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サイプレス(インフィニオン)が提供する産業用HMIプロトタイピングソリューション

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インフィニオンテクノロジーズ社とサイプレスセミコンダクタ社

(先日、インフィニオンテクノロジーズ社がサイプレスセミコンダクタ社を買収しました。つまり現在、インフィニオンテクノロジーズ社はサイプレス社の親会社となります。)

ヒューマンマシンインターフェイス(HMI:Human-Machine Interface)とは、機械やシステムをに対して、人間が操作するボタン、スライダー、タッチパネルなどの入出力機能のことを指します。通常、この用語(HMI)や関連する技術はFAや産業機器でによく見かけますが、最近では民生機器や自動車分野での応用例が進んできています。 産業用HMIは特に製造機器の制御・調整で活用されています。今後の産業自動化の流れにより工場の運用担当者や保守担当者が直接HMIからPLC(シーケンサ)を通して工場内の機械を操作・監視するようになるでしょう。 

この記事ではサイプレスセミコンダクタ社が産業用HMIの設計に対するアプローチを説明するとともに、産業用HMI開発者にお勧めの製品を紹介します。サイプレスセミコンダクタ社のソリューションの機能ブロック図は以下のようになっています。

産業HMIの機能ブロック図

産業用HMIの機能ブロック図

ではこれから産業用HMIの3つの重要な設計ポイントである、①処理とセンシング、②メモリ、③コネクティビティ について説明します。

処理とセンシング

産業用HMIのコントローラーとはいっても、結局通常のMCUやMPU、FPGAなどの組み込みマイコンが実装されています。どの程度の処理能力が必要かは、設計者がどんなHMI機能を搭載したいか、どのようなアプリケーションを使用するのかにより異なります。基本的なアプリケーションや機能であれば低性能のプロセッサ(300MHz未満)で十分対応できますが、2D、3Dグラフィックス、オーディオ、ビデオ処理用のDSPなどリッチなHMIを搭載するには、高性能なプロセッサ(1GHz以上)を搭載し尚且つグラフィックスアクセラレータ、AV用DSPなどの高度な部品が必須になります。

またセンシングの面でも適切なプロセッサを選ぶ必要があります。ここでのセンシングとはキーパッド、スライダー、タッチスクリーンなどの入力要素であるセンシング技術です。低電力の統合MCUはこれらのセンサーおよびHMIのハブとして機能するセカンダリーコントローラーとして使用されます。

例えば抵抗検知センシングはプロセッサ負荷も小さいシンプルな技術ですが、工場などの産業機器で使用されることはあまりありません。理由は応答性、誤タッチ、動作寿命の短さや低対ショック性能が挙げられます。こういった問題を排除して考えるると、静電容量方式と誘導センサーをベースとしたタッチセンサーが有望です。タッチセンサーは抵抗検知センシングが保持しない頑丈性機能性を提供します。これら優位性のあるセンシング技術はサイプレス社がそれぞれCapSense®静電容量式センサー、MagSense™誘導型センサーとして提供しています。下記の表は2つの技術のメリット、デメリットをそれぞれ記したものです。より詳細が知りたい方はサイプレス社のこの記事をご覧ください。

  静電容量センシング 誘導センシング
メリット
  • ハイブリッドセンシング(相互および自己容量センシング方式)を提供して、近接センシング、ホバーおよびグローブタッチ、耐水性を持つ
  • マルチタッチセンシング機能をもつ
  • システムの低コスト化が可能
  • センシングのためのアプリケーション開発を簡単化
  • 過酷な環境での堅牢性と信頼性をもつ
  • 完全防水化が可能
  • 水中での使用が可能
  • 近接センシンググローブタッチをもつ
デメリット
  • 完全防水ではなく、耐水性である
  • 外部環境の影響を受けやすい
  • チューニングが難しい場合がある
  • 完全なハードウェア設計が必須
  • 複雑なハードウェア設計では産出率の低下の恐れ
  • チューニングが難しい場合がある

 

サイプレス社のPSoC 4PSoC 6は、上記のような高度なタッチ・センシング技術を搭載したHMIシステムの開発に適しています。CapSense静電容量センシングを開始するための優秀な開発キットの一例としてPSoC 6 BLE パイオニアキット (CY8CKIT-062-BLE) (136-7817) , PSoC 4100S Plusプロトタイピングキット (CY8CKIT-149)  (176-9834) , PSoC 4 BLE パイオニアキット (CY8CKIT-042-BLE-A)  (124-4184) があります。またMagSenseでは PSoC4700S誘導センシング評価キット (CY8CKIT-148) (181-3725) および関連する誘導センシングコイルブレイクアウトボード (CY8CKIT-148-COIL) (190-4951) を実装済みのPSoC 4700MCUファミリがあります。DesignSparkの開封動画ではPSoC4700S誘導センシング評価キットと誘導センシングコイルブレイクアウトボードの製品を特集していますのでチェックしてみてください。

メモリ

産業用HMI設計では継続的なデータロギングや高速起動などの高度なシステムに対応するために拡張可能なメモリオプションが必要になります。一例としてファクトリーオートメーション(工場の生産工程の自動化を図るシステム)の分野ではマシンから継続的に記録されるデータにアクセスすることでデータの傾向を特定しヒューマンエラーを防ぐことができます。また起動時間の短縮化により工程全体の高速化が取れ生産性の向上が期待できます。またGUIなどの私たちが慣れ親しんでいるインターフェイスを適用する場合でも相当量な追加メモリが必要になります。

産業用HMIは長時間にわたる過酷な環境に耐えなければなりません。 下記のソリューション図はメモリ拡張オプションを記しており、サイプレス社のHyperBusインターフェイス技術を使用したHyperBusTMメモリファミリを表しています。HyperBusインターフェイスはピン数が少ない事や帯域幅が広い(最大333 MB / s)、フットプリントが小さいなどの優れた機能を持ち合わせており耐久性や持続性に特化した設計を可能にします。

12ピンHyperBusインターフェイス図

12ピンHyperBusインターフェイス(cypress.com)

HyperRAMとHyperFlashメモリデバイスはHyperBusインターフェイスを使用でき、既存のSDRAMやQuad SPIと比較してホストマイクロコントローラーへの接続に必要なピン数を大幅に削減することができます。HyperRAMはディスプレイバッファに用いられHyperFlashはプロセッサブートコード、アプリケーションコードおよびプリレンダグラフィックを格納することができます。どちらのファミリも産業用の温度(-40°C~+85°C)およびそれ以上の温度(-40°C~+105°C)で動作が可能です。HyperFlashはさらに拡張温度範囲(-40℃~+125℃)での動作も可能です。

HyperRAMは48mm2の小さなフットプリントを持つ24ボールFBGAパッケージで64Mbと128Mbのバージョンが用意されています (201-7970) .。HyperFlash では128Mbitから512Mbitまでが提供されています。

コネクティビティ

コネクティビティ(他部品との接続性)は産業用HMIを実装するための重要なパラメーターです。従来の産業用オートメーションシステムは、RS232、RS485、イーサネットポートなどを使い、産業通信用に設計されたプロトコルでPLCなどと通信することが一般的でした。しかしこれらの接続法にはいずれも広大な工場で“高価なケーブル”を巡らせる必要がります。そこで近年ではワイヤレス接続の採用で、ケーブルコストを削減することが注目を集めています。過酷な産業環境に耐えられる高水準な接続性能はワイヤレス接続には必須です。同様にサービス技術者がすぐに対応するため早い応答性を持つ接続が求められます。加えてこれらの相互運用によって発生する問題も抑えなければなりません。

サイプレス社は接続オプションにおいて単体のBluetooth、WiFiおよび広大な通信範囲、高レベルなスループット、相互運用性を備えたWiFi・Bluetoothの複合ソリューションを幅広く提供しています。村田製作所の「LBEE5KL1DXモジュール」から入手できる2.4GHzのWLANとBluetooth機能をサポートする高集積チップ「CYW4343W」もその1つです。CYW4343WはBluetooth接続の基本レート(BR)、拡張データレート(EDR)、Bluetooth Low Energy (BLE)規格に対応しIEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11nの無線規格にも互換性があります。LBEE5KL1DXモジュールは、CYW4343Wチップとともにローパスフィルタと整合回路を搭載しコンパクトなLGAパッケージで提供されています。

村田製作所のLBEE5KL1DXモジュール図

村田製作所のLBEE5KL1DXモジュール(murata.com)

LBEE5KL1DXモジュールは PSoC 6 Wi-Fi BTプロトタイピングキット(CY8CPROTO-062-4343W)(181-2206)およびPSoC® 6 WiFi-BT パイオニアキット(CY8CKIT-062-WiFi-BT)(175 -4669)を介しても利用可能です。

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追加要素:

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

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