Combiner LED, papier électronique et reconnaissance gestuelle pour les IHM basse consommation dans la connectivité d'entreprise

Les interfaces homme-machine (IHM) constituent un élément important pour prendre en charge la connectivité d'entreprise pour l'Internet industriel des objets (IIoT) dans le contrôle de processus et l'automatisation de l'Industrie 4.0, ainsi que dans les systèmes automobiles et médicaux. Les IHM s'étendent des lunettes de réalité augmentée aux écrans tactiles et aux simples indicateurs visuels. Alors que les lunettes de réalité augmentée font la une des journaux et que les écrans tactiles offrent de nombreuses fonctionnalités, des contrôles et des indicateurs visuels miniatures simples, économiques et basse consommation sont nécessaires pour une gamme croissante de dispositifs périphériques.

Les concepteurs peuvent combiner des écrans e-papier (papier électronique) (EPD) ou à matrice de points LED avec des contrôles de capteur angulaire infrarouge (IR) pour la reconnaissance gestuelle et la détection de proximité pour mettre en œuvre des IHM à faible consommation d'énergie, à faible coût et riches en fonctionnalités sur les nœuds périphériques IIoT dans l'Industrie 4.0 et à travers une gamme d'applications d'entreprise, médicales et automobiles.

Cet article passe d'abord en revue le fonctionnement et les capacités des écrans LED à matrice de points et alphanumériques et des écrans e-papier, puis détaille l'utilisation des circuits intégrés de capteurs angulaires IR dans la reconnaissance gestuelle et la détection de proximité. Il présente ensuite des affichages LED représentatifs de Broadcom et Lumex, un écran EPD d'E Ink, une plateforme de développement EPD de Pervasive Displays et un circuit intégré de détection IR pour la reconnaissance gestuelle d'Analog Devices, ainsi que des plateformes de développement pour accélérer le processus de conception et d'intégration d'IHM miniatures, hautes performances et basse consommation.

LED alphanumériques

Les écrans LED alphanumériques disponibles acceptent des entrées de données parallèles et série, et une sélection de tailles, de largeurs d'affichage et de nombres de caractères. Chaque caractère est formé depuis une matrice de 5 x 7 pixels — utilisant généralement une seule couleur de LED comme le rouge ou le vert. Ces écrans intègrent des jeux de caractères tels que les caractères ASCII (American Standard Code for Information Interchange), le jeu de caractères de script ISO 15924 Katakana japonais qui peut être encodé dans le jeu de caractères ASCII, ainsi que des caractères spécifiques à des pays et des caractères personnalisés définis par l'utilisateur pour des cas d'utilisation particuliers (Figure 1). Ils peuvent être lisibles à la lumière du jour et résistants à l'environnement.

Figure 1 : Le jeu de caractères ASCII tel que formé à l'aide d'un écran LED alphanumérique de 5 x 7 pixels. (Source de l'image : Broadcom)

Affichages LED visuels

Au lieu d'être utilisés pour former des caractères individuels, les écrans à matrice de points LED utilisent des LED disposées dans une configuration matricielle pour fournir des graphiques. Ils peuvent également afficher les formats de texte standard ASCII, Katakana et autres. En termes de performances, ils se situent entre les écrans à matrice de points décrits ci-dessus et les écrans LED vidéo. Ils sont disponibles dans une large gamme de tailles et peuvent être d'une seule couleur, par exemple rouge ou vert, ou multicolores, par exemple RVB (rouge, vert, bleu). Cependant, ils ont généralement une palette de couleurs plus limitée et des fréquences de rafraîchissement plus lentes que les écrans vidéo (Figure 2). Les LED sont généralement disposées selon un motif de grille avec les bornes négatives ou positives des LED reliées ensemble en tant que nœud de circuit commun. Les affichages LED visuels disponibles fonctionnent avec des interfaces I2C, parallèles 8 bits, série et autres. Certains incluent un microcontrôleur (MCU) embarqué, et d'autres utilisent le processeur système.

Figure 2 : Exemple de palette de couleurs pour un écran LED RVB. (Source de l'image : Lumex)

Présentation et fonctionnement du papier électronique

Alors que les LED nécessitent un courant de commande continu pour rester allumées, le papier électronique est une technologie bistable qui ne requiert pas de commande continue et qui peut présenter une consommation extrêmement basse. Lorsqu'une basse consommation d'énergie est une priorité, que les fréquences de rafraîchissement sont faibles et que la couleur n'est pas nécessaire, les écrans e-papier peuvent fournir une alternative viable aux écrans LED et à cristaux liquides (LCD). Le rendu d'une image sur un EPD nécessite très peu d'énergie ; une fois l'image affichée, aucune alimentation n'est nécessaire pour la maintenir. Les EPD ont un contraste comme l'encre et le papier. Tandis que la plupart sont en noir et blanc, certains ajoutent une autre couleur, comme le rouge.

Les EPD combinent la technologie de transistor à couches minces (TFT) avec une couche d'encre électronique. L'encre est constituée de millions de minuscules capsules contenant des particules de pigment électriquement chargées. L'encre est entre deux électrodes (Figure 3). L'application de la commande nécessaire à la matrice TFT amène les particules de pigment à former une image détaillée. Une fois les particules de pigment correctement placées, elles restent en place sans aucune puissance appliquée. La commande des EPD peut s'avérer un peu délicate. Le film FPL (Front Panel Laminate) varie légèrement d'un lot à l'autre, ce qui nécessite que la forme d'onde de commande soit réglée manuellement. De plus, différentes formes d'onde de commande peuvent être requises sous différentes températures de fonctionnement.

Figure 3 : L'encre électronique est constituée de millions de minuscules capsules contenant des particules de pigment électriquement chargées, placées entre deux électrodes. (Source de l'image : Pervasive Displays)

Reconnaissance gestuelle

Les LED et les EPD peuvent fournir des informations aux utilisateurs et aux opérateurs du système. Cela ne représente que la moitié d'une installation IHM complète. Les utilisateurs et les opérateurs doivent également pouvoir fournir des entrées et des signaux de commande au système. Dans certaines applications, la détection de proximité alerte le système de la présence d'un opérateur et l'affichage s'allume automatiquement pour fournir des informations d'état. Bien que cela soit utile pour envoyer des informations d'état, cela ne fournit pas de mécanisme pour envoyer des entrées et des commandes à l'équipement. L'utilisation de claviers, de commutateurs et d'autres mécanismes traditionnels peut être une option, mais peut entraîner des solutions relativement volumineuses et énergivores. Alternativement, les concepteurs peuvent se tourner vers des interfaces de reconnaissance gestuelle pour les capteurs de proximité afin de détecter et de convertir les modèles et les mouvements de la main en commandes. La reconnaissance gestuelle peut être particulièrement utile dans les environnements bruyants, où le bruit de fond et les sons ambiants rendent difficile l'utilisation de la reconnaissance vocale. Trois activités sont nécessaires pour mettre en œuvre la reconnaissance gestuelle de base :

• Reconnaître le début et la fin d'un geste
• Suivre le mouvement de la main tout au long du geste
• Utiliser les informations des deux premières étapes pour comprendre le geste

Plateforme de développement de reconnaissance gestuelle

Pour développer un système de reconnaissance gestuelle, les concepteurs peuvent se tourner vers la conception de référence EVAL-CN0569-PMDZ d'Analog Devices, basée sur le capteur angulaire IR ADPD2140. Le circuit émet un train d'impulsions IR et le capteur capture la lumière réfléchie. La conception prend en charge la détection des gestes jusqu'à environ 20 centimètres (cm) de la carte. La fréquence d'échantillonnage jusqu'à 512 échantillons par seconde permet aux concepteurs d'ajuster la réjection du bruit et le temps de réponse pour mieux s'adapter à l'application et à l'environnement. Il convient également de noter que l'ADPD2140 ne requiert pas d'alignement précis. Son capteur a une réponse linéaire dans un champ de vision angulaire de ±35° (Figure 4). Le filtre optique intégré dans le boîtier ADPD2140 fournit une coupure nette de la lumière visible, simplifiant davantage la conception du système en éliminant le besoin de lentilles ou de filtres externes tout en maintenant la plage dynamique du capteur sous un éclairage intérieur intense ou à la lumière du soleil.

Figure 4 : Le capteur angulaire IR ADPD2140 a une réponse linéaire dans un champ de vision angulaire de ±35°. (Source de l'image : Analog Devices)

Affichages LED alphanumériques

Les applications qui ont besoin d'affichages LED alphanumériques lumineux et renforcés peuvent se tourner vers des conceptions avec interfaces parallèles ou interfaces série de Broadcom. Les affichages à interfaces parallèles sont disponibles avec 4 ou 8 caractères (Figure 5). Ils sont disponibles dans divers styles, couleurs et tailles de boîtier, tels que le HDSP-2533 à 8 caractères, 5 millimètres (mm) avec LED vertes, et le HDLU-1414 à 4 caractères, 3,7 mm avec LED rouges à haut rendement, tous les deux dans des boîtiers en plastique. Ou le HDSP-2131 à 8 caractères, 5 mm avec LED jaunes dans un boîtier en verre/céramique renforcé. Tous incluent un circuit d'attaque ASIC intégré simplifiant l'effort de conception. Les fonctionnalités de ces affichages à interface parallèle incluent :

• Sept à huit lignes de bus pour les données
• Table de caractères avec 128 caractères ASCII et 16 caractères définissables par l'utilisateur stockés en mémoire ROM programmable
• Clignotement de chaque caractère individuel et clignotement de tous les caractères
• Fonction de défilement
• Huit niveaux de luminosité
• Empilement dans les directions x et y pour des besoins d'affichage plus importants

Figure 5 : Les affichages LED alphanumériques avec interfaces parallèles sont disponibles avec 4 ou 8 caractères. (Source de l'image : DigiKey)

Broadcom propose des écrans alphanumériques LED à interface série avec 4, 8 et 16 caractères tels que le HCMS-3977 vert à 8 caractères, 5 mm et le HCMS-2912 rouge à 8 caractères, 3,8 mm, tous les deux en boîtier en plastique, et le HCMS-2333 jaune-vert à 4 caractères, 0,2 pouce, en boîtier en verre/céramique à plage de températures étendue. Les caractéristiques de ces écrans LED série incluent :

• 128 caractères ASCII, script Katakana japonais ISO 15924 et polices personnalisées
• Interface série prenant en charge les affichages à grand nombre de caractères avec un minimum de lignes de données
• Interface directe possible avec un microcontrôleur pour simplifier la conception système
• Mode veille lorsque l'équipement est en attente
• 64 niveaux de luminosité
• Empilement dans les directions x et y prenant en charge les affichages à grand nombre de caractères

Affichages à matrice de points LED

Lorsque l'application requiert un affichage LED visuel pour des informations plus complexes, les concepteurs peuvent utiliser le LDM-6432-P3-UR-1 de Lumex Opto. Cet écran RVB de 64 x 32 pixels a un pas LED de 3 mm (Figure 6). Cet écran inclut une interface UART, une prise d'alimentation USB plus un protecteur de courant de 1,5 A et un module BLE 4.0. Les développeurs peuvent utiliser un ordinateur personnel pour développer le logiciel d'affichage. Les fonctionnalités incluent :

• Gestion des commandes AT Arduino ou HEX
• Formes de base et polices intégrées
• Fonctionnement en modes graphiques et caractères mixtes
• Possibilité d'empiler plusieurs modules d'affichage pour des écrans plus grands
• Possibilité d'intégration avec tout microcontrôleur
• Aucun pilote ni bibliothèque requis
• Capacité à afficher une animation
• Différentes langues disponibles sur demande

Figure 6 : Cet écran LED RVB de 64 x 32 pixels peut être utilisé pour présenter des informations plus complexes. (Source de l'image : Lumex Opto)

Écran e-papier et carte de développement

Les applications bénéficiant d'un EPD peuvent se tourner vers l'ED078KC2 d'E Ink. Il s'agit d'un module EPD électrophorétique réfléchissant sur un substrat TFT à matrice active. Il offre 1404 x 1872 pixels dans une zone active de 7,8 pouces. Selon le contrôleur, cet EPD peut afficher jusqu'à 16 niveaux de gris (Figure 7).

Pervasive Displays propose les cartes d'extension EPD B3000MS044, ext3, et le B3000MS037, ext3 Giant, pour intégrer cet EPD dans les systèmes. Le kit ext3 de base peut commander des EPD de 1,54 pouce à 12 pouces. Pour les grands EPD, de 9,7 pouces à 12 pouces, l'ext3 Giant est également nécessaire. Cette plateforme de développement est dotée d'un circuit de commande intégré pour simplifier le développement d'applications EPD. De plus, Pervasive Displays offre des options d'extension, plusieurs codes de commande open-source, des ressources de conception et des bibliothèques de développement pour les capacités graphiques et interactives.

Figure 7 : Cet EPD bistable offre 1404 x 1872 pixels dans une zone active de 7,8 pouces et présente une très faible consommation d'énergie. (Source de l'image : DigiKey)

Résumé

Les dispositifs périphériques IIoT qui requièrent une IHM peuvent bénéficier d'une gamme de technologies compactes et basse consommation. La reconnaissance gestuelle permet de fournir des commandes et des contrôles même en environnements difficiles. Les affichages LED alphanumériques sont robustes, lisibles dans les environnements haute luminosité, et ils peuvent être empilés pour répondre à des besoins d'informations plus importants. Les écrans à matrice de points LED et les EPD peuvent présenter des informations plus complexes. Les matrices de points LED peuvent présenter des animations et des affichages couleur RVB, tandis que les EPD peuvent être utilisés pour des affichages en niveaux de gris à fort contraste nécessitant très peu d'énergie.