Neueste Entwicklungen bei intelligenten Displays

Mit ihren Funktionen und Schnittstellen vereinfachen intelligente Displays die Integration im Vergleich zu herkömmlichen Displays wesentlich. Entwickler können damit den Fokus auf das anwendungsspezifische Design richten, anstatt sich der Integration der Displays auf der Elektronik- und Softwareebene widmen zu müssen. Nicht nur Kosten und Komplexität werden damit gesenkt, sondern auch die Produkteinführungszeiten.

Intelligente Displays unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen Displays. Sie sind bereits mit allen für die Ansteuerung eines Displays notwendigen Komponenten ausgestattet. State-of-the-Art sind unter anderem ein leistungsfähiger Controller, ein für alle Anwendungsfälle ausreichend großer Flash-Speicher, serielle Interface-Optionen und Touchpanel-Unterstützung. Die in Software realisierten Features sind wie die übrigen Displaymerkmale herstellerspezifisch sehr unterschiedlich.

Schematischer Aufbau eines intelligenten Displays. Demmel Products

Intelligente Displays werden nicht mehr auf Pixelebene angesprochen, sondern über parametrierbare High-level-Kommandos. Deren Ausführung ist in der Firmware des Controllers realisiert. Die volle Funktionalität steht unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung zur Verfügung, es wird keinerlei Bootzeit benötigt.

Im On-board-Speicher werden die Grafiken, Fonts, Textbausteine und Makros des User Interface abgelegt. Deren Anzahl ist lediglich durch die Speichergröße begrenzt, welche mit einer On-board-MicroSD-Karte nochmals erweitert werden kann. Diese ist zudem hilfreich bei Updates der Nutzerapplikation im Feld und beim Abspeichern beliebiger Dateien wie beispielsweise applikationsspezifischer Log-Files. Die an die Geräteoberfläche herausführbare MicroSD-Karte unterstützt das FAT-Dateisystem.

Die kommunikationstechnische Einbindung intelligenter Displays erfolgt über eines der seriellen Interfaces, typischerweise sind das RS232, USB, I²C oder SPI. Optional ist auch / möglich. Mithilfe diverser I/O-Funktionen lassen sich beispielsweise digitale Ein- und Ausgänge sowie Drehgeber, analoge Sensoren oder Leuchtdioden, Relais und Lautsprecher über das Panel anschließen und ansteuern.

Eine Lösung zur Display-Integration besteht einerseits aus der Displayhardware und andererseits aus einer intuitiven Entwicklungsumgebung. Dabei handelt es sich um ein Windows-basiertes Projektentwicklungs-Tool, mit dem sich alle Panels der Produktlinie einrichten, konfigurieren, programmieren und testen lassen. Entwickler werden damit in die Lage versetzt, innerhalb kürzester Zeit Displayprototypen zu erstellen, die rasch in die Serie übergeleitet werden können.

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PCB-Board eines intelligenten Displays. Markiert sind die Interface-Optionen (orange), die Speicher (grün), der Controller (blau) und der Steckverbinder des Touchpanels (magenta). Demmel Products

Ein intelligentes Display fungiert als eigenständige Komponente, die über eine der seriellen Kommunikationsoptionen von der jeweiligen Applikation angesteuert wird. Diese Aufgabe kann eine Gerätebaugruppe, ein (Embedded)-Computer oder auch ein einzelner Low-cost-Mikrocontroller übernehmen. Die konkrete Steuerung erfolgt mithilfe der High-level-Befehle. Diese führen einzelne Aktionen aus oder greifen auf die Ressourcen zu, die mit dem Projekt am Display-Modul abgespeichert wurden. Ressourcen können beispielsweise Grafiken, Fonts oder Makros sein, die ihrerseits aus Kommandos bestehen. Auf diese Weise können mit wenigen Befehlen komplexe Aufgaben am Display erledigt werden.

Die Ansteuerung erfolgt schmalbandig über eine der seriellen Interface-Optionen und ist über die gesamte Produktlinie gleich. Der Betrieb als „Master-Device“ und eine interne Verarbeitung von in Variablen gespeicherten Werten findet auf herkömmlichen intelligenten Displays nicht statt.

Technologiesprung Java VM

Dies ändert sich mit der neuesten Entwicklung auf dem Markt für intelligente Displays. Die on-board integrierte Java Virtual Machine ermöglicht es, kompilierten Java-Code direkt auf dem Panel auszuführen. Damit wird das intelligente Display zu einer aktiven, in einer objektorientierten Hochsprache programmierbaren Komponente, die nicht mehr in jedem Fall von einer externen Geräteapplikation angesteuert werden muss. Diese „Internalisierung“ zuvor externer Funktionalitäten führt zu einem deutlich vereinfachten Hardware-Design.

Für die Programmierung stehen die üblichen Java-Packages java/lang, java/io, java/util zur Verfügung. In einem spezifischen, auf die intelligenten Displays zugeschnittenen Package sind alle Funktionen, die bisher in den „klassischen“ High-level-Kommandos realisiert sind, auch in Java verfügbar.

Java ist die am weitesten verbreitete Programmiersprache, viele Entwickler lernen sie bereits während der Ausbildung. Ein großes Plus ist die gute Verfügbarkeit von frei zugänglichen Algorithmen und Datenstrukturen, die in Entwicklungsprojekten wiederverwendet werden können.

Die Java VM benötigt keine zusätzliche oder neue Hardware, sie lässt sich durch ein Firmware-Update auf vorhandenen Panels installieren. Bei bestehenden Projekten, die erweitert oder erneuert werden sollen, können neue Teile in Java realisiert werden. Die Java VM kann innerhalb von 20 ms von Script weg (das heißt aus einem „klassischen“ Makro heraus) gestartet werden. Klassische Kommandos und Java können gemischt werden.

Eine vollständige Java-Entwicklungsumgebung ist im Projektierungstool integriert. Ein Editor mit dem üblichen Syntax-Highlighting ist ebenso enthalten wie ein Compiler. Für die Projektentwicklung von besonderer Bedeutung ist der Debugger, mit dem ein Remote-Debugging der erzeugten Java-Applikation über die vorhandene USB-Schnittstelle direkt auf dem angeschlossenen Display und virtuell im Simulator durchgeführt werden kann. Alle üblichen Features wie Breakpoints und Variablen-Inspektion sind enthalten.

Beim Programmieren von Java-Applikationen für intelligente Displays können die typischen Eigenschaften der Sprache verwendet werden. Dazu zählen Multi-Threading und Floating-Point-Operationen, die hier ohne darunter liegendem Betriebssystem zur Verfügung stehen. Ein Event-Dispatcher für Touch-Felder und Keyboard (Observer Pattern) unterstützt das Event-Handling.

Sensoren wie solche für Temperatur, Druck oder Distanz werden üblicherweise per I²C angebunden. Mit einer Java-Applikation können solche Sensoren auf einfache Art und Weise aktiv angesprochen werden. Das gleiche gilt für Aktoren, die oftmals über SPI oder wiederum I²C angesteuert werden.

Das Aufsetzen der gesamten Entwicklungs- und Debug-Umgebung geschieht innerhalb weniger Minuten per Installation oder Update der frei verfügbaren Management-Software. Auch hier ist keine zusätzliche Soft- oder Hardware nötig.

Ein wesentlicher Bestandteil einer Lösung zur Integration von Display-Modulen ist die Unterstützung durch eine intuitive Entwicklungsumgebung.

Die Simulation ist Teil der Entwicklungsumgebung. Demmel Products

Ein wesentlicher Bestandteil einer Lösung zur Integration von Display-Modulen ist die Unterstützung durch eine intuitive Entwicklungsumgebung. Die Software – im aktuellen Windows-Layout gestaltet – bildet zusammen mit den Panels einen ganzheitlichen Ansatz zur Entwicklung moderner Benutzerschnittstellen Sie erfüllt unterschiedlichste Aufgaben in einem Entwicklungsprojekt: Projekt-Setup, Konfiguration, Management und Programmierung der Displays, Applikations-Entwicklung, Debugging, Simulation.

Grundsätzlich werden in der Entwicklungsumgebung die Ressourcen definiert, die im Betrieb zur Verfügung stehen. Dazu zählen beispielsweise Fonts, formatierte Texte und Grafiken oder die Festlegung von Aktionen bei Betätigen eines Touchfeldes. Die Hardwareeinstellungen der Panels wie die IP-Konfiguration, Verwendung der I/Os und Display-Orientierung werden in den entsprechenden „Settings“ definiert. Die oben genannten Einstellungen sind letztlich Bestandteil der Projektdatei, die im Flash-Speicher des intelligenten Displays abgelegt wird.

Screenshot der Entwicklungsumgebung für intelligente Displays. Demmel Products

Um Java-Applikationen zu entwickeln, die auf der oben beschriebenen Java VM laufen, ist eine vollständige Java-Entwicklungsumgebung mit Editor, Compiler und Debugger implementiert. Übliche Features wie Syntax-Highlighting im Editor und Breakpoints und Variablen-Inspektion beim Debugger sind enthalten. Diese Leistungsmerkmale sind wie alle anderen hier beschriebenen Funktionen der Management-Software als All-in-One-Lösung in einer einzigen IDE integriert.

Simulator testet Projekte

Aus der Management-Software lässt sich ein Simulator starten, mit dem sich die Projekte testen lassen. Diese können sowohl Java-Code als auch die „klassischen“ Kontrollkommandos enthalten. Der Simulator erlaubt den Test von Projekten ohne ein physisch vorhandenes Panel. Dazu kann jedes aktuell erhältliche Panel aus der Produktlinie ausgewählt werden. Die Simulation verhält sich genauso wie ein physisch vorhandenes Panel mit all seinen Interfaces, Inputs und Outputs. Die Touchfelder werden mit der Maus betätigt. Für die Simulation sind keinerlei Vorkehrungen zu treffen. Ein Projekt, das im Simulator läuft, kann unverändert in die Hardware geladen werden und umgekehrt.

Mit dem Simulator kann Funktion und Aussehen des grafischen User-Interface getestet werden, noch bevor der erste Prototyp mit „echter“ Hardware existiert. Diese Möglichkeit der frühzeitigen User-Interface-Evaluation trägt dazu bei, den Entwicklungsprozess weiter zu verkürzen. Anwender können jede verfügbare Zwischenversion testen, ihr Feedback in die Entwicklung einfließen lassen und so mithelfen, kostspielige Fehlentwicklungen zu vermeiden. Aber auch in fortgeschrittenen Entwicklungsstadien ist die Simulation hilfreich, da Änderungen im Projekt wesentlich rascher auf das virtuelle Panel übertragen und getestet werden können.

Nach der Simulation wird das Projekt auf der Hardware gespeichert und die Mensch-Maschine-Schnittstelle unter realen Bedingungen getestet. Die fertige Anwendung wird dann als Projektdatei für die Serie freigegeben und verteilt.

Für alle Display-Modelle stehen Evaluations- oder Starter-Kits zur Verfügung. Diese beinhalten neben dem Evaluation-Board mit herausgeführten Pin-Anschlüssen alle nötigen Hard- und Software-Komponenten, der Entwickler kann innerhalb weniger Minuten mit dem Programmieren und Testen beginnen.

Robustere Lösungen ohne Betriebssystem

In einer stabilen Firmware, die auf einem Controller läuft, sind die Funktionalitäten eines intelligenten Displays realisiert. Der Verzicht auf ein Betriebssystem schließt Overhead und mögliche Fehlerquellen sowohl im Gesamtsystem als auch in der Entwicklung aus. Die volle Funktionalität steht ohne Bootzeit unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung zur Verfügung. Auch im laufenden Betrieb ist das Zeitverhalten ohne Betriebssystem wesentlich besser.

Die daraus resultierende Robustheit wird kritischen Anforderungen aus der wie auch aus der Industrie gerecht. Ebenso wie bei heiklen Produktionsprozessen darf ein User-Interface beispielsweise bei lebenserhaltenden Maßnahmen nicht abstürzen. Der Einsatz eines intelligenten Displays trägt wesentlich zur unterbrechungslosen Bedienbarkeit und somit zur funktionellen Sicherheit der Anwendung bei.

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Anwendungsbeispiel: CPAP-Treiber für die Neonatologie im klinischen Einsatz. Demmel Products

Eine grafische Benutzerschnittstelle visualisiert Zustände und bietet die Möglichkeit, aktiv in Vorgänge einzugreifen. Diese Interaktion ist bei intelligenten Displays mittels resistivem oder kapazitivem Multitouchpanel möglich. Varianten mit Projected-Capacitive () -Touch-Technologie sind vor allem überall dort interessant, wo raue Umgebungsbedingungen herrschen oder häufiges Reinigen und Desinfizieren erforderlich ist. Sie arbeiten mit Kapazitätsänderungen und können daher hinter Glas verbaut werden. Die kapazitiven Kopplungen können bei jeder Konstruktion unterschiedlich sein. Um die optimale Bedienbarkeit zu garantieren, lassen sich die Touchpanel-Parameter der kapazitiven Touch-Displays so anpassen, dass die konkrete Einbausituation berücksichtigt wird. Einstellbar sind die Werte für

• Threshold (Schwelle ab der eine Kapazitätsänderung als Eingabe zu werten ist)
• Gain (Sensitivität des Touch-Sensors)
• Offset (Genauigkeit am Touchpanel-Rand).

Die Displaykomponenten können optional mithilfe von optical Bonding fix verklebt werden. Dabei werden Display, Touchpanel und Frontglas mit einem speziellen Kleber vollflächig verklebt. Der Kleber besitzt den gleichen Brechungsindex wie Glas, daher ist die Anzahl der Reflexionen minimiert und die optische Darstellung der Displayinhalte hervorragend. Neben den sehr guten optischen Eigenschaften ermöglicht das optical Bonding extrem robuste Konstruktionen für Anwendungen auch im öffentlichen oder halböffentlichen (Outdoor-) Bereich.

Resistive Touchpanels sind relativ günstig und langlebig, sofern sie nicht mit spitzen oder scharfen Gegenständen in Berührung kommen. Da sie auf physischen Druck reagieren, können sie ebenso wie dafür geeignete kapazitive Touchpanels mit Handschuhen bedient werden. Resistive Touchpanels sind im industriellen Umfeld langjährig erprobt und weit verbreitet.

Unabhängig von der Touchpanel-Technologie unterstützen intelligente Displays in ihren Abmessungen frei definierbare Touchfelder. Diese können beim Drücken oder Loslassen jeweils eine Aktion auslösen und dies mit einem frei definierbaren, eindeutig zuordenbaren Zeichen nach außen signalisieren.

Anwendungsgebiete

Am Markt sind viele Visualisierungs- und Steuerungslösungen erhältlich. Bei der Auswahl für den industriellen Einsatz sind Kriterien wie Langzeitverfügbarkeit, Temperaturbereich, mechanische Robustheit, Zuverlässigkeit oder Lebensdauer zu berücksichtigen, die den Kreis der Möglichkeiten einschränken. Typische Anwendungsgebiete für intelligente Displays sind der Maschinenbau, die Medizintechnik, die Elektrotechnik oder der Automotive-Bereich. Zu finden sind sie unter anderem in Fabriken, Labors, Intensivstationen, Auto-Ladestationen, Zutrittssystemen, Bussen, Montageschiffen und auf Ölbohrplattformen.

(ah)