産業用制御パネルは、スイッチやボタン、ホイールやスライダーで駆動されるリニアまたはロータリーポテンショメータを備えた機械的な遊び場です。機械的であるため、はんだ接合部から可動部品に至るまで、問題の原因となる可能性があります。特定の一連の制御タスク用にボードを構築したため、他のもの用にボードを再構成することは、不可能ではないにしても困難です。使い方を習得するのは簡単ではなく、複雑な操作の場合は、多くの場合、デバイスのステータスを表示する画面が表示されます。
今日、これらは絶滅危惧種です。代わりに、新しいデバイスは完全にソリッドステートです。- GUI (グラフィカル ユーザー インターフェイス) によって駆動されるディスプレイ上のタッチパッドを利用します。画面イメージを変更することで、タッチパネル上の領域がさまざまな機能に視覚的にリンクします。これは、システムを再構成できるだけでなく、起動時やシャットダウン時、あるいは異常発生時にユーザーに操作を案内できることを意味します。-このアプローチは、より堅牢で、より広い環境許容度を備えた、より堅牢で掃除が簡単なインターフェースを提供しますが、ソフトウェア、多くの場合複雑なソフトウェアというコストがかかります。--
当然のことながら、画面によって制御されるさまざまなデバイス自体は、プロセッサーとソフトウェアによって管理されます。個々のマシンは、CAN や産業用イーサネットなどの何らかの形式のバスを介して、相互に通信したり、システム コントローラ全体と通信したりできます。多くの場合、堅牢なリアルタイム制御要素が必要とされ、アプリケーションは安全性が重要となる場合があります。-したがって、システム アーキテクチャ全体は、安全に定義されたインターフェイスを除いて、タッチスクリーン コントローラーと GUI をシステム データ全体から分離するように設計する必要があります。これにより、GUI ソフトウェアの問題がシステム全体や個々のデバイスの安全性を損なうことがなくなります。
この分離は、汎用オペレーティング システムを実行する別のプロセッサですべての GUI およびタッチスクリーン アクティビティを実行する一方で、制御アクティビティは独自のプロセッサ上のリアルタイム オペレーティング システムで実行されることから発生する可能性があります。{0}{1}プロセッサは、物理的に独立したデバイス、単一チップ上の独立したコア、または仮想化ソフトウェアによって作成された仮想コアの場合があります。
この記事では、物理的に独立したコントローラーについて説明しますが、説明のほとんどは仮想コア内で実行されるタッチスクリーン コントローラーにも当てはまります。
図 1: 産業用 HMI 環境におけるタッチスクリーン制御。このシナリオでは、同じ MCU/MPU が 2 つのデバイスを実行しているように見えます。1 つは CAN バス経由で PLC に接続され、もう 1 つはタッチスクリーン インターフェイスを操作します。
スクリーンテクノロジー
タッチスクリーン技術は複数存在しますが、市場で最も普及し支配的なのは容量性技術と抵抗性技術の 2 つです。
抵抗スクリーンは通常、エアギャップで分離された 2 つのガラスまたはプラスチックの層で構成されます。 1 つの層には水平方向の導線があり、もう 1 つは垂直方向の導線があります。最上層に加えられる圧力によってこれらのワイヤが接続され、XY 座標が提供されます。実装の詳細はさまざまですが、通常、画面は 4 つのポートを介してコントローラーに接続されます。
静電容量検知スクリーンはさまざまな詳細な技術を採用していますが、導電性物質 (指など) に依存してスクリーン領域の静電容量を変更し、この変化を XY 座標として検出します。静電容量センシングには産業用途では制限があります。指が手袋、特に分厚い作業手袋の中にある場合、測定するには静電容量の変化が不十分になる可能性があり、RF エミッションなどの環境要因が静電容量に影響を与える可能性があります。どちらのテクノロジーもマルチ-タッチ入力-をサポートしています。たとえば、2 本の指を広げたり、つまんだりして GUI 要素を拡大または縮小します。
画面サイズは大きく異なります。スペクトルの一端には、3M などのメーカーの大型 32 インチ ディスプレイがあります。もう 1 つは、対角 3.5 インチ (2.83 インチ x 2.07 インチ) という小さな画面です。
GUI
タッチスクリーンには何らかの形式の GUI が表示されます。これは、Windows のバージョンなどの汎用インターフェイスである場合も、アプリケーション用に特別に生成されたインターフェイスである場合もあります。明らかに、コントローラで利用可能なメモリの量は、インターフェイスを選択する際の重要な要素になります。その他の要因には、必要なディスプレイの複雑さ、コストの制約、ディスプレイのサイズなどがあります。
表示される画像の品質は、必ずしも徹底的に調査されているわけではありません。ライブラリからいくつかのシンボルやアイコンを選択して画面上に配置するだけでは十分な場合はほとんどありません。インターフェイス設計に関してはかなりの研究が行われており、ISA (国際オートメーション協会) 内のグループが ISA101 標準に取り組んでいるようです。
図 3: Atmel は、多くのプロセッサに専用のタッチスクリーン インターフェイスを組み込んでおり、一部のプロセッサには専用の周辺インターフェイスとしてハードウェア QTouch 取得機能も搭載されています。マイクロコントローラー
現在、多くのマイクロコントローラー メーカーがタッチ センシングのサポートを提供していますが、これらは通常ハンドヘルド デバイスやポータブル デバイスを対象としています。産業分野では、Atmel は、特にスライダー、ホイール、ボタンなどのタッチ-感知デバイス-のメーカーである Quantum Research の買収後、重要な役割を果たしています。広範なAT42QT専用タッチスクリーンコントローラに加えて、同社はマイクロコントローラ用のQTouchタッチスクリーン制御ソフトウェアライブラリを開発し、AVR UC3、AT MegaおよびX Megaシリーズ、LCDコントローラなどの多数のプロセッサファミリとタッチスクリーンを接続するための「タッチチャネル」を追加しました。 tinyAVR シリーズの一部のモデルなど、一部のモデルにはハードウェア QTouch 取得も組み込まれています。これらのマイクロコントローラーは、さまざまな開発キットおよび評価キットによってサポートされています。
Texas Instruments (TI) は、ARM Cortex-M3 Stellaris プロセッサをベースにした一連のタッチスクリーン アプリケーション「スマート ディスプレイ モジュール」を開発しました。これらはリファレンス設計として機能し、回路図、部品表、PCB レイアウト用のガーバー ファイル、およびサンプル アプリケーションによってサポートされています。さらに、TI はこの範囲を超えてモジュールを大量販売向けに提供し、特定のアプリケーション向けの生産を簡素化する予定です。 3 つのモデルが用意されており、いずれも温度強化プロセッサを備えた産業用アプリケーションをターゲットとしています。-オプションには Power over Ethernet とギガビット イーサネットが含まれており、それぞれ 2.8 インチ画面と、より大きな 3.5 インチ画面オプションを備えています。-これらの製品は、Cortex-M3 を取り巻く広範なエコシステムとともに、Stellaris ソフトウェアおよびグラフィックス ライブラリによってサポートされています。
インフィニオンは、XC82x および XC83x 8 ビット マイクロコントローラのペリフェラル インターフェイスの 1 つとしてタッチ センシング コントローラを導入しました。{0}このコントローラーは主に単純な LED ボタン、スライダー、またはホイール パネル用に設計されており、時分割多重化を介して LED マトリックス コントローラーと画面インターフェイスを共有します。
Microchip は、「メタル キャップ」静電容量センシング技術を開発しました。この技術では、フロント パネル (ステンレス鋼、アルミニウム、またはその他の適切な材料) を PCB 上に配置し、その間に小さなエア ギャップを設けます。上面の記号は PCB 上のセンサーを表します。圧力により上面がたわみ、パネルとセンサーの間のギャップが変化し、それによって静電容量が変化します。アプリケーションに応じて、制御ソフトウェアはソフトタッチとハードタッチを区別できます。 Metal Cap は、単純なスイッチングを必要とする産業環境に特に適しており、mTouch ソフトウェア ライブラリは静電容量式タッチをサポートしています。 PIC マイクロコントローラ ファミリの多くの 8 ビット、16 ビット、および 32 ビット メンバーがこの機能をサポートしています。一部の製品では、ディスプレイ制御、CAN バス インターフェイス、および USB インターフェイスと組み合わせられています。このアプリケーションをサポートするために、当社はさまざまな開発キットおよび評価キットを提供しています。
図 4: Microchip の「金属で覆われた」センサーは、静電容量を変化させるために変形する金属パネルを利用しています。
タッチスクリーン制御用のマイクロコントローラー製品の大部分は、ポータブルおよびハンドヘルドデバイスで使用されています。多くのマイクロコントローラー サプライヤーは、自社の標準製品上で動作し、標準の汎用 I/O (GPIO) チャネルを通じてコントローラーと通信するタッチスクリーン制御ライブラリを開発しています。-これらのライブラリは産業用制御アプリケーションで使用できますが、それらを実行するプロセッサは、産業環境に通常伴う過酷な条件に耐えられない可能性があります。これは、マイクロコントローラーの設計者が低消費電力を優先する場合に特に当てはまります。-バッテリー寿命が依然として最大の関心事であるポータブル デバイスでは当然のことです。
タッチスクリーン インターフェイスは、その固有の堅牢性と製造環境の過酷な現実に耐える能力により、産業オートメーションにおいてますます重要な役割を果たすことになります。ただし、導入は簡単そうに見えますが、設計者はインターフェースの設計と、インターフェース ソフトウェアが効果的に機能するためには、インターフェース ソフトウェアと安全性が重要なアプリケーションを実行するソフトウェアとの関係に細心の注意を払う必要があります。-