Eingabesysteme in der Industrie Bei Embedded-Systemen mit Touch ist I²C die Schnittstelle

Autor / Redakteur: Matthias Keller * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine Schnittstelle auf Basis von I²C ist bis zu 40% günstiger als eine vergleichbare USB-Variante. Doch welchen Nutzen bietet I²C noch? Das verraten wir Ihnen im folgenden Text.

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Eingabe am Display: Die I²C-basierten Touch-Systeme arbeiten sehr energieeffizient und bei hoher Geschwindigkeit. Damit bieten sie einen Vorteil gegenüber USB-Systemen.
Eingabe am Display: Die I²C-basierten Touch-Systeme arbeiten sehr energieeffizient und bei hoher Geschwindigkeit. Damit bieten sie einen Vorteil gegenüber USB-Systemen.
(Distec)

Ursprünglich in den 1980er Jahren für die geräteinterne Kommunikation zwischen ICs der Unterhaltungselektronik entwickelt, gewinnt der I²C- (Inter-Integrated-Circuit-)Bus nun auch in modernen, immer kompakter werdenden elektronischen Geräten mit Touch-Display stark an Bedeutung. Entwickelt wurde das System von Philips, um verschiedene Chips in Fernsehgeräten steuern zu können.

Konzipiert ist der Bus als Master-Slave-System, wobei der Datentransfer immer durch den Master initiiert wird. Auch sind mehrere Master möglich. Wenn es um die Kommunikation zwischen Touch-Controller und Rechnereinheit ging, setzte man früher in industriellen Applikationen hauptsächlich auf die RS232- und teilweise auch auf die PS/2-Schnittstelle.

Vor allem die RS232-Schnittstelle bietet ein bewährtes, robustes Protokoll, kombiniert mit mechanisch verschraubbaren Steckern. Für resistive Sensoren war und ist der Standard RS232 daher sehr beliebt.

Trotz Schnelligkeit bei USB ist I²C die bessere Wahl

Mit dem Fortschreiten der PC- und Touch-Technik kam dann immer häufiger auch USB als Schnittstelle der Wahl zum Einsatz. Die Vorteile sind klar: Die Systeme können im laufenden Betrieb ein- und ausgesteckt werden (Hot-Plug) und wenn ein passendes Betriebssystem auf dem PC verwendet wird, funktionieren die Touches unkompliziert als HID-Devices, ohne dass manuell ein Treiber installiert werden muss. Außerdem bietet USB genügend Bandbreite, um auch die Datenflut aktueller Multi-Touch-Systeme mit Mehrfinger-Bedienung, Palm- und Water-Rejection sowie integrierten kapazitiven Tasten zu transportieren. RS232 wäre dafür zu langsam.

Für zeitgemäße Embedded-Systeme jedoch braucht es heutzutage mehr als nur einen schnellen Datentransfer und Hot-Plug ist eigentlich kein Thema, wenn sich Touch und Rechner im selben Gehäuse befinden. Klobige und schwere Display-Einheiten werden nicht mehr gerne verwendet, weil auch bei industriellen Anwendungen mehr Wert auf ein optisch ansprechendes Design gelegt wird.

Welchen Nutzen die Schnittstelle I²C bietet

Touch-Systeme, die auf der Schnittstelle I²C basieren, arbeiten im Vergleich zu einer RS232-Schnittstelle mit einer sehr hohen Geschwindigkeit bei Datenraten von bis zu 3,4 MBit/s. Zudem sind sie energieeffizient, da sie schon ab einer Versorgungsspannung von 1,2 V arbeiten. Die Leistungsaufnahmen der Geräte sind dabei sehr gering. Das bietet den Vorteil, dass Netzteile, Akkus in Handhelds und entsprechende Peripherieschaltungen sehr kompakt dimensioniert werden können. Das spart nicht nur Platz, Gewicht und Kosten durch einen reduzierten Kühlaufwand, sondern erhöht auch die Lebensdauer aufgrund der niedrigeren Wärmebelastung aller Komponenten im System.

Ein weiterer und aus Sicht eines Entwicklers entscheidender Vorteil des I²C-Bussystems ist die Tatsache, dass seit einigen Jahren keine Lizenzgebühren mehr anfallen. Das macht die Chips bei reinen I²C-ICs deutlich günstiger als USB- oder entsprechende andere Kombi-Lösungen. Bei entsprechender Chip-Auswahl lassen sich hier die Kosten ohne Einbußen bei der Funktion nochmals um gut 30% senken.

Neben der reinen Hardware entscheidet die Software

Distec als Hersteller bietet seinen Kunden Touch-Lösungen mit I²C-Interface an, die 30 bis 40% günstiger sind als die vergleichbaren USB-Varianten. Sie verfügen über ein schlankes Design, einen schwarzen Passepartout-Druck und sind in den Diagonalen 5, 7, 10,1 und 10,4'' erhältlich. Auf Projektbasis können weitere Größen bis derzeit maximal 24'' realisiert werden. Auch auf gestalterischer Seite wie bei Formen, Farben und Logos gibt es nahezu keine Einschränkungen.

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Optical Bonding für Touch-Systeme

Ein 12,1"-TFT-Display gebondet mit Touch-Sensor und PMMA.
Ein 12,1"-TFT-Display gebondet mit Touch-Sensor und PMMA.
( Distec )
Nicht nur die Schnittstelle entscheidet: Distec hat für seine TFT-Displays ein spezielles Bonding-Verfahren entwickelt. VacuBond ist ein automatisierter Vakuumprozess, um Displays fehlerfrei und kostengünstig zu bonden. Verwendet wird dabei das Hochleistungssilikon optoGel der japanischen Firma Taica.

Der automatisierte Prozess und das homogene Silikonmaterial gewährleisten eine hohe Fertigungsqualität. Reinraumbedingungen sorgen dafür, dass keine Staub- oder Schmutzpartikel das Ergebnis beeinträchtigen. Ein direktes Bonden eines TFT-Displays in kundenspezifische Rahmen oder Gehäusefronten mit integriertem Schutzglas ist möglich. Der VacuBond-Prozess ist reversibel, das heißt die einzelnen Komponenten können auch wieder entbondet werden, was beispielsweise eine Reparatur stark vereinfacht.

Das Optical Bonding ist ein Veredelungsverfahren für TFT-Displays, bei dem ein Schutzglas, ein Touch-Screen oder auch eine Kombination aus beiden auf ein TFT-Display aufgebracht werden. Die Luftspalte zwischen den einzelnen Komponenten werden dabei versiegelt und Reflexionen einfallenden Lichts an den Oberflächen zu 99% eliminiert. Dadurch entstehen auch beim Einsatz im Freien und bei Auflicht hohe Werte bei Kontrast und Farbbrillanz. Die Ablesbarkeit verbessert sich deutlich, ohne dass die Helligkeit und damit auch der Stromverbrauch erhöht werden müssen.

Die hohe Fertigungspräzision erreicht Distec durch automatisierte Prozesse und die Verwendung von Produktions-Jigs. Dabei handelt es sich um Schablonen mit langer Lebensdauer, die die korrekte Position der einzelnen Komponenten während des Bonding-Prozesses garantieren und für eine gleichbleibende Qualität bei der Produktion jeder Stückzahl sorgen. Die Grundlage jeder neuen Kombination aus TFT-Display und Glas ist eine exakte Messung der Kontaktwinkel und der physikalischen Adhäsionskräfte. Diese Messung erfolgt mit einem modernen Messgerät und einer Software, die mit Hilfe spezieller Flüssigkeiten die Oberflächenenergie in polare und disperse Anteile aufschlüsselt.

Um neben der reinen Hardware der Touch-Displays auch bei der I²C-Anbindung professionellen Support sowie rasche Design-In-Unterstützung anbieten zu können, haben die Ingenieure am Distec-Standort in Germering bereits zahlreiche Implementierungen für diverse Linux-Kernel-Versionen und für die Open-Source-Software Android vorbereitet. Dazu gehören entsprechende Treiber-Binaries, Config-Files sowie Sample-Scripts, die von Seiten des Herstellers problemlos zur Verfügung gestellt werden können.

Zudem kann der Display-Anbieter gewünschte Anpassungen an spezielle Anforderungen des Kunden schnell und kompetent umsetzen.

* Matthias Keller ist COO Components beim TFT-Spezialisten Distec in Germering bei München.

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