Микроконтроллерные модули с развитым интерфейсом «человек–машина»
В статье рассматриваются встраиваемые микроконтроллерные модули компаний Omron, Garz&Fricke и «Терраэлектроника», имеющие развитые возможности интерфейса «человек–машина» (HMI) и прежде всего, формирования цветных графических изображений. Анализируются особенности HMI из серий NS Omron, рассмотрены HMI моделей NESO, JUPITER и CALISTO Garz&Fricke, а также представлены встраиваемые модули TE-LPC2478LCDх.х с дисплеями 3,5” и 5,6” производства «Терраэлектроника». Отечественные модули сочетают функции HMI c возможностями прямого использования аппаратных ресурсов микроконтроллера ARM7. Они представляют собой завершенные решения, готовые для установки в изделия в качестве ядра системы управления.
Современные достижения микроэлектроники существенно снизили цены 32-разрядных высокопроизводительных микроконтроллеров и цветных графических дисплеев. Это открыло дорогу для ускоренного развития средств взаимодействия человек–машина (HMI — Human Machine Interface). Многим исследователям эта область науки и техники представляется одной из важнейших для развития цивилизации, поэтому и рынок HMI оценивается как весьма перспективный.Ведущие производители средств автоматизации промышленного оборудования оперативно отреагировали на эту ситуацию и предложили новый класс встраиваемых модулей с дисплеями, который получил название HMI. Одной из таких компаний является Omron. Из большой номенклатуры интеллектуальных терминалов компании рассмотрим особенности HMI серии NS. Важнейшие параметры моделей NS8 и NS5 из этой серии приведены в таблице 1. Другим известным производителем HMI является компания Garz&Fricke. В таблице 1 приведены основные характеристики ее HMI, выполненных на основе одноплатных контроллеров (SBC) и оснащенных TFT-дисплеями.Компания «Терраэлектроника» в рамках программы создания собственной продукции разработала и предлагает рынку два встраиваемых модуля на основе ARM7 микроконтроллера LPC2478 (NXP) и TFT-дисплеев с диагональю 3,5” и 5,6”. Эти бюджетные изделия призваны удовлетворить потребности отечественных разработчиков и производителей встраиваемых систем; их характеристики также приведены в таблице 1.
HMI-модуль
Производитель
Дисплей
Микроконтроллер, память
Интерфейсы
ПО
Память экранов 60 Мбайт, внутренняя память 32768 слов + 32768 бит и энергонезависимая память 8192 слов + 8192 бит
Ethernet, 2xUSB, VIDEO input
5,7″TFT 320×240 или CTN монохромный
Память экранов 20 Мбайт, внутренняя память 32768 слов + 32768 бит и энергонезависимая память 8192 слов + 8192 бит
NESO 5,7 NESO 7,0
5,7″ VGA 640×480 7,0″ WVGA 800X480
i.MX27 ARM926 400 МГц Freescale
128 Мбайт RAM 256 Мбайт ROM
RS-232, Ethernet, USB, SD, Audio
Windows CE, Linux
JUPITER 5,7 Ganymed
5,7″ QVGA 320×240 VGA 640X480
i.MX31 ARM11 532 МГц Freescale 128 Мбайт RAM 128 Мбайт ROM
RS-232, Ethernet, USB, CAN, SD, SDIO, A/D I/O, I2C, SPI, Audio
Windows CE, Linux
10,4 VGA 640X480
i.MX31L ARM11532 МГц Freescale 128 Мбайт RAM 128 Мбайт ROM
RS-232, Ethernet, USB, SD, Audio
Windows CE, Linux
LPC2478 (ARM7 72 МГц, 512 Кбайт флэш, 98 Кбайт SRAM) NXP На плате 4 Мбайт NOR-флэш, 32 Мбайт RAM
USB Device, USB-UART, SD/MMC, JTAG 160 линий портов МК
LPC2478 (ARM7 72 МГц, 512 Кбайт флэш, 98 Кбайт SRAM) NXP На плате 4 Мбайт NOR-флэш, 32 Мбайт RAM
Ethernet, USB Host/Device, CAN, USB-UART, SD/MMC, JTAG 160 линий портов МК
Встраиваемые модули компаний Omron, Garz&Frike и «Терраэлектроника» реализуют различные подходы к построению комплекса аппаратных и программных средств, осуществляющего взаимодействие «человек–машина».Компания Omron в серии модулей NS развивает направление традиционных интеллектуальных терминалов иерархических систем автоматизации производства. Для этих модулей функция HMI является основной, их особенностью является общение с другими компонентами системы (контроллерами SYSMAC CJ2 и компьютером верхнего уровня) только через скоростные интерфейсы Ethernet и USB (см. рис. 1). Важным достоинством HMI серии NS является возможность их программирования с использованием развитого набора программных компонентов SAP.
Компоненты SAP — это готовые отлаженные программные модули, выполняющие обмен данными и визуализацию информации. При их использовании создание программы интерфейса «человек-машина» сводится к компоновке графических объектов на экране и установлению связей между ними. HMI серии NS отличаются между собой, в основном, дисплеями (5,7…15”). Параметры памяти и набор интерфейсов у моделей почти одинаковые. Вид HMI модели NS8 компании Omron показан на рисунке 2.
Компания Garz&Fricke в категории HMI производит встраиваемые модули, которые являются комбинацией одноплатных компьютеров (SBC) и TFT-дисплеев. По существу, HMI является одной из возможностей этих модулей, которые, кроме того, способны функционировать и как обычные программируемые контроллеры (PLC — Programmable Logic Controller). Garz&Fricke разработала три типа SBC на микроконтроллерах Freescale: NESOcore, CALLISTOcore и ADELAIDEcore.NESOcore выполнен на микроконтроллере i.MX27, который имеет ядро ARM926 и функционирует на частотах до 400 МГц. На плате установлена память DDR RAM объемом 128 Mбайт и NAND-флэш объемом 256 Mбайт. Процессор способен декодировать файлы MPEG (H.263/H.264) с качеством D1. Совместно с одноплатным компьютером NESOcore могут использоваться два типа дисплеев: 5,7” VGA с разрешением 640×480 точек (см. рис. 3) и 7,0” WVGA с разрешением 800×480 точек. Дисплеи обеспечивают яркость 400 Кд/м² и 250 Кд/м², соответственно.HMI NESO имеют несколько скоростных интерфейсов. Это Ethernet 10/100, USB-host и USB OTG (оба 480 Мбит/с), RS-232, слот SD-карты формата SDHC, аудиовыход. Разъемы интерфейсов выведены на верхнюю крышку корпуса (см. рис. 4).
Вес модуля с дисплеем 5,7” составляет 420 г, рабочий температурный диапазон 0…60°С.Одноплатный компьютер ADELAIDEcore (см. рис. 5) разработан для комплексирования промышленных, автомобильных и других систем с повышенными требованиями по производительности на мультимедийных приложениях и устойчивости к внешним воздействиям. Он выполнен на микроконтроллере i.MX31 c ядром ARM1136JF-S, который функционирует на частотах до 532 МГц, имеет встроенный контроллер ЖКД (800×600 точек, 3D-ускоритель), энкодер MPEG4, аудиокодек AC97, интерфейс видеокамеры, отличается малым потреблением (600 мА) и расширенным температурным диапазоном (–30…85°C по запросу). Процессор имеет развитые механизмы защиты информации, скоростные интерфейсы Ethernet (SMSC 9215, 10/100, Auto MDI-X) и USB (USB OTG 480 Mбит/с, USB Host 480 Mбит/с, USB Host 12 Mбит/с). Присутствует большой набор последовательных интерфейсов: 5×UART, 3×I2C, 3×CSPI, FIR, SIM, 1-Wire. Разработчику доступны также 10-разрядный АЦП и 24 линии портов микроконтроллера. Таким образом, кроме обращения ко всему SBC ADELAIDEcore как к единому блоку через универсальные интерфейсы, имеется возможность обратиться внутрь блока и прямо использовать часть аппаратных ресурсов микроконтроллера.
С применением SBC ADELAIDEcore компания Garz&Fricke выпускает два типа HMI. При использовании 5,7”-дисплея QVGA 320×240 точек HMI называется Ganimed, а при использовании 5,7”-дисплея VGA 640×480 точек HMI называется Europa. Общее название HMI этой группы — Jupiter. Новые имена присвоены, поскольку SBC используется в комбинации с платой-носителем (см. рис. 6). За счет этого появляются новые функции, в частности гальванически развязанный порт CAN.