Az ipari vezérlőpanelek mechanikus játszóterek, kapcsolókkal és gombokkal, lineáris vagy forgó potenciométerekkel, amelyeket kerekek és csúszkák hajtanak meg. Mivel mechanikusak, problémák forrásává válhatnak, a forrasztott kötésektől a mozgó alkatrészekig. A vezérlési feladatok egy meghatározott csoportjához készült, így a tábla bármi máshoz történő újrakonfigurálása nehéz, ha nem lehetetlen. Használatukat nem könnyű elsajátítani, bonyolult műveletekhez pedig gyakran a készülék állapotát megjelenítő képernyők is kísérik.
Ma ezek egy haldokló fajta. Ehelyett az új eszközök teljesen szilárd állapotúak-; érintőpadokat használnak a GUI-k (Graphical User Interfaces) által vezérelt kijelzőkön. A képernyő képének megváltoztatásával az érintőpanel feletti területek vizuálisan különböző funkciókhoz kapcsolódnak. Ez azt jelenti, hogy a rendszer nem csak újrakonfigurálható, hanem a felhasználókat a műveleteken is végigvezeti, -esetleg indításkor vagy leállításkor, vagy rendellenességek esetén. Noha ez a megközelítés robusztusabb,{6}}könnyebben-tiszta felületet kínál szélesebb környezeti toleranciával, költséggel jár: szoftver, gyakran összetett szoftver.
Természetesen a képernyő által vezérelt különféle eszközöket maguk is processzorok és szoftverek kezelik. Az egyes gépek egymással és a teljes rendszervezérlővel kommunikálnak valamilyen buszon, például CAN vagy Industrial Ethernet segítségével. Gyakran robusztus, valós idejű vezérlőelemekre- van szükség, és az alkalmazások biztonság-kritikusak lehetnek. Következésképpen a teljes rendszerarchitektúrát úgy kell megtervezni, hogy elkülönítse az érintőképernyős vezérlőt és a grafikus felhasználói felületet a teljes rendszeradatoktól, kivéve a biztonságosan meghatározott interfészeken keresztül. Ez biztosítja, hogy a GUI szoftverrel kapcsolatos problémák ne veszélyeztessék a teljes rendszer vagy az egyes eszközök biztonságát.
Ez az elszigeteltség abból adódhat, hogy az összes grafikus felhasználói felület és az érintőképernyős tevékenység egy külön processzoron fut, amely általános célú operációs rendszert futtat, míg a tevékenységek vezérlése egy valós idejű operációs rendszeren, a saját processzorán fut{1}}. A processzorok lehetnek fizikailag független eszközök, független magok egyetlen chipen, vagy virtualizációs szoftver által létrehozott virtuális magok.
Ebben a cikkben, miközben a fizikailag független vezérlőket vizsgáljuk, a legtöbb vita a virtuális magokon belül futó érintőképernyős vezérlőkre is vonatkozik.
1. ábra: Érintőképernyős vezérlés ipari HMI környezetben. Ebben a forgatókönyvben úgy tűnik, hogy ugyanaz az MCU/MPU két eszközt futtat: az egyik CAN-buszon keresztül csatlakozik a PLC-hez, a másik pedig az érintőképernyős interfészt működteti.
Képernyő technológia
Noha többféle érintőképernyős technológia létezik, a kapacitív és rezisztív technológia a két legelterjedtebb és legdominánsabb a piacon.
A rezisztív ernyők jellemzően két réteg üvegből vagy műanyagból állnak, amelyeket légrés választ el egymástól. Az egyik réteg vízszintes vezető vezetékeket tartalmaz, míg a másikat függőleges vezetékek. A felső rétegre kifejtett nyomás összeköti ezeket a vezetékeket, XY koordinátákat biztosítva. Bár az egyes megvalósítás részletei változnak, a képernyő általában négy porton keresztül csatlakozik a vezérlőhöz.
A kapacitív érzékelő képernyők különféle részletes technikákat alkalmaznak, de vezető anyagokra (például ujjakra) támaszkodnak a képernyőterület kapacitásának megváltoztatásához, majd ezt a változást XY koordinátákként érzékelik. A kapacitív érzékelésnek korlátai vannak az ipari alkalmazásokban: ha az ujjak a kesztyűben vannak, különösen a nehéz munkakesztyűkben, előfordulhat, hogy nem lesz elegendő kapacitásváltozás a méréshez, és a környezeti tényezők, például a rádiófrekvenciás sugárzás befolyásolhatják a kapacitást. Mindkét technológia támogatja a több-érintéses bevitelt-, például két ujj széthúzását vagy összecsípését a grafikus felület elemeinek nagyításához vagy kicsinyítéséhez.
A képernyő mérete jelentősen eltér. A spektrum egyik végén olyan gyártók nagy, 32 hüvelykes kijelzői találhatók, mint a 3M; a másikon 3,5 hüvelyk (2,83 x 2,07 hüvelyk) méretű képernyők.
GUI
Az érintőképernyő valamilyen grafikus felhasználói felületet jelenít meg. Ez lehet egy általános interfész, például a Windows egy verziója, vagy egy kifejezetten az alkalmazás számára generált interfész. Nyilvánvaló, hogy a vezérlőben rendelkezésre álló memória mennyisége jelentős tényező lesz az interfész kiválasztásánál. További tényezők közé tartozik a szükséges kijelző összetettsége, a költségkorlátok és a kijelző mérete.
A megjelenített képek minőségét nem mindig vizsgálják meg alaposan. Ritkán elegendő néhány szimbólum vagy ikon kiválasztása a könyvtárból és a képernyőre való elhelyezése. Jelentős kutatás folyik az interfész tervezéséről, és úgy tűnik, hogy az ISA-n (Nemzetközi Automatizálási Társaság) egy csoport dolgozik az ISA101 szabványon.
3. ábra: Az Atmel számos processzorába dedikált érintőképernyős interfészt épít be, néhányban pedig hardveres QTouch beszerzés is található dedikált periféria interfészként.Mikrokontrollerek
Sok mikrokontroller gyártó ma már kínál érintésérzékelési támogatást, bár ezek általában a kézi és hordozható eszközöket célozzák. Az ipari szektorban az Atmel kulcsszerepet játszott, különösen a Quantum Research felvásárlása után, amely érintésérzékeny eszközöket,{2}}különösen csúszkákat, kerekeket és gombokat gyárt. A kiterjedt AT42QT dedikált érintőképernyős vezérlőin túl a vállalat kifejlesztette a QTouch érintőképernyős vezérlőszoftver-könyvtárat mikrokontrollerekhez, és hozzáadott egy "érintőcsatornát" az érintőképernyők interfészéhez számos processzorcsaláddal, beleértve az AVR UC3 és AT Mega és X Mega sorozatokat, valamint az LCD vezérlőket. Egyes modellek, például a tinyAVR sorozat egyes tagjai, hardveres QTouch beszerzést is tartalmaznak. Ezeket a mikrokontrollereket számos fejlesztő és kiértékelő készlet támogatja.
A Texas Instruments (TI) az ARM Cortex{0}}M3 Stellaris processzoron alapuló „Smart Display Modules” érintőképernyős alkalmazássorozatot fejlesztett ki. Ezek referenciatervként szolgálnak, és vázlatrajzok, anyagjegyzékek, Gerber-fájlok a PCB-elrendezéshez és minta alkalmazások támogatják őket. Ezen túlmenően a TI túllép ezen a területen, és a mennyiségi értékesítéshez kínál modulokat, leegyszerűsítve a gyártást bizonyos alkalmazásokhoz. Három modell áll rendelkezésre, amelyek mindegyike ipari alkalmazásokat céloz meg hőmérsékleten-edzett processzorokkal. Az opciók közé tartozik a Power over Ethernet és a Gigabit Ethernet, amelyek mindegyike 2,8{10}} hüvelykes képernyővel és nagyobb, 3,5 hüvelykes képernyővel rendelkezik. Ezeket a termékeket a Stellaris szoftver és grafikus könyvtárak, valamint a Cortex-M3-at körülvevő tágabb ökoszisztéma támogatják.
Az Infineon bevezetett egy érintésérzékelős vezérlőt, amely az XC82x és XC83x 8{5}}bites mikrokontrollerek egyik perifériás interfésze. A vezérlőt elsősorban egyszerű LED-gombokhoz, csúszkákhoz vagy kerékpanelekhez tervezték, időosztásos multiplexeléssel megosztva a képernyőfelületet a LED-mátrixvezérlővel.
A Microchip kifejlesztette a "Metal Cap" kapacitív érzékelő technológiát. Ez a technológia egy elülső panelt (amely lehet rozsdamentes acél, alumínium vagy más megfelelő anyag) egy PCB-re helyezi, amelyek között kis légrés van. A felső felületen lévő szimbólumok a PCB-n lévő érzékelőket jelölik. A nyomás hatására a felső felület elhajlik, megváltoztatva a panel és az érzékelők közötti rést, ezáltal megváltozik a kapacitás. Az alkalmazástól függően a vezérlőszoftver különbséget tud tenni lágy és kemény érintések között. A Metal Cap különösen fontos az egyszerű váltást igénylő ipari környezetekben, az mTouch szoftverkönyvtár pedig támogatja a kapacitív érintést. A PIC mikrokontroller család számos 8 bites, 16 bites és 32 bites tagja támogatja ezt a funkciót. Egyes termékekben kijelzővezérléssel, CAN-busz-interfészekkel és USB-interfészekkel kombinálják. Az alkalmazás támogatására számos fejlesztő és értékelő készletet kínálunk.
4. ábra: A Microchip „fémmel-borított” érzékelője egy fém panelt használ, amely deformálódik a kapacitás megváltoztatása érdekében.
Az érintőképernyős vezérlésre szolgáló mikrokontroller termékek túlnyomó többségét hordozható és kézi eszközökben használják. Számos mikrokontroller-szállító fejlesztett ki érintőképernyős vezérlőkönyvtárakat, amelyek szabványos termékeiken futnak, és szabványos általános -célú I/O (GPIO) csatornákon keresztül kommunikálnak a vezérlőkkel. Noha ezek a könyvtárak ipari vezérlési alkalmazásokban használhatók, előfordulhat, hogy az őket futtató processzorok nem viselik el a jellemzően ipari környezettel járó zord körülményeket. Ez különösen igaz, ha a mikrokontrollerek tervezői az alacsony energiafogyasztást részesítik előnyben,{4}}ez nem meglepő a hordozható eszközök esetében, ahol az akkumulátor élettartama továbbra is elsődleges szempont.
Az érintőképernyős interfészek egyre fontosabb szerepet fognak játszani az ipari automatizálásban, köszönhetően a bennük rejlő robusztusságnak, és képesek ellenállni a gyártási környezet kemény valóságának. Azonban bár látszólag könnyen telepíthető, a tervezőknek nagy figyelmet kell fordítaniuk az interfész kialakítására, valamint az interfészszoftver és a biztonsági{1}}kritikus alkalmazásokat futtató szoftverek közötti kapcsolatra ahhoz, hogy hatékonyan működjenek.