวางซ้อนกันได้เพื่อรองรับความต้องการข้อมูลที่ใหญ่ขึ้น จอแสดงผลแบบ LED dot matrix และ EPD สามารถนำเสนอข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้น LED dot matrices สามารถแสดงสี RGB และแอนิเมชั่นได้ ในขณะที่ EPD สามารถใช้กับการแสดงเฉดสีเทาที่มีคอนทราสต์สูงซึ่งต้องการพลังงานเพียงเล็กน้อย