Mächtige Oberflächen im einfachen Baukastensystem

Touch-Display-Lösungen ermöglichen aufwendige Anzeigen für Waschmaschinen. Links oben und rechts unten zeigt das Display den aktuellen Status. Links unten ist das bunt illustrierte Hauptmenü zu sehen.FTDI

Berührungsbasierte Mensch-Maschinen-Schnittstellen (HMIs oder Human Machine Interfaces) sind im Grunde nichts Neues: In der Unterhaltungselektronik und der Computerindustrie haben sie längst die Bedienkonzepte revolutioniert und neue Design-Konzepte ermöglicht. Inzwischen profitieren viele Branchen von dieser Entwicklung, etwa Haushaltsgeräte, Hausautomatisierungssysteme, industrielle Steuerungen, Kassensysteme, Verkaufsautomaten, Geldautomaten, Infoterminals, Sicherheitssysteme und viele mehr. Da moderne Touch-Interfaces mehrere Berührungspunkte gleichzeitig erkennen, steigt ihr Mehrwert weiter. Doch vielen Geräten fehlt schlicht die Rechenleistung, um anspruchsvolle und hochauflösende grafische Oberflächen zu erzeugen und auf komplexe Berührgesten zu reagieren. Genau für diese Fälle bieten sich integrierte Grafik-, Sound- und Touch-Erweiterungen an, wie sie FTDI mit EVE vorgestellt hat.

Kommerzieller Druck beschleunigt die technologische Evolution: Immer mehr Anwender erwarten hochwertige HMIs. Die OEMs suchen daher eine Implementierung, die detailreichen Bildinhalt mit großer Farbtiefe unterstützen. Zudem wünschen sie an vielen Stellen videofähige HMIs. Auf diese Anforderungen passende Halbleiterplattformen müssen zwar die notwendige Performance liefern, dürfen dabei aber die üblichen Designbeschränkungen nicht ignorieren. Zu den verbreiteten Vorgaben zählen ein limitiertes Budget, begrenzte Engineering-Kapazitäten, Platzmangel, enge Zeitpläne und vieles mehr. FTDI hat EVE daher so optimiert, dass sowohl die Hardware-Entwickler Zeit und Platz auf der Platine sparen, als auch die Software-Kollegen ohne Grafik-Vorkenntnisse moderne HMIs programmieren können.

Mithilfe eines Baukastensystems können Entwickler aus sehr einfachen, aber mächtigen Befehlen, die gewünschten Oberflächen konstruieren. Sogenannte Widgets enthalten komplexe grafische Objekte wie Uhren, Messinstrumente, Tastaturen oder Slider, die sich mit Touch-Eingaben und Sounds verknüpfen lassen. Zum Aufruf einer Uhr genügt beispielsweise ein Befehl der Form „Cmd_clock(Position,Optionen,Zeit);“. Die Kommandos sind im Programming Guide zusammengefasst. Entwickler können aber auch FTDIs Screen-Editor einsetzen, der automatisch den nötigen Quellcode erzeugt.

Beispiel-HMI eines Kühlschranks. Trotz der aufwendigen Grafik und der Animationen braucht der Entwickler nur sehr einfache Befehle.FTDI

Mit buntem HMI durch den Alltag

Hersteller von Kühlschränken und Spülmaschinen sind sehr daran interessiert, ihre Produkte mit speziellen Features auszustatten, um sie für die Verbraucher attraktiver zu machen und auf diese Weise den Absatz zu steigern. Während früher ein ziemlich rudimentäres HMI genügte, vielleicht ein Tastenfeld und eine Siebensegmentanzeige, haben sich die Erwartungen der Kunden heute deutlich erhöht: Sie vergleichen jedes Gerät mit der Benutzerfreundlichkeit der elektronischen Spielereien, die sie sonst noch besitzen. Es gibt hier also die Gelegenheiten für die Integration von großformatigen Displays mit breitem Farbraum, Multi-Touch-Bedienung und sogar audio-visuellen Einsatzmöglichkeiten.

Im Falle von Waschmaschinen beispielsweise können animierte Inhalte helfen, dem Anwender zu vermitteln, welche Stufe des Waschzyklus’ gerade abläuft. Ein Kopierer wiederum könnte den Büroangestellten per Erklärungsvideo zeigen, wie sie Papierstaus beheben. Ebenso kann Video-Material zeigen, wie eine Kaffeemaschine funktioniert. Auch in Aufzügen haben diese Bediengeräte viel Potenzial: Mit Touch-fähigen Displays können Kunden nicht nur wählen, in welche Etage eines Einkaufszentrums oder Kaufhauses sie fahren wollen, sondern das Display könnte sie mit Videoclips unterhalten und für spezielle Einzelhandelsgeschäfte oder Produkte werben, die gerade im Angebot sind. In Hotel-Liftanlagen könnte diese Technik Gäste über die Einrichtungen des Hauses informieren und sie auf Wunsch auch gleich in das passende Stockwerk befördern.

Objekte im Display

Ein zunehmender Anteil an OEM-HMI-Designs beginnt mit einem objektorientierten Ansatz, der sich über die letzten zwei Jahre herausgebildet hat. Dieser Ansatz führt zu weit geringeren Speicherressourcen und benötigt weniger Bandbreite für die Datenübertragung. Objekte können alles sein, von Schriftarten (Fonts), Bitmap-Bildern, Templates, Geräuschen (wie Zirpen und Piepen) und Überblendungen.

Der große Flash-Speicher der normalerweise nötig wäre um Bilddaten zu abzulegen sowie der Frame-Buffer und der breite parallele Datenbus sind dank der Objektorientierung überflüssig. Die Anzahl der Komponenten für das resultierende HMI ist viel kleiner, es benötigt weniger Leiterplattenfläche, der Stromverbrauch sinkt ebenso wie die Entwicklungszeiten. Ein weiterer wichtiger Aspekt der objektorientierten Methodik ist es, wie gut das System mit animierten Inhalten umgeht. Wenn man angezeigte Bilder als Objekte behandelt statt als komplexe Produkte aus vielen Pixeln, sind Animationsfunktionen leicht zu bewerkstelligen. Es genügt, kontinuierlich die Koordinaten des Objekts zu aktualisieren, im Gegensatz zum ständigen Neuzeichnen des gesamten Bildes. Darüber hinaus kann ein einzelnes Objekt an mehreren Orten wiederholt werden, ohne zusätzliche Inhalte zu laden.

Die FT81X-Bausteine lassen sich per SPI von einer MCU mit einfachen Kommandos ansteuern (links) und besitzen Grafik-, Audio- und Touch-Interfaces (rechts).FTDI

Clevere Hardware

Die innovative Objektstrategie hat FTDI Chip erstmals in seiner EVE-Plattform (Embedded Video Engine) realisiert. EVE rendert Bilder Zeile-für-Zeile (bei 1/16-Pixel-Auflösung) und nicht Pixel-für-Pixel, wofür ein viel kleinerer Datenspeicher als gewöhnlich ausreicht. Auch die Bandbreitenanforderungen sinken. Der Grafik-Chip enthält dabei die drei Funktionsgruppen Grafik, Sound und Touch (resistiv oder PCAP). Das Ziel von EVE ist es, schnell und kostengünstig zu einer ansprechenden grafischen Lösung zu gelangen. Grafische Kenntnisse im Programmieren sind nicht notwendig.

Die FT81x-Serie stellt die neuste Generation der EVE-Bauteile dar. Jeder IC in dieser Serie hat eine höhere Auflösung als die Vorgängergeneration – EVE-2 unterstützt nun 800 × 600 Pixel im Vergleich zu den 512 × 512 Pixeln von EVE-1. Die neuen ICs sind daher in der Lage, eine größere Bildschärfe zu bieten und größere Display-Diagonalen anzusteuern, 7” und mehr sind möglich. FTDI hat dazu auch den Objektspeicher von 256 KByte auf 1 MByte erweitert.

Dank verbesserter Algorithmen haben die Bauelemente der neuen EVE-Serie eine viel sanftere grafische Wiedergabe. Davon profitieren HMI-Designs mit kurzen Animationen, die die Aufmerksamkeit des Benutzers erregen oder Lehrfilme abspielen. Ein weiteres neues Feature ist die Bildschirmrotation. Diese Funktion beschleunigt die Drehung um 90°, sodass das Gerät schnell zwischen Quer- und Hochformat-Ausrichtung wechseln kann. Das ist etwa für portable oder semi-portable Designs sehr vorteilhaft. EVE-2 unterstützt mehrere Farbpaletten, unter anderem 16-Bit- und 32-Bit-Farben mit Transparenz. Neu hinzugefügte extra große Schriftarten ermöglichen mehr Textoptionen. Weitere Verbesserungen in der Performance leiten sich dadurch her, dass EVE-2 bis zu 16 Pixel pro Systemtakt malt: Das ist der vierfache Wert verglichen mit EVE-1. Zusätzlich lädt die neue Generation Jpeg-Bilder nun 1000-mal schneller als der Vorgänger.

Support vom Distributor

Wer sein HMI-Projekt mit dem Distributor Glyn startet, bekommt deutschsprachigen hardwarenahen Support für EVE-2. Glyn hat bereits mit seinem auf EVE-1 basierenden Hardware-Konzept Adam reichlich Erfahrung gesammelt. Adam heißt eigentlich A.D.A.M. und steht für Advanced Display Application Module; nicht zu verwechseln mit ADAM, dem Arduino Display Adapter Module. Bei Glyns Adam ist FTDIs EVE-Grafik-Chip FT801 oder FT800 auf der Rückseite eines 4,3” (10,9 cm) oder 3,5” (8,9 cm) großen Displays bereits integriert. Mit EVE wird das Display direkt über SPI oder I²C angesteuert. Ein zusätzlicher Grafiktreiber ist nicht nötig. Adam ist losgelöst von der Steuerplatine montierbar: Über SPI oder I²C lassen sich auch längere Kabelwege sicher überbrücken. Das Display wird über ein 16-poliges Folienkabel angeschlossen und braucht nur noch eine 3,3-V-Spannungsversorgung. Glyn plant, das Adam-Konzept um eine 7”-EVE-2-Versionen zu erweitern; EVE-2 ist laut FTDI ungefähr ab Oktober 2015 verfügbar.

Glyn schnürt aus dem EVE-2-Baustein ein komplettes Starterkit mit einem EVE-2-Board, das zu Glyns MCU-Boards passt, und einem 800 × 480 Pixel großen Display.Glyn

In speziellen EVE-Workshops führt der Distributor seine Kunden an EVE und Adam heran und trainiert sie in aller technischen Tiefe; der erste EVE-2-Workshop ist für den 04. November 2015 geplant. Glyn hat die EVE-Software von FTDI weiter optimiert und angepasst; der Distributor kann bei Fragen zur Software und zur Programmierung daher direkt weiterhelfen. Eine auf EVE-1 und EVE-2 optimierte Mikrocontroller-Anbindung für die Hauptapplikation sowie ein passendes Display mit speziellen Anforderungen unterstützt Glyn mit seinen eigenentwickelten Starterkits.

Innere Werte

Durch eine vernünftige Strategie zur HMI-Entwicklung können Entwickler deutliche Einsparungen sowohl in der benötigten Platinenfläche als auch bei den Gesamtstückkosten erreichen. Mit der Integration neuer Multimedia-Funktionen in ICs, ergeben sich Anwendungen für eine neue Generation von HMIs, an die vielleicht noch keiner gedacht hätte.

(lei)