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工业HMI解决方案:与英飞凌科技公司旗下赛普拉斯公司的近距离接触

KamillaAliakhmet
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人机界面或HMI使我们能够通过各种输入和输出元素(例如按钮、滑块或触摸面板)与机器或系统进行交互。该术语通常与工业环境相关,但是在消费者和汽车行业部门也有不少应用。工业人机界面是专门为控制或协调制造或工业过程而设计的。工业HMI的常见用例之一是工厂自动化,操作员或维护人员可以连接到可编程逻辑控制器(PLC)系统,并直接从HMI监视和控制工厂车间的机器。  

本文讨论了赛普拉斯半导体如何实现工业人机界面的设计,并重点介绍了一些入门产品建议。其解决方案的功能框图如下所示。 

 

工业HMI的功能框图(cypress.com) 

以下各节将引导您了解工业HMI的三个不同设计方面:处理和传感功能、内存扩展选项和连接解决方案。 

处理与传感 

工业HMI的控制器通常通过某种嵌入式处理器(例如MCUMPUFPGA)实现。所需的处理能力将取决于设计人员要在HMI中包含的功能及其预期的最终应用。  包含极其基础接口的HMI可以由低性能处理器(小于300 MHz)支持,而高端HMI必须包括高性能处理器(大于1 GHz)以及诸如2D3D图形加速器之类的高级功能、用于音频和视频处理的DSP等。 

在选择合适的处理器时,需要考虑的另一个因素是拟用于输入元素(包括按钮、小键盘、滑块或触摸屏)的传感技术。通常,低功耗、集成的MCU用作辅助控制器,在这里用作传感器/ HMI集线器。 

电阻传感技术已经存在了一段时间,大多数处理器都可以自然地支持该技术。但是,有一些问题可能导致设计人员无法将电阻感应用于关键的工业应用,例如在工厂环境中。这些问题可能包括响应速度、误触、由于一般磨损而导致的使用寿命有限以及抗冲击性低等。基于电容式和感应式的触摸感应可以提供电阻式感应无法保证的耐用性和功能。赛普拉斯提供的CapSense®电容感测和MagSense电感感测解决方案都包含这两种技术。下表总结了这两种技术,但是如果您需要更深入的说明,请查看赛普拉斯的这篇文章。 

 

电容感测 

电感感测 

优点 

  • 提供混合感测(互电容和自电容感测方法)以实现高级功能,例如接近感测、悬停和手套触摸、耐液性 
  • 提供多点触摸感应功能 
  • 实现低成本系统 
  • 使设计易于应用程序 
  • 在恶劣的环境和环境中提供鲁棒性和可靠性 
  • 实现完全防水的系统 
  • 启用水下功能 
  • 提供接近感应手套触摸 

缺点 

  • 不完全防水,仅耐液体(拒水) 
  • 容易受到环境和周围环境的影响 
  • 调整可能很困难 
  • 完整的硬件设计 
  • 复杂的硬件设计导致产量较低 
  • 调整可能很困难 

 

赛普拉斯PSoC 4PSoC 6架构使设计人员能够将这些先进的触摸感应技术集成到其HMI系统设计中。CapSense电容感测入门的一些优质开发套件包括:PSoC 6 BLE先锋套件(CY8CKIT-062-BLE) (136-7817) PSoC 4100S Plus原型套件(CY8CKIT-149) (176-9834) PSoC 4 BLE先锋套件(CY8CKIT-042-BLE-A) (124-4184) MagSense模块目前在PSoC 4700 MCU系列中使用,具有 PSoC 4700S电感感测评估套件 (CY8CKIT-148) (181-3725) 及其关联电感感测线圈分线板(CY8CKIT-148-COIL) (190-4951) 。查看DesignSpark的最新两款产品的开箱视频 

内存 

工业HMI设计可能需要可扩展的内存选项,以适应高级系统功能,包括连续数据记录和快速启动时间。例如,在工厂自动化领域,可以访问机器中连续记录的数据,这提供了识别数据趋势并发现任何被忽略的问题或遗漏通知的机会。更快的启动时间可确保快速响应的用户体验。高级用户界面(例如图形用户界面(GUI))可能还需要大量额外的内存来进行缓冲。用于工业HMI的内存解决方案应能够长期承受恶劣的环境条件。 

解决方案图中推荐的存储器扩展选项属于赛普拉斯的HyperBusTM内存产品系列,使用其HyperBus接口技术。   HyperBus接口具有出色的功能,包括低引脚数(12引脚)、高带宽(最高333 MB/s)和较小的占用空间。 

12HyperBus接口(cypress.com) 

HyperRAMHyperFlash存储设备可以共享此接口,与现有的SDRAMQuad SPI解决方案相比,大大减少了连接到主机微控制器所需的引脚数。HyperRAM可以用于显示帧缓冲,而HyperFlash可以存储处理器启动代码、应用程序代码和预渲染的图形。这两个系列均可承受广泛的温度范围,即工业温度(-40°C+ 85°C)和工业温度范围(-40°C+105°C),使其非常适合工业应用。HyperFlash还可以在扩展(-40+125C)温度范围内运行。 

HyperRAM采用24FBGA封装,占地面积仅为48mm2并提供64Mb128Mb密度版本(201-7970)超级闪存范围从128Mbit512Mbit 

连接性 

连接性是实现工业HMI的重要参数。传统的工业自动化系统倾向于使用以太网端口,串行RS232RS485连接,以使用为工业通信设计的协议与控制功能(例如PLC)进行通信。近年来,由于没有在工厂车间铺设昂贵的电缆的诱人前景,无线连接解决方案越来越受到关注。任何无线连接都必须具有能够承受恶劣工业环境的稳定可靠的连接。同时,服务技术人员需要每次都能立即连接,并且由于互操作性问题而没有连接问题的余地。 

对于连接选项,赛普拉斯提供了范围最广、吞吐量和互操作性最广泛的蓝牙、WiFi和组合的WiFi/蓝牙解决方案。高度集成的CYW4343W芯片支持2.4 GHz WLAN和蓝牙功能,可通过MurataLBEE5KL1DX模块出货。CYW4343W与用于蓝牙连接的基本速率(BR)、增强型数据速率(EDR)和蓝牙低功耗(BLE)标准兼容,并与IEEE 802.11bIEEE 802.11gIEEE 802.11n无线标准兼容。LBEE5KL1DX模块与CYW4343W芯片一起包装了一个低通滤波器和一个匹配电路,并采用紧凑的LGA封装。 

 

Murata LBEE5KL1DX模块(murata.com) 

LBEE5KL1DX模块也可通过以下渠道获得PSoC 6 Wi-Fi BT原型套件(CY8CPROTO-062-4343W) (181-2206) PSoC®6 WiFi-BT先锋套件(CY8CKIT-062-WiFi-BT)(175 -4669) 

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Additional resources:

PSoC MCUs: Delivering Capacitive-Sensing & Inductive-Sensing for Today’s Embedded Designs

I am an electronics engineer who is passionate about technology. In my spare time, I like travelling, blogging and learning new languages. よろしくお願いします.

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