Como combinar LEDs, papel eletrônico e reconhecimento de gestos para IHMs de baixa potência em conectividade empresarial

As interfaces homem-máquina (IHMs) são um elemento importante de suporte à conectividade empresarial para a Internet Industrial das Coisas (IIoT) na automação e controle de processos da Indústria 4.0, e sistemas automotivos e médicos. As IHMs variam de óculos de realidade aumentada a telas sensíveis ao toque e indicadores visuais simples. Enquanto os óculos de realidade aumentada recebem muitas manchetes e telas sensíveis ao toque trazem muitas capacidades, indicadores visuais e controles simples, de baixo custo, em miniatura e de baixa potência são necessários para uma gama crescente de dispositivos de borda.

Os projetistas podem combinar displays de papel eletrônico (e-paper ou EPDs) ou matriz de pontos LED com controles de sensor angular por infravermelho (IV) para reconhecimento de gesto e detecção de proximidade a fim de implementar IHMs de baixa potência, baixo custo e ricas em recursos nos nós da borda IIoT na Indústria 4.0 e em uma gama de aplicações empresariais, médicas e automotivas.

Este artigo começa com uma revisão da operação e das capacidades dos displays alfanuméricos e de matriz de pontos LED e EPDs, depois detalha o uso de CIs de sensor angular de luz IV no reconhecimento de gestos e na detecção de proximidade. Em seguida, apresenta displays LED representativos da Broadcom e Lumex, um EPD da E Ink, uma plataforma de desenvolvimento de EPD da Pervasive Displays, e um CI de sensoriamento infravermelho para reconhecimento de gestos da Analog Devices, juntamente com plataformas de desenvolvimento para agilizar o projeto e o processo de integração para IHMs de alto desempenho, baixa potência e em miniatura.

LEDs alfanuméricos

Estão disponíveis displays LED alfanuméricos que aceitam entradas de dados paralelos e em série e uma gama de quantidade de caracteres, tamanhos e larguras de exibição. Cada caractere é formado a partir de uma matriz de 5 x 7 pixeis — normalmente usando uma única cor LED como vermelho ou verde. Estes displays integram conjuntos de caracteres como os caracteres ASCII (American Standard Code for Information Interchange), o conjunto de caracteres da escrita japonesa Katakana ISO 15924 que pode ser codificado no conjunto de caracteres ASCII, bem como caracteres específicos de cada país e caracteres personalizados definidos pelo usuário para casos de uso especial (Figura 1). Eles podem ser lidos à luz do dia e são resistentes ao meio ambiente.

Figura 1: O conjunto de caracteres ASCII conforme formados, usando um display LED alfanumérico de 5 x 7 pixeis. (Fonte da imagem: Broadcom)

Displays LED visuais

Em vez de serem usados para formar caracteres individuais, os displays de matriz de pontos LED usam LEDs dispostos em um layout de matriz para fornecer gráficos. Eles também podem exibir ASCII padrão, Katakana e outros formatos de texto. Em termos de desempenho, eles estão entre os displays de matriz de pontos descritos acima e os displays LED de vídeo. Eles estão disponíveis em uma ampla gama de tamanhos e podem ser monocromáticos como vermelho, verde ou displays multicoloridos em vermelho, verde e azul (RGB). Entretanto, eles geralmente têm uma paleta de cores mais limitada e taxas de atualização mais lentas em comparação com os displays de vídeo (Figura 2). Os LEDs são geralmente dispostos em um padrão de grade com os terminais negativos ou positivos dos LEDs unidos como um nó de circuito comum. Estão disponíveis displays LED visuais que operam com interfaces I2C, paralelas de 8 bits, séries e outras. Alguns incluem uma unidade microcontroladora (MCU) na placa e outros utilizam o processador do sistema.

Figura 2: Exemplo de uma paleta de cores para um display LED RGB. (Fonte da imagem: Lumex)

O que é papel eletrônico e como ele funciona?

Enquanto os LEDs exigem uma corrente de condução contínua para permanecerem ligados, o papel eletrônico é uma tecnologia biestável que não exige condução contínua e pode consumir energia extremamente baixa. Quando a baixa potência é uma prioridade, as taxas de atualização são baixas, não sendo necessária todas as cores, logo os displays e-paper (EPDs) podem fornecer uma alternativa viável aos displays de LED e de cristal líquido (LCDs). É necessária quase nada de energia para renderizar uma imagem em um EPD; uma vez que a imagem é renderizada, nenhuma energia é necessária para mantê-la. Os EPDs têm contraste como tinta e papel. Enquanto a maioria é preta e branca, alguns acrescentam outra cor, como o vermelho.

Os EPDs combinam a tecnologia de transistor de filme fino (TFT) com uma camada de tinta eletrônica. A tinta é composta de milhões de minúsculas cápsulas contendo partículas de pigmento carregadas eletricamente. A tinta está entre dois eletrodos (Figura 3). A aplicação da condução necessária na matriz TFT faz com que as partículas de pigmento formem uma imagem detalhada. Uma vez que as partículas de pigmento tenham sido movidas para a posição, elas permanecem lá sem nenhuma energia aplicada. Acionar EPDs pode ser um pouco complicado. O laminado do painel frontal (FPL) varia ligeiramente de lote para lote, exigindo que a forma de onda do acionamento seja sintonizada manualmente. Além disso, podem ser necessárias diferentes formas de onda de acionamento sob diferentes temperaturas de operação.

Figura 3: A tinta eletrônica compreende milhões de minúsculas cápsulas contendo partículas de pigmento carregadas eletricamente colocadas entre dois eletrodos. (Fonte da imagem: Pervasive Displays)

Reconhecimento de gestos

Os LEDs e EPDs podem fornecer informações aos usuários e operadores do sistema. Isso é apenas metade de uma instalação IHM completa. Os usuários e operadores também precisam da capacidade de fornecer sinais de entrada e controle para o sistema. Em algumas aplicações, o sensor de proximidade alerta o sistema para a presença de um operador, e o display se liga automaticamente para fornecer informações de status. Embora isso seja útil para enviar informações de status, não fornece um mecanismo para enviar entradas e comandos para o equipamento. O uso de teclados tradicionais, chaves e outros mecanismos pode ser uma opção, mas pode resultar em soluções relativamente grandes e insaciáveis por energia. Em vez disso, os projetistas podem recorrer a interfaces de reconhecimento de gestos para sensores de proximidade a fim de detectar e traduzir os movimentos e padrões das mãos em comandos. O reconhecimento de gestos pode ser especialmente útil para ambientes ruidosos, onde o ruído de fundo e os sons ambiente dificultam o uso do reconhecimento de voz. São necessárias três atividades para implementar o reconhecimento dos gestos básicos:

• Reconhecer o início e o fim de um gesto
• Acompanhar o movimento das mãos durante o gesto
• Usar as informações das duas primeiras etapas para entender o gesto

Plataforma de desenvolvimento de reconhecimento de gestos

Para desenvolver um sistema de reconhecimento de gestos, os projetistas podem recorrer ao projeto de referência EVAL-CN0569-PMDZ da Analog Devices, baseado no sensor de ângulo de luz IV ADPD2140. O circuito emite um trem de pulso IV e o sensor capta a luz refletida. O design suporta a detecção de gestos até cerca de 20 centímetros (cm) de distância da placa. A taxa de amostragem de até 512 amostras por segundo permite aos projetistas ajustar a rejeição de ruído e o tempo de resposta para melhor se adequar à aplicação e ao ambiente. Também é notável que o ADPD2140 não requer alinhamento preciso; seu sensor tem uma resposta linear dentro de um campo de visão angular de ±35° (Figura 4). O filtro óptico integrado no pacote ADPD2140 proporciona um corte brusco da luz visível, simplificando ainda mais o projeto do sistema ao eliminar a necessidade de lentes ou filtros externos, enquanto mantém a faixa dinâmica do sensor sob uma iluminação interior brilhante ou sob a luz solar.

Figura 4: O sensor angular de luz IV ADPD2140 tem uma resposta linear dentro de um campo de visão angular de ±35°. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Displays de LED alfanuméricos

As aplicações que necessitam de display LED alfanuméricos, brilhantes e robustos, podem se voltar para projetos com interfaces paralelas ou interfaces seriais da Broadcom. Os displays com interfaces paralelas estão disponíveis com 4 ou 8 caracteres (Figura 5). Estão disponíveis em vários estilos, cores e tamanhos de invólucros, tais como o HDSP-2533 de 8 caracteres e 5 milímetros (mm) com LEDs verdes e o HDLU-1414 de 4 caracteres e 3,7 mm com LEDs vermelhos de alta eficiência, ambos em invólucros plásticos. Ou o HDSP-2131 de 8 caracteres, 5 mm, com LEDs amarelos em um invólucro robusto de vidro/cerâmica. Todos incluem um controlador ASIC integrado, simplificando o esforço de projeto. As características destas interfaces paralelas incluem:

• Sete a oito linhas de barramento para dados
• Mapa de caracteres com 128 ASCII e dezesseis caracteres definíveis pelo usuário, armazenados em ROM programável
• Cintilação de caracteres individuais e pisca-pisca de todos os caracteres
• Função de rolagem
• Oito níveis de luminosidade
• Empilhável nos sentidos x e y para mais necessidades de exibição

Figura 5: Os displays LED alfanuméricos com interfaces paralelas estão disponíveis com 4 ou 8 caracteres. (Fonte da imagem: DigiKey)

A Broadcom oferece displays LED alfanuméricos de interface serial com 4, 8 e 16 caracteres como o HCMS-3977 verde de 8 caracteres, 5 mm e o HCMS-2912 vermelho de 8 caracteres, 3,8 mm, ambos em invólucros plásticos e o HCMS-2333 amarelo-verde de 4 caracteres, 0,2 polegada, em um invólucro de vidro/cerâmica com faixa de temperatura estendida. As características destes displays LED seriais incluem:

• 128 ASCII, escrita japonesa Katakana ISO 15924 e fontes personalizadas
• Interface serial que suporta displays de alta quantidade de caracteres com linhas de dados mínimas
• Pode fazer interface diretamente com uma MCU para simplificar o projeto do sistema
• Modo de suspensão, quando o equipamento está em espera
• 64 níveis de luminosidade
• Empilhável em direções x e y, suportando displays com alta quantidade de caracteres

Display de matriz de pontos LED

Quando a aplicação requer um visor LED visual para informações mais complexas, os projetistas podem usar o LDM-6432-P3-UR-1 da Lumex Opto. Este display RGB de 64 x 32 pixeis tem um passo de LED de 3 mm (Figura 6). Este display inclui uma interface UART, soquete de alimentação USB mais 1,5 A de proteção de corrente, e módulo BLE 4.0. Os desenvolvedores podem usar um computador pessoal para desenvolver o software do display. Os recursos incluem:

• Pode lidar com comandos AT em HEX ou Arduino
• Fontes incorporadas e formas básicas
• Pode ser executado em caracteres mistos e modos gráficos
• Módulos de múltiplos displays podem ser empilhados para displays maiores
• Pode ser integrado com qualquer MCU
• Não é necessário controlador nem biblioteca
• Pode exibir animação
• Idiomas diferentes estão disponíveis mediante solicitação

Figura 6: Este display LED RGB de 64 x 32 pixeis pode ser usado para apresentar informações mais complexas. (Fonte da imagem: Lumex Opto)

Display de papel eletrônico e placa de desenvolvimento

As aplicações que se beneficiam de um EPD podem recorrer ao ED078KC2 da E Ink. É um módulo EPD eletroforético refletivo sobre um substrato TFT de matriz ativa. Tem 1404 x 1872 pixeis em uma área ativa de 7,8". Dependendo do controlador, este EPD pode exibir até 16 níveis de cinza (Figura 7).

A Pervasive Displays oferece as placas de extensão EPD B3000MS044, ext3, e B3000MS037, ext3 gigante, para integrar esta EPD em sistemas. O kit básico ext3 pode acionar EPDs de 1,54" a 12". Para grandes EPDs, a partir de 9,7" e 12", o ext3 gigante também é necessário. Esta plataforma de desenvolvimento tem um circuito de acionamento na placa para simplificar o desenvolvimento de aplicações EPD. Além disso, a Pervasive Displays oferece opções de expansão, vários códigos de código aberto para acionamento, recursos de projeto e bibliotecas de desenvolvimento para capacidades gráficas e interativas.

Figura 7: Este EPD biestável tem 1404 x 1872 pixeis em uma área ativa de 7,8" e apresenta um consumo de energia muito baixo. (Fonte da imagem: DigiKey)

Resumo

Os dispositivos de borda IIoT que requerem uma IHM podem se beneficiar de uma gama de tecnologias compactas e de baixa potência. O reconhecimento de gestos proporciona uma maneira de fornecer comandos e controles mesmo em ambientes desafiadores. Os displays de LED alfanuméricos são robustos, podem ser vistos em ambientes de alta luminosidade e podem ser empilhados para suportar mais necessidades de informação. Os displays matriciais de pontos LED e os EPDs podem apresentar informações mais complexas. As matrizes de pontos LED podem apresentar displays RGB coloridos e animações, enquanto os EPDs podem ser usados para displays de alto contraste em escala de cinza que exigem quase nada de energia.