Eckdaten

Human Machine Interfaces (HMIs) sind die Schnittstellen, an denen Menschen mit moderner Technologie interagieren. Es gilt einiges zu beachten, um eine effiziente und zeitnahe Interaktion zu ermöglichen. Beispielsweise verfolgt die von Bridgetec entwickelte Eve-Technologie (Eve: Embedded Video Engine) einen rationaleren Ansatz für die HMI-Konstruktion.

HMIs sind in unterschiedlichen Formen erhältlich, doch unabhängig von der zum Einsatz kommenden Art dienen sie alle demselben Zweck: sie ermöglichen die Ausführung von Steuerungsfunktionen und gewähren dabei gleichzeitig eine zufriedenstellende Benutzerfreundlichkeit. Folglich müssen Entwickler beim Design von HMIs dem Zweck, für den sie bestimmt sind, sorgfältig Rechnung tragen, damit eine effiziente und zeitnahe Interaktion möglich ist.

  1. Interaktion zwischen Mensch und Maschine

    Wichtig ist eine effiziente und zeitnahe Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Bridgetek

    HMIs müssen oftmals in kompakte Embedded-Geräte integriert werden.

    HMIs müssen oftmals in kompakte Embedded-Geräte integriert werden. Bridgetek

    Viel Funktionalität auf kleinem Raum bieten.

    Viel Funktionalität auf kleinem Raum bieten. Bridgetek

    Anwendungsanforderungen verstehen

  2. Als erstes ist es wichtig die Aufgaben, die das HMI im gegebenen Anwendungsfall erfüllen soll, genau zu betrachten. Mit einem klar definierten Verständnis der auszuführenden Funktionen und Prozesse lässt sich die Effektivität des HMI deutlich steigern. Bevor mit dem Design begonnen wird, müssen die Prozesse, die gesteuert und überwacht werden sollen, sorgfältig ergründet werden. Es muss geschätzt werden, wie häufig bestimmte Operationen ausgeführt werden. Ein- und Ausgabevariablen müssen identifiziert werden – mit der Angabe, welche Variablen vom Bediener gesteuert und welche auf dem HMI angezeigt werden. Manchmal kann es zum Debuggen oder zur Prozessoptimierung auch nützlich sein, einen Einblick in relevante interne oder intermediäre Variablen zu gewinnen. 
  1. Vielfältige Anwenderbedürfnisse berücksichtigen

Benutzer mit unterschiedlichen Kenntnissen und Fähigkeiten müssen in der Lage sein, mit dem HMI zu interagieren. Daher ist es unerlässlich, den Schulungsgrad der Anwender zu ermessen und sicherzustellen, dass das Design diesen adäquat widerspiegelt. In einigen Fällen muss das HMI den Anforderungen und Fähigkeiten einer Vielzahl von Anwendern gerecht werden. Dabei ist es wichtig, dass das HMI einfach und ohne größere Probleme zu bedienen ist, unabhängig davon, ob der Operator viel Erfahrung hat oder ein relativer Anfänger ist. Schließlich können verschiedene Benutzerebenen definiert werden. Sobald sich die Benutzer mit dem HMI vertraut gemacht haben, können sie Kurzbefehle einrichten, um sich wiederholende oder häufig verwendete Funktionen zu beschleunigen.

Grafiken schlicht halten

In Anlehnung an den zweiten Punkt ist es wichtig, das Design so intuitiv wie möglich zu gestalten und unnötige Komplexität zu vermeiden. Eines der Hauptziele eines jeden HMI-Designs ist die Reduzierung der kognitiven Belastung (das heißt der Denkleistung, die für den Betrieb der jeweiligen Geräte erforderlich ist). Wenn der Benutzer zu viel nachdenken oder zu viele Schritte ausführen muss, steigt die Wahrscheinlichkeit von Fehlern. Wie wir noch sehen werden, kann dies nicht nur zu Frustration beim Anwender führen, sondern auch schwerwiegende Folgen haben, die unter Umständen sogar Leben in Gefahr bringen. 

  1. Durchgängigkeit sicherstellen

Um die Wahrscheinlichkeit möglicher Fehler bei der Anwendung zu vermeiden (oder zumindest zu begrenzen), muss das HMI ein durchgängig gleiches Erscheinungsbild haben. Durchgängigkeit bedeutet, dass Kenntnisse von einem Teil eines HMI-Layouts (zum Beispiel dem Bildschirm oder Menü) auf einen anderen Teil desselben HMI oder möglicherweise auf ein weiteres ähnliches HMI (zum Beispiel ein anderes Produkt derselben Serie) übertragen werden können. Die Verwendung der gleichen visuellen (Schrift, Symbolik und Farbe) und funktionalen Attribute (Verhalten von Schaltflächen, Tasten und Menüs) während des gesamten Projekts hat Vorteile – sowohl aus Sicht des Benutzers als auch aus Sicht des Engineerings. Zusätzlich sollten die gewählten Symbole die Inhalte oder Aktionen, auf die sie sich beziehen, unmittelbar und instinktiv vermitteln. Es darf kein Zweifel hinsichtlich ihrer Bedeutung beim Benutzer verbleiben. 

  1. Datenübertragung optimieren

Steuerungs- und Überwachungssysteme werden oft dazu eingesetzt, schnelles Reagieren zu ermöglichen. Das grafische Layout des HMI sollte daher so gestaltet sein, dass zum Datenaufruf nicht mehrere Abfragen nötig sind und interessante Elemente auf demselben Bildschirm angezeigt werden können. 

  1. Wert von Animation/Video hochschätzen

Wie das Sprichwort sagt: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte. Die Wahl einer aussagekräftigen Grafik sowie die Verwendung von Animationen oder Videoinhalten wo immer möglich, trägt zur Verbesserung der HMI-Qualität und der daraus abgeleiteten Benutzerfreundlichkeit bei. Im Zuge der fortschreitenden technologischen Entwicklung finden innovative und spannende neue Funktionen ihren Weg auch in Anwendungen in der Industrie, im Einzelhandel, in der Gastronomie, der Automobilindustrie und im öffentlichen Dienst. Immer mehr HMIs integrieren daher informative Videos. Die Einbettung von Videos in HMIs hat zwei wesentliche Vorteile. Erstens ermöglicht dies die Echtzeit-Überwachung und Inspektion einer Vielzahl von Aktivitäten. Zweitens kann es Mitarbeitern im Wartungs‑ beziehungsweise Reparaturkontext helfen, wenn beispielsweise ein Problem auftaucht, anhand eines Videos nachzuvollziehen, wie sich ein Bauteil austauschen oder ein Verbrauchsmaterial auffüllen lässt. Das sind nur zwei von vielen Beispielen.

  1. Fehler vermeiden

Um sich vom Wettbewerb zu unterscheiden, sollte beim Design des HMI viel Wert auf eine starke Benutzererfahrung gelegt werden, um diese überzeugend und angenehm zu gestalten. Weiterhin ist es auch wichtig, potenzielle Frustrations- und Fehlerquellen zu verringern. Bei der Steuerung eines Fabrik-Automatisierungssystems oder der Verarbeitung gefährlicher Chemikalien kann es lebensbedrohlich sein, wenn Anwender aufgrund eines schlecht ausgelegten HMI falsch handeln. Um dies zu verhindern, sollte das HMI von Anfang an so konzipiert sein, dass die Fehler-Wahrscheinlichkeit minimiert wird. Für den Fall, dass der Benutzer dennoch versehentlich während des HMI-Betriebs einen Fehler macht, sollten gut durchdachte, klare Anzeigen formuliert werden, beispielsweise um zu prüfen, ob der Anwender die Aktion absichtlich ausführen will. Oder um Ratschläge zu geben, was als nächstes zu tun ist, wenn Probleme auftreten, die er aus Mangel an Kompetenz nicht selbst lösen kann. 

  1. Verfügbare Ressourcen maximal ausnutzen

Die meisten HMIs müssen heute in kompakte Embedded-Systeme integriert werden, neben einer Mikrocontroller-Einheit (MCU) oder möglicherweise einem System-on-Chip (SoC) mit großem Flash-Speicher sowie mehreren Peripherieschnittstellen wie UART, SPI oder I2C. Sie können ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder sogar ein komplettes Betriebssystem (zum Beispiel Linux) ausführen. Eingebettete Systeme verfügen jedoch nicht über alle Ressourcen eines typischen Desktop-Computers. Dementsprechend müssen HMIs so konzipiert sein, dass sie das Beste aus den verfügbaren Speicherressourcen herausholen. 

  1. Budget und Leistungsanforderungen miteinander ausbalancieren

Auch Faktoren wie mechanische Konstruktion und Stücklisten sollten gebührend berücksichtigt werden. Die Wahl der zu verwendenden Hardwarekomponenten und technischen Lösungen sollte so getroffen werden, dass beide dieser Anforderungen erfüllt werden. Diese Faktoren können sich beispielsweise auf die Größe des benötigten Displays auswirken oder auf die Wahl eines resistiven oder kapazitiven Touchscreens. Vor allem aber ermöglicht die Spezifikation moderner und optimierter IC-Lösungen eine schlankere HMI-Bereitstellung – und minimiert dadurch den Footprint auf dem Board, vereinfacht den Beschaffungsprozess und reduziert den Stromverbrauch. Gleichzeitig werden auch die Gesamtkosten des Systems gesenkt und die Zeit bis zum Abschluss der Entwicklung verkürzt.

Die von Bridgetec entwickelte Eve-Technologie (Eve: Embedded Video Engine) verfolgt einen weitaus rationaleren Ansatz für die HMI-Konstruktion. Ein Frame-Puffer ist bei dieser Technologie nicht erforderlich, zudem können leistungsschwächere MCUs und kleinere Flash-Speicher verwendet werden. Das bringt Vorteile bei den Kosten, der Platzausnutzung und beim Energiebudget. Dazu wird das HMI in eine Reihe von Objekten (Kreise, Buttons, Tonsignale und so weiter) unterteilt, denen jeweils eine Referenz zugeordnet ist. Dadurch reduzieren sich die zu übertragenden Datenmengen erheblich. Dies führt zu kürzeren Latenzzeiten, wodurch wiederum die HMI-Leistung verbessert werden kann.

Um die Systemspeicherreserven noch besser zu nutzen und auch unter äußerst beengten Verhältnissen mehr Funktionalität zu bieten, unterstützt die neueste Generation von Eve-ICs nun den ASTC-Algorithmus (Adaptive Scalable Texture Compression). Darüber hinaus ist der dedizierte QSPI-Host-Port, der in jedes dieser Geräte integriert ist, ausschließlich für den Zugriff auf externe Speicherressourcen vorgesehen. Dadurch wird der QSPI-Port des Hauptsystems für Kontrollzwecke freigegeben. Da er sich nun nicht mehr mit dem Kopieren von Speicherinhalten befassen muss, reduziert sich der Arbeitsaufwand der System-MCU und es entstehen freie Kapazitäten für andere Aufgaben.

  1. Verfügbare Hilfsmittel voll ausschöpfen

Es gibt internationale Normen und Richtlinien zum Thema HMI-Design, die auf Erfahrungen mit zahlreichen HMI-Implementierungen unter verschiedenen Anwendungsszenarien basieren. Zusammen mit etablierten Best Practices können sie wertvolle Erkenntnisse darüber liefern, wie ein HMI-System entwickelt und anschließend eingesetzt wird und wo Ressourcen zugeteilt werden sollten, um die effektivsten Ergebnisse zu erzielen. Es wird daher empfohlen, vor Beginn eines HMI-Projekts die folgenden Seiten zu konsultieren: https://www.asmconsortium.net/deployment/guidelines/Pages/default.aspx und https://www.iso.org/standard/53590.html.

Darüber hinaus sollten auch die entsprechenden Softwareentwicklungswerkzeuge genutzt werden. Bridgetek hat kürzlich weitere Verbesserungen an der Eve-Toolchain vorgenommen, um das HMI-Design zu vereinfachen und die Projektlaufzeit zu verkürzen. Diese Toolchain bietet Ingenieuren eine intuitive Drag-and-drop-Designumgebung, die den Start von HMI-Projekten erleichtern, sowie eine vielfältige Sammlung nützlicher Projektbeispiele als Referenz. Daneben werden auch verschiedene vorkonfigurierte Widgets (Dreh- oder Schieberegler, Uhren und so weiter) bereitgestellt. Für Ingenieure mit mehr Erfahrung gibt es weitere, anspruchsvollere Funktionen, um HMIs mit höherer Funktionalität zu erstellen.