Bedienungstechnik

Höhere Integration für Embedded-Mensch-Maschine-Schnittstellen

| Redakteur: Holger Heller

Wie lassen sich Mikrocontroller implementieren, die einen Grafikdisplay-Controller und kapazitive Berührungssensorik kombinieren und Touchscreens sowie USB-Peripherie unterstützen?

Mensch-Maschine-Schnittstellen-(HMI-)Designs in Embedded-Systemen entwickeln sich rasant weiter, da die Kosten für moderne und elegante Schnittstellen immer weiter sinken. Einige Anwendungen kombinieren bereits berührungsempfindliche Schnittstellen wie Tasten, Slider, Berührungsbildschirme und haptische Rückkopplung – zusammen mit grafikintensiven Displays und neuesten Mikrocontrollern, die einen Grafikdisplay-Controller und Peripherie zur Implementierung kapazitiver Berührungssensorik, einen Touchscreen-Controller und USB auf einem Chip vereinen.

Die neuen MCUs versprechen Kosteneinsparungen und eine höhere Integration. Doch während sie Entwicklern niedrigere Kosten für die System-Hardware, Fertigung und Lagerhaltung ermöglichen, kann die höhere Komplexität der Softwareentwicklung eine schnelle Markteinführung beeinträchtigen und eine robuste Integration berührungsempfindlicher und anderer HMI-Funktionen auf einer einzigen MCU erfordern.

Worauf basieren diese Bedenken? Die kapazitive Berührungssensorik diene als Beispiel. Als berührungsempfindliche Tasten erstmals eingeführt wurden, war den Entwicklern schnell klar, dass sie nicht so einfach implementierbar sind wie herkömmliche mechanische Taster. Berührungsempfindliche Tasten müssen wie analoge Sensoren behandelt werden: abgestrahlte Störungen oder Rauschen, das aus der Umgebung, z.B. von benachbarten Geräten, Leuchtstofflampen, Stromversorgungen, Mobiltelefonen und Motoren stammt, muss berücksichtigt werden.

Software für reaktionsschnelle Tastenfunktion

Um robuste und reaktionsschnelle Tasten zu erhalten, müssen Softwaretechniken wie Hüllkurvenerkennung, Filterung, Entprellen und Anstiegsgeschwindigkeitsfilterung angewendet werden. Auch ein gutes Layout zur Signalerfassung muss gewährleistet sein. Die Funktion, ein unterteiltes Display oder Grafik-Display aufzufrischen, wenn eine Eingabe durch den Anwender registriert wird, muss zu diesem HMI-System hinzugefügt werden.

Das Rendern grafischer Elemente wie geometrischer Formen oder Text auf einem Display (TFT oder OLED) erfordert Prozessorbandbreite. Auch die Eingabegeräte, die eine Berührungseingabe verlangen, die grafische Darstellung sowie die berührungsempfindlichen Tasten, wie beim oben dargestellten Thermostat, müssen berücksichtigt werden. Und schließlich ist noch eine Kommunikationsschnittstelle (z.B. USB) erforderlich.

Die Herausforderung besteht also darin, eine Echtzeit-Verarbeitung der Benutzereingaben an den berührungsempfindlichen Tasten, eine Touchscreen-Sensor- und USB-Datenkommunikation sowie eine Aktualisierung des Displays zu ermöglichen. Die Lösung lässt sich in zwei Kategorien aufteilen, die entscheidend für die zugrunde liegende Hardware und Software sind.

Hardware-Implementierung auf MCU-Basis mit LCD-Controller

Eine Reihe von MCUs kombinieren einen LCD-Controller und berührungsempfindliche Peripherie auf einem Chip. Der LCD-Controller steuert dabei generell ein segmentiertes Display anstatt ein Grafik-LCD.

Ergänzendes zum Thema
 
Bedienungslösung komplett

Die neueste Generation von MCUs, wie der PIC24FJ256DA210 (Bild 1), führt die Integration auf eine neue Ebene, in dem er einen Grafikdisplay-Controller, USB 2.0 On-The-Go und Analogperipherie für die Berührungssensorik vereint. Zum Support von Grafikdisplays enthält der PIC24FJ256DA210 eine Farb-Look-Up-Tabelle, ein 96 KByte großes RAM, eine Graphics Processing Unit (GPU) und eine Direktschnittstelle zu STN-, TFT- und OLED-Displays.

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