Cómo combinar LED, papel electrónico y reconocimiento de gestos para HMI de bajo consumo en la conectividad empresarial

Las interfaces de máquina humana (HMI) son un elemento importante de apoyo a la conectividad empresarial para el Internet de las cosas industrial (IIoT) en la automatización y el control de procesos de la Industria 4.0, y los sistemas de automoción y médicos. Las HMI abarcan desde gafas de realidad aumentada hasta pantallas táctiles y simples indicadores visuales. Aunque las gafas de realidad aumentada acaparan muchos titulares y las pantallas táctiles aportan muchas capacidades, se necesitan indicadores y controles visuales sencillos, de bajo coste, en miniatura y de bajo consumo para una gama cada vez mayor de dispositivos periféricos.

Los diseñadores pueden combinar pantallas LED de matriz de puntos o de papel electrónico (EPD) con controles de reconocimiento de gestos y sensores de proximidad de ángulo de luz por infrarrojos (IR) para implementar HMI de bajo consumo, bajo coste y ricas en funciones en nodos de borde IIoT en Industria 4.0 y en toda una gama de aplicaciones empresariales, médicas y de automoción.

Este artículo comienza repasando el funcionamiento y las capacidades de las pantallas de papel electrónicas (EPD) alfanuméricas y de matriz de puntos y, a continuación, detalla el uso de CI con sensores de ángulo de luz IR en el reconocimiento de gestos y la detección de proximidad. A continuación, presenta pantallas LED representativas de Broadcom y Lumex, un EPD de E Ink, una plataforma de desarrollo de EPD de Pervasive Displays y un CI de detección de infrarrojos para reconocimiento de gestos de Analog Devices, junto con plataformas de desarrollo para acelerar el proceso de diseño e integración de HMI en miniatura de alto rendimiento y bajo consumo.

LED alfanuméricos

Existen pantallas LED alfanuméricas que aceptan entradas de datos en serie y en paralelo y una amplia gama de números de caracteres, tamaños y anchos de pantalla. Cada carácter se forma a partir de una matriz de 5 x 7 píxeles, normalmente utilizando un único color de LED, como el rojo o el verde. Estas pantallas integran juegos de caracteres como el American Standard Code for Information Interchange (ASCII), el juego de caracteres japonés Katakana ISO 15924 que puede codificarse en el juego de caracteres ASCII, así como caracteres específicos de cada país y caracteres personalizados definidos por el usuario para casos de uso especiales (Figura 1). Pueden ser legibles a la luz del día y resistentes al medio ambiente.

Figura 1: El juego de caracteres ASCII tal como se forma utilizando una pantalla LED alfanumérica de 5 x 7 píxeles. (Fuente de la imagen: Broadcom)

Pantallas LED visuales

En lugar de utilizarse para formar caracteres individuales, las pantallas de matriz de puntos LED utilizan LED dispuestos en una matriz para proporcionar gráficos. También pueden mostrar ASCII estándar, Katakana y otros formatos de texto. En términos de rendimiento, se sitúan entre las pantallas de matriz de puntos descritas anteriormente y las pantallas LED de video. Están disponibles en un amplio rango de tamaños y pueden ser pantallas monocolor como las rojas, verdes o rojo verde azul (RGB) multicolor. Sin embargo, suelen tener una paleta de colores más limitada y frecuencias de actualización más lentas que las pantallas de video (Figura 2). Los LED suelen estar dispuestos en forma de rejilla con los terminales negativos o positivos de los LED unidos como un nodo de circuito común. Existen pantallas LED visuales que funcionan con I2C, paralelo de 8 bits, en serie y otras interfaces. Algunos incluyen una unidad de microcontroladores (MCU) integrada y otros utilizan el procesador del sistema.

Figura 2: Ejemplo de paleta de colores para una pantalla LED RGB. (Fuente de la imagen: Lumex)

¿Qué es el papel electrónico y cómo funciona?

Mientras que los LED necesitan una corriente continua para mantenerse encendidos, el papel electrónico es una tecnología biestable que no necesita corriente continua y puede consumir muy poco. Cuando el bajo consumo es una prioridad, las frecuencias de actualización son bajas y no se necesita todo el color, las pantallas de papel electrónico (EPD) pueden ofrecer una alternativa viable a las pantallas LED y de cristal líquido (LCD). Consume muy poca energía para generar una imagen en una pantalla de papel electrónica (EPD); una vez generada la imagen, no se necesita energía para mantenerla. Las pantallas de papel electrónico (EPD) contrastan como la tinta y el papel. Aunque la mayoría son en blanco y negro, algunos añaden otro color, como el rojo.

Las EPD combinan la tecnología de transistores de película delgada (TFT) con una capa de tinta electrónica. La tinta se compone de millones de minúsculas cápsulas que contienen partículas de pigmento cargadas eléctricamente. La tinta se encuentra entre dos electrodos (Figura 3). Al aplicar el impulso necesario a la matriz TFT, las partículas de pigmento forman una imagen detallada. Una vez que las partículas de pigmento se han colocado en su lugar, permanecen allí sin que se aplique energía. Manejar pantallas de papel electrónico (EPD) puede ser un poco complicado. El laminado del panel frontal (FPL) varía ligeramente de un lote a otro, por lo que es necesario ajustar manualmente la forma de onda del accionamiento. Además, pueden ser necesarias diferentes formas de onda de accionamiento a distintas temperaturas de funcionamiento.

Figura 3: La tinta electrónica se compone de millones de minúsculas cápsulas que contienen partículas de pigmento cargadas eléctricamente y colocadas entre dos electrodos. (Fuente de la imagen: Pervasive Displays)

Reconocimiento de gestos

Los LED y las EPD pueden proporcionar información a los usuarios y operadores del sistema. Eso es solo la mitad de una instalación completa de HMI. Los usuarios y operadores también necesitan la capacidad de proporcionar entradas y señales de control al sistema. En algunas aplicaciones, la detección de proximidad alerta al sistema de la presencia de un operador, y la pantalla se enciende automáticamente para proporcionar información de estado. Aunque es útil para enviar información de estado, no proporciona un mecanismo para enviar entradas y comandos al equipo. El uso de teclados, interruptores y otros mecanismos tradicionales puede ser una opción, pero puede dar lugar a soluciones relativamente grandes y que consuman mucha energía. En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a interfaces de reconocimiento de gestos para que los sensores de proximidad detecten y traduzcan los movimientos y patrones de las manos en órdenes. El reconocimiento de gestos puede ser especialmente útil en entornos ruidosos, donde el ruido de fondo y los sonidos ambientales dificultan el uso del reconocimiento de voz. Se necesitan tres actividades para aplicar el reconocimiento básico de gestos:

• Reconocer el principio y el final de un gesto
• Seguimiento del movimiento de la mano durante todo el gesto
• Utilizar la información de los dos primeros pasos para comprender el gesto

Plataforma de desarrollo del reconocimiento de gestos

Para desarrollar un sistema de reconocimiento de gestos, los diseñadores pueden recurrir al diseño de referencia EVAL-CN0569-PMDZ de Analog Devices basado en el sensor de ángulo de luz IR ADPD2140. El circuito emite un tren de impulsos IR y el sensor capta la luz reflejada. El diseño admite la detección de gestos hasta unos 20 centímetros (cm) de distancia de la placa. La frecuencia de muestreo de hasta 512 muestras por segundo permite a los diseñadores ajustar el rechazo del ruido y el tiempo de respuesta para adaptarlos mejor a la aplicación y el entorno. También cabe destacar que el ADPD2140 no requiere una alineación precisa; su sensor tiene una respuesta lineal dentro de un campo de visión angular de ±35° (figura 4). El filtro óptico integrado en el paquete ADPD2140 proporciona un corte nítido de la luz visible, lo que simplifica aún más el diseño del sistema al eliminar la necesidad de lentes o filtros externos, al tiempo que mantiene el rango dinámico del sensor bajo iluminación interior brillante o luz solar.

Figura 4: El sensor de ángulo de luz IR ADPD2140 tiene una respuesta lineal dentro de un campo de visión angular de ±35°. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Pantallas LED alfanuméricas

Aplicaciones que necesitan pantallas LED alfanuméricas brillantes y resistentes pueden recurrir a diseños con interfaces paralelas o interfaces seriales de Broadcom. Las pantallas con interfaces paralelas están disponibles con 4 u 8 caracteres (Figura 5). Están disponibles en varios estilos de encapsulado, colores y tamaños, como el HDSP-2533 de 8 caracteres y 5 milímetros (mm) con LED verdes y el HDLU-1414 de 4 caracteres y 3.7 mm con LED rojo de alta eficiencia, ambos en encapsulados de plástico. O el HDSP-2131 de 8 caracteres, 5 mm, con LED amarillos en un sólido encapsulado de vidrio/cerámica. Todos incluyen un controlador ASIC integrado que simplifica el trabajo de diseño. Características de estas pantallas de interfaz paralela:

• De siete a ocho líneas de autobús para datos
• Mapa de caracteres con 128 ASCII y dieciséis caracteres definibles por el usuario almacenados en ROM programable
• Parpadeo de caracteres individuales y parpadeo de todos los caracteres
• Función de desplazamiento
• Ocho niveles de brillo
• Apilable en las direcciones X e Y para pantallas más grandes

Figura 5: pantallas LED alfanuméricas con interfaces paralelas disponibles con 4 u 8 caracteres. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Broadcom ofrece pantallas alfanuméricas LED de interfaz serie con 4, 8 y 16 caracteres, como la HCMS-3977 verde de 8 caracteres y 5 mm y la HCMS-2912 roja de 8 caracteres y 3.8 mm, ambas en envases de plástico, y la HCMS-2333 amarillo-verde de 4 caracteres y 0.2 pulgadas en un envase de vidrio/cerámica de rango de temperatura ampliado. Características de estas pantallas LED en serie:

• 128 ASCII, escritura japonesa Katakana ISO 15924 y fuentes personalizadas
• Interfaz serie que admite pantallas con un elevado número de caracteres con un mínimo de líneas de datos.
• Puede conectarse directamente a una unidad de microcontrolador para simplificar el diseño del sistema.
• Modo de reposo cuando el equipo está en espera
• 64 niveles de luminosidad
• Apilable en las direcciones X e Y para pantallas con un gran número de caracteres.

Pantalla de matriz de puntos LED

Cuando la aplicación requiere una pantalla LED visual para información más compleja, los diseñadores pueden utilizar el LDM-6432-P3-UR-1 de Lumex Opto. Esta pantalla RGB de 64 x 32 píxeles tiene un paso de LED de 3 mm (Figura 6). Esta pantalla incluye una interfaz UART, toma de alimentación USB más protector de corriente de 1.5 A y módulo BLE 4.0. Los programadores pueden utilizar una computadora personal para desarrollar el software de las pantallas. Las características incluyen:

• Puede manejar comandos HEX o AT de Arduino
• Fuentes y formas básicas incorporadas
• Puede funcionar en modos mixtos de caracteres y gráficos
• Se pueden apilar varios módulos de visualización para obtener pantallas más grandes
• Integrable con cualquier unidad de microcontrolador
• Normalmente abierto (NO)
• Puede mostrar animaciones
• Disponibles en varios idiomas previa petición

Figura 6: Esta pantalla LED RGB de 64 x 32 píxeles puede utilizarse para presentar información más compleja. (Fuente de la imagen: Lumex Opto)

pantallas de papel electrónico y placa de desarrollo

Aplicaciones que se benefician de una EPD pueden recurrir a la ED078KC2 de E Ink. Se trata de un módulo EPD electroforético reflectante sobre un sustrato TFT de matriz activa. Tiene 1404 x 1872 píxeles en un área activa de 7.8". Dependiendo del controlador, esta pantalla de papel electrónica (EPD) puede mostrar hasta 16 niveles de gris (Figura 7).

Pervasive Displays ofrece la B3000MS044, ext3, y la B3000MS037, ext3 gigante, placas de extensión EPD para integrar esta pantalla de papel electrónica (EPD) en los sistemas. El kit básico ext3 puede manejar pantallas de papel electrónicas (EPD) de 1.54" a 12". Para pantallas de papel electrónicas (EPD) grandes, de 9.7" y 12", también se necesita el gigante ext3. Esta plataforma de desarrollo cuenta con un circuito de conducción integrado para simplificar el desarrollo de aplicaciones EPD. Además, Pervasive Displays ofrece opciones de ampliación, varios códigos de conducción abiertos, recursos de diseño y bibliotecas de desarrollo para capacidades gráficas e interactivas.

Figura 7: Esta pantalla de papel electrónica (EPD) biestable tiene 1404 x 1872 píxeles en un área activa de 7.8" y presenta un consumo de energía muy bajo. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Resumen

Los dispositivos de borde IIoT que requieren una HMI pueden beneficiarse de una gama de tecnologías compactas y de bajo consumo. El reconocimiento de gestos permite dar órdenes y controles incluso en entornos difíciles. Las pantallas LED alfanuméricas son resistentes, pueden verse en entornos con mucha luz y pueden apilarse para satisfacer necesidades de información más amplias. Las pantallas de matriz de puntos LED y las EPD pueden presentar información más compleja. Las matrices de puntos LED pueden presentar pantallas en color RGB y animaciones, mientras que las EPD pueden utilizarse para pantallas de alto contraste en escala de grises que requieren muy poca energía.