Моля, не докосвайте!

Съвременни HMI решения от 1D до 3D

Илеана Кегес, Rutronik Elektronische Bauelemente

 

Сензорната техника революционизира въвеждането на данни и преди няколко години механичните копчета, бутони и плъзгачи бяха заменени от чувствителни на допир пластмасови или метални повърхности. Това даде възможност за вграждане на панели за управление в уредите и за навлизане на модерните HMI технологии в индустриалните цехове. При технологията “капацитивно докосване”, базирана на кондензатор, човешкият пръст приема функцията на плочата на кондензатора. По-усъвършенствана конструкция дава възможност за реализиране на безконтактен ключ. В този случай управлението се активира малко преди задействането, което води до икономия на енергия. Днес това се нарича 1D въвеждане.

 

Скоро след това се появи мултисензорният екран, който се реализира на базата на проекционно капацитивната и резистивната технологии. В този случай потребителят докосва сензорния панел, който се намира в предната част на екрана. Контролер на сензорния екран изчислява точките на докосване и изпраща информацията за последваща обработка. Така функционира технологията за 2D въвеждане.

 

Безконтактно жестово управление

Понастоящем идва редът на 3D - управлението с жестове. “То ще е все по-търсено  от нашите клиенти“, твърди Илеана Кегес, продуктов мениджър по продажби на микроконтролери в Rutronik Elektronische Bauelemente. “Могат да се споменат няколко предимства спрямо познатите сензорни технологии: Чувствителните повърхности се предпазват, стерилните повърхности остават стерилни. За обслужването на машини, при които могат да изтичат масло и агресивни течности стават излишни предпазните ръкавици. За целта Microchip разработи решение, което ние имаме удоволствието да препоръчаме - GesticIC MGC3130.“

Този контролер за близко 3D следене и управление с жестове се базира на патентованата технология GestIC® на Microchip, която осигурява възможност за разпознаване с висока чувствителност без зони на нечувствителност с обсег до 15 cm. Полето на въвеждане се създава от датчик на електрическо поле, чиито сигнали се обработват от микроконтролера MGC3130.

 

Повърхността на датчика се състои най-малко от четири електрода, които са разположени под прав ъгъл помежду си. Тук се създава електрическо поле 3 V до 100 kHz, което е разпределено равномерно. Ако вследствие на движението на ръката се получи промяна на полето, датчикът детектира тези малки отклонения в сигнала. MGC3130 анализира резултатите в реално време с помощта на 32-битова цифрова обработка на сигнала. Четирите електрода регистрират движение в посоките X, Y и Z. Чрез него MGC3130 изчислява движението на ръката. „Могат да се разпознават не само прости движения, като например нагоре-надолу и наляво-надясно, но също и кръгообразни и дори движения във вид на символи, общо осем различни движения“, пояснява Илеана Кегес. Чрез въртене на виртуално копче потребителят може например да управлява вентил или да увеличава, или намалява нивото на пълнене чрез движение нагоре и надолу, да стартира приложение, да щрака, да променя размера и да превърта меню.

 

Максималното разстояние 15 cm гарантира, че ще се обработват само преднамерените движения на потребителя. „Поради това, че чрез тази технология за разпознаване на движенията е необходима промяна на електрически полета, тук са изключени “лъжливи въвеждания“ под въздействието на светлина или звук“, допълва Кегес. Автоматичното самокалибриране прави системата устойчива на смущения и се грижи за поддържане на точността през целия срок на експлоатация.

 

Електродите могат да се реализират с всички здрави проводящи материали, напр. пластинки, печатни платки или проводящи фолиа. „Поради това технологията GestIC на Microchip е едно много икономично решение“, заявява Илеана Кегес. Тънките материали позволяват невидимо интегриране на решението зад наличния корпус или панел, без да се нарушава общият дизайн. Датчикът може да се монтира зад непроводящи материали - стъкло, пластмаса или керамика с дебелина до 1 cm. Площта на датчика е мин. 25x25 cm и макс. 140x140 cm. Той може да се адаптира към съществуващи приложения и дава възможност за лесен преход от 1D или 2D към 3D. “Тези различни технологии могат да се комбинират, когато електродите са вградени като рамка около даден дисплей и същата може да се използва като сензорна повърхност. Практично приложение на същото е пулт за управление с дисплей и бутони“, посочва Илеана Кегес.

 

Консумацията на енергия в активен режим на разпознаване и непрекъсната работа е само 150 uW. Освен това в MGC3130 разполага с енергоспестяващи функции. “детектирането на приближаване” дава възможност за реализиране на безконтактен ключ. Чрез “самосъбуждане от спящо състояние“ чипът остава в режим на самосъбуждане, докато безконтактният ключ разпознае движение на потребителя. Тогава системата преминава веднага автоматично в режим на напълно функционален датчик. Щом ръката напусне зоната на разпознаване, системата отново се връща в енергоспестяващ режим.

 

“Конструкцията на електродите на датчика изисква известно внимание, понеже в противен случай движенията няма да се разпознават недвусмислено. За да подпомогне разработчиците, Microchip предлага в качеството на еталон развойния комплект Hillstar“, пояснява Илеана Кегес.

Комплектът Hillstar съдържа включва GestIC® и библиотеката Colibri Suite. Чрез нея се извършва настройка на параметрите, съответстваща на изискванията на клиентите. Тя предоставя на цифровия изход на MCG3130 данни с висока разделителна способност за следенето на позиции X/Y/Z на ръката, като движения във вид на линия, кръг и символ. 

 

За запознаване с технологията Microchip предлага няколко демонстрационни комплекта, като например “Регулиране на светлини“. В автономен режим MGC3130 управлява стълб от светодиоди чрез движение на ръката, като отделните светодиоди могат да се включват или 

изключват един след друг. Чрез кръгови движения на ръката се регулира силата на светене. Това е възможно благодарение на софтуера за графичен потребителски интерфейс Aurea. Той дава не само възможност за настройка на параметрите на MGC3130, но улеснява и тяхната актуализация и запаметяване. "Клиентите, на които сме демонстрирали системата, останаха впечатлени. Тя е идеалното решение преди всичко при оператори на машини, които носят ръкавици, както е в медицината или в производствени процеси“, твърди Кегес.

 

Оптични решения

Освен технологията GestIC от Microchip, Rutronik предлага също решения за управление с движения от Vishay и Osram. "Те обаче не могат да се сравняват, понеже са базирани на напълно различен принцип“, пояснява Илеана Кегес. Vishay и Osram се опират на оптично решение. Датчикът за присъствие/платката за управление чрез движение на Vishay се базират на техния датчик за присъствие и околна осветеност VCNL4020. Чрез сила на светенето типично 80 mW/sr при 200 mA се реализира възможност за разпознаване на движението на ръката на до 15 cm над платката на датчика. Движението се разпознава чрез сравнение на инфрачервените сигнали на всички излъчватели. Когато инфрачервена светлина се отрази от даден предмет, напр. ръка, датчикът за присъствие VCNL4020 регистрира отражението. За да се различават сигналите от различните излъчватели, същите се мултиплексират, т.е. те се включват бързо един след друг. Сигналът за присъствие се отчита между импулсите по интерфейса І2С. Когато има ръка в близост до платката, от нея се връща сигнал с по-голяма амплитуда от датчика, над който се намира същата. При движение на ръката над платката съответно нарастват и сигналите от другите излъчватели. Тази времева разлика в силата на сигнала се анализира, за да се разпознае движението и неговата посока.

 

Технологията GestIC на Microchip е модул, който се състои от повърхността на датчика и интегралната схема за разпознаване на жестове MGC3130. Максималното разстояние за разпознаване на движение е 15 cm. За сравнение, оптичното решение се нуждае допълнително от микроконтролер за оценка на изходните сигнали по интерфейса І2С. Предимство на оптичното решение е по-голямото разстояние (25 cm), до което е възможно разпознаването на движение на ръката.

 

"Понеже жестовете с ръце са най-естественото движение, 3D управлението ще се утвърди при много други сценарии, от дневната стая и леката кола до домовете за грижи, старческите домове, болниците и много други.“ подчертава Илеана Кегес.