Priemyselné ovládacie panely sú mechanické ihriská s vypínačmi a tlačidlami, lineárnymi alebo otočnými potenciometrami poháňanými kolieskami a posúvačmi. Keďže sú mechanické, môžu sa stať zdrojom problémov, od spájkovaných spojov až po pohyblivé časti. Prekonfigurovať dosku na čokoľvek iné, je skonštruované pre špecifickú sadu riadiacich úloh, je ťažké, ak nie nemožné. Nie je ľahké sa ich naučiť používať a pri zložitých operáciách sú často sprevádzané obrazovkami zobrazujúcimi stav zariadenia.
Dnes sú to umierajúce plemeno. Namiesto toho sú nové zariadenia úplne v pevnom{1}}stave; využívajú touchpady na displejoch riadených GUI (Graphical User Interfaces). Zmenou obrazu na obrazovke sa oblasti nad dotykovým panelom vizuálne spájajú s rôznymi funkciami. To znamená, že systém je možné nielen prekonfigurovať, ale aj previesť používateľov operáciami-napríklad počas spúšťania alebo vypínania, alebo keď sa vyskytnú anomálie. Aj keď tento prístup ponúka robustnejšie a jednoduchšie--čistiteľné rozhranie so širšou environmentálnou toleranciou, stojí to za to: softvér, často zložitý softvér.
Prirodzene, rôzne zariadenia ovládané obrazovkou sú samy riadené procesormi a softvérom. Jednotlivé stroje komunikujú medzi sebou as celkovým kontrolérom systému cez nejakú formu zbernice, ako je CAN alebo priemyselný Ethernet. Často sa vyžadujú robustné-ovládacie prvky v reálnom čase a aplikácie môžu byť-kritické z hľadiska bezpečnosti. V dôsledku toho musí byť celá architektúra systému navrhnutá tak, aby izolovala ovládač s dotykovou obrazovkou a grafické používateľské rozhranie od celkových údajov systému, s výnimkou bezpečne definovaných rozhraní. To zaisťuje, že žiadne problémy so softvérom GUI neohrozia bezpečnosť celého systému alebo jednotlivých zariadení.
Táto izolácia môže vyplynúť zo spustenia všetkých aktivít s grafickým rozhraním a dotykovej obrazovky na samostatnom procesore so spusteným-operačným systémom na všeobecné účely, zatiaľ čo riadenie aktivít prebiehajúcich v operačnom systéme v reálnom čase- na jeho vlastnom procesore. Procesory môžu byť fyzicky nezávislé zariadenia, nezávislé jadrá na jednom čipe alebo virtuálne jadrá vytvorené virtualizačným softvérom.
Aj keď v tomto článku preskúmame fyzicky nezávislé ovládače, väčšina diskusie sa týka aj ovládačov s dotykovou obrazovkou bežiacich vo virtuálnych jadrách.
Obrázok 1: Ovládanie dotykovou obrazovkou v priemyselnom prostredí HMI. V tomto scenári sa zdá, že na tom istom MCU/MPU bežia dve zariadenia: jedno je pripojené k PLC cez zbernicu CAN a druhé ovláda rozhranie dotykovej obrazovky.
Technológia obrazovky
Zatiaľ čo existuje viacero technológií dotykovej obrazovky, kapacitné a odporové technológie sú dve najrozšírenejšie a dominantné na trhu.
Odporové clony sa zvyčajne skladajú z dvoch vrstiev skla alebo plastu oddelených vzduchovou medzerou. Jedna vrstva obsahuje horizontálne vodivé drôty, zatiaľ čo druhá má vertikálne drôty. Tlak aplikovaný na vrchnú vrstvu spája tieto vodiče a poskytuje súradnice XY. Aj keď sa konkrétne detaily implementácie líšia, obrazovka sa zvyčajne pripája k ovládaču cez štyri porty.
Kapacitné snímacie obrazovky využívajú rôzne podrobné techniky, ale spoliehajú sa na vodivé látky (ako sú prsty), aby zmenili kapacitu oblasti obrazovky a potom túto zmenu detegovali ako súradnice XY. Kapacitné snímanie má v priemyselných aplikáciách obmedzenia: ak sú prsty vo vnútri rukavíc, najmä ťažkých pracovných rukavíc, môže dôjsť k nedostatočnej zmene kapacity na meranie a faktory prostredia, ako sú RF emisie, môžu ovplyvniť kapacitu. Obidve technológie podporujú viac-dotykový vstup-, napríklad roztiahnutie dvoch prstov alebo ich zovretie k sebe na priblíženie alebo oddialenie prvkov GUI.
Veľkosti obrazoviek sa výrazne líšia. Na jednom konci spektra sú veľké 32-palcové displeje od výrobcov ako 3M; na druhej strane obrazovky s uhlopriečkou 3,5" (2,83" x 2,07").
GUI
Dotyková obrazovka zobrazuje určitú formu GUI. Môže to byť všeobecné rozhranie, ako je napríklad verzia systému Windows, alebo to môže byť rozhranie špecificky vygenerované pre aplikáciu. Je jasné, že množstvo pamäte dostupnej v ovládači bude významným faktorom pri výbere rozhrania. Medzi ďalšie faktory patrí zložitosť požadovaného displeja, nákladové obmedzenia a veľkosť displeja.
Kvalita zobrazovaných obrázkov nie je vždy dôkladne preskúmaná. Výber niekoľkých symbolov alebo ikon z knižnice a ich umiestnenie na obrazovku je málokedy postačujúce. V oblasti dizajnu rozhrania existuje značný výskum a zdá sa, že skupina v rámci ISA (International Society of Automation) pracuje na štandarde ISA101.
Obrázok 3: Atmel začleňuje do mnohých svojich procesorov vyhradené rozhrania s dotykovou obrazovkou, pričom niektoré obsahujú aj hardvérové získavanie QTouch ako vyhradené periférne rozhranie.Mikrokontroléry
Mnoho výrobcov mikrokontrolérov teraz ponúka podporu snímania dotyku, hoci tieto sú zvyčajne zamerané na vreckové a prenosné zariadenia. V priemyselnom sektore je Atmel kľúčovým hráčom, najmä po akvizícii spoločnosti Quantum Research, výrobcu zariadení citlivých na dotyk-, konkrétne posuvných kolies, koliesok a tlačidiel. Okrem svojich rozsiahlych špecializovaných ovládačov dotykovej obrazovky AT42QT spoločnosť vyvinula softvérovú knižnicu ovládania dotykovej obrazovky QTouch pre mikrokontroléry a pridala „dotykový kanál“ na prepojenie dotykových obrazoviek s mnohými rodinami procesorov, vrátane série AVR UC3 a AT Mega a X Mega, ako aj s ovládačmi LCD. Niektoré modely, ako napríklad niektorí členovia série tinyAVR, tiež obsahujú hardvérovú akvizíciu QTouch. Tieto mikrokontroléry sú podporované rôznymi vývojovými a hodnotiacimi súpravami.
Spoločnosť Texas Instruments (TI) vyvinula sériu aplikácií s dotykovou obrazovkou „Smart Display Modules“ založenú na procesore ARM Cortex-M3 Stellaris. Tieto slúžia ako referenčné návrhy a sú podporované schémami, rozpiskami materiálov, súbormi Gerber pre rozloženie PCB a vzorovými aplikáciami. Okrem toho TI rozšíri tento rozsah a ponúkne moduly pre objemový predaj, čím zjednoduší výrobu pre špecifické aplikácie. K dispozícii sú tri modely, všetky zamerané na priemyselné aplikácie s teplotne-odolnými procesormi. Možnosti zahŕňajú Power over Ethernet a Gigabit Ethernet, pričom každá má 2,8{10}} palcovú obrazovku s väčšou 3,5-palcovou obrazovkou. Tieto produkty sú podporované softvérom Stellaris a grafickými knižnicami spolu so širším ekosystémom obklopujúcim Cortex-M3.
Spoločnosť Infineon predstavila dotykový{0}}ovládač ako jedno z periférnych rozhraní pre svoje 8-bitové mikrokontroléry XC82x a XC83x-. Ovládač je primárne určený pre jednoduché LED tlačidlá, posuvníky alebo panely kolies, ktoré zdieľajú rozhranie obrazovky s maticovým ovládačom LED prostredníctvom multiplexovania s časovým delením.
Microchip vyvinul technológiu kapacitného snímania "Metal Cap". Táto technológia umiestňuje predný panel (ktorý môže byť nehrdzavejúca oceľ, hliník alebo iné vhodné materiály) na dosku plošných spojov s malou vzduchovou medzerou medzi nimi. Symboly na hornom povrchu predstavujú snímače na doske plošných spojov. Tlak spôsobuje vychýlenie horného povrchu, čím sa mení medzera medzi panelom a snímačmi, čím sa mení kapacita. V závislosti od aplikácie dokáže ovládací softvér rozlíšiť jemné a tvrdé dotyky. Metal Cap je obzvlášť dôležitý pre priemyselné prostredia vyžadujúce jednoduché prepínanie a softvérová knižnica mTouch podporuje kapacitný dotyk. Mnoho 8-bitových, 16-bitových a 32-bitových členov rodiny mikrokontrolérov PIC podporuje túto funkciu. V niektorých produktoch je kombinovaný s ovládaním displeja, rozhraniami zbernice CAN a rozhraniami USB. Na podporu tejto aplikácie ponúkame celý rad vývojových a hodnotiacich súprav.
Obrázok 4: Snímač Microchip s „kovovým{1}}krytom“ využíva kovový panel, ktorý sa deformuje a mení kapacitu.
Prevažná väčšina produktov mikrokontrolérov na ovládanie dotykovej obrazovky sa používa v prenosných a vreckových zariadeniach. Mnohí dodávatelia mikrokontrolérov vyvinuli ovládacie knižnice s dotykovou obrazovkou, ktoré bežia na ich štandardných produktoch a komunikujú s radičmi prostredníctvom štandardných všeobecných{1}}vstupných a výstupných kanálov (GPIO). Aj keď tieto knižnice možno použiť v aplikáciách priemyselného riadenia, procesory, ktoré ich prevádzkujú, nemusia odolať drsným podmienkam, ktoré sú typicky spojené s priemyselným prostredím. Platí to najmä vtedy, keď dizajnéri mikrokontrolérov uprednostňujú nízku spotrebu energie-, čo nie je prekvapujúce pri prenosných zariadeniach, kde je životnosť batérie hlavným problémom.
Rozhrania dotykovej obrazovky budú hrať čoraz dôležitejšiu úlohu v priemyselnej automatizácii vďaka svojej vlastnej robustnosti a schopnosti odolávať drsnej realite výrobných prostredí. Napriek tomu, že nasadenie je zdanlivo jednoduché, musia dizajnéri venovať veľkú pozornosť návrhu rozhrania a vzťahu medzi softvérom rozhrania a softvérom, na ktorom sú spustené aplikácie-kritické pre bezpečnosť, aby mohli efektívne fungovať.