Les panneaux de commande industriels sont des terrains de jeux mécaniques, dotés d'interrupteurs et de boutons, de potentiomètres linéaires ou rotatifs entraînés par des roues et des curseurs. Étant mécaniques, ils peuvent devenir sources de problèmes, des joints de soudure aux pièces mobiles. Conçue pour un ensemble spécifique de tâches de contrôle, la reconfiguration de la carte pour autre chose est difficile, voire impossible. Leur prise en main n'est pas simple, et pour les opérations complexes, ils sont souvent accompagnés d'écrans permettant d'afficher l'état de l'appareil.
Aujourd’hui, c’est une race en voie de disparition. Au lieu de cela, les nouveaux appareils sont entièrement à semi-conducteurs- ; ils utilisent des pavés tactiles sur des écrans pilotés par des GUI (Graphical User Interfaces). En modifiant l'image de l'écran, les zones situées au-dessus de l'écran tactile sont visuellement liées à différentes fonctions. Cela signifie que le système peut non seulement être reconfiguré, mais également guider les utilisateurs dans les opérations-peut-être pendant le démarrage ou l'arrêt, ou lorsque des anomalies se produisent. Bien que cette approche offre une interface plus robuste,-plus facile-à nettoyer avec une tolérance environnementale plus large, elle a un coût : des logiciels, souvent complexes.
Bien entendu, les différents appareils pilotés par l’écran sont eux-mêmes gérés par des processeurs et des logiciels. Les machines individuelles communiquent entre elles et avec le contrôleur global du système via une forme de bus, telle que CAN ou Industrial Ethernet. Des éléments de contrôle-en temps réel robustes sont souvent nécessaires, et les applications peuvent être critiques en matière de sécurité. Par conséquent, l'ensemble de l'architecture du système doit être conçue pour isoler le contrôleur à écran tactile et l'interface graphique des données globales du système, sauf via des interfaces définies de manière sécurisée. Cela garantit que tout problème avec le logiciel GUI ne compromet pas la sécurité de l'ensemble du système ou des appareils individuels.
Cet isolement peut résulter de l'exécution de toutes les activités de l'interface graphique et de l'écran tactile sur un processeur distinct exécutant un système d'exploitation à usage général, tout en contrôlant les activités exécutées sur un système d'exploitation en temps réel sur son propre processeur. Les processeurs peuvent être des périphériques physiquement indépendants, des cœurs indépendants sur une seule puce ou des cœurs virtuels créés par un logiciel de virtualisation.
Dans cet article, même si nous examinerons les contrôleurs physiquement indépendants, la majeure partie de la discussion s'applique également aux contrôleurs à écran tactile fonctionnant dans des cœurs virtuels.
Figure 1 : Contrôle par écran tactile dans un environnement IHM industriel. Dans ce scénario, le même MCU/MPU semble exécuter deux appareils : l'un connecté à l'automate via le bus CAN et l'autre exploitant l'interface à écran tactile.
Technologie d'écran
Bien qu'il existe plusieurs technologies d'écran tactile, les technologies capacitives et résistives sont les deux plus répandues et dominantes sur le marché.
Les écrans résistifs sont généralement constitués de deux couches de verre ou de plastique séparées par un entrefer. Une couche comporte des fils conducteurs horizontaux, tandis que l’autre comporte des fils verticaux. La pression appliquée à la couche supérieure connecte ces fils, fournissant des coordonnées XY. Bien que les détails spécifiques de mise en œuvre varient, l'écran se connecte généralement à un contrôleur via quatre ports.
Les écrans à détection capacitive utilisent diverses techniques détaillées mais s'appuient sur des substances conductrices (telles que les doigts) pour modifier la capacité de la zone de l'écran, puis détectent ce changement sous forme de coordonnées XY. La détection capacitive présente des limites dans les applications industrielles : si les doigts se trouvent à l'intérieur des gants, en particulier des gants de travail épais, la variation de capacité peut être insuffisante pour être mesurée, et des facteurs environnementaux tels que les émissions RF peuvent affecter la capacité. Les deux technologies prennent en charge la saisie multi-tactile-, par exemple en écartant ou en pinçant deux doigts pour effectuer un zoom avant ou arrière sur les éléments de l'interface graphique.
Les tailles d'écran varient considérablement. À une extrémité du spectre se trouvent les grands écrans de 32 pouces de fabricants comme 3M ; de l'autre, des écrans aussi petits que 3,5" de diagonale (2,83" x 2,07").
Interface graphique
L'écran tactile affiche une forme d'interface graphique. Il peut s'agir d'une interface générique, telle qu'une version de Windows, ou d'une interface spécifiquement générée pour l'application. De toute évidence, la quantité de mémoire disponible dans le contrôleur sera un facteur important dans le choix de l'interface. D'autres facteurs incluent la complexité de l'affichage requis, les contraintes de coût et la taille de l'affichage.
La qualité des images affichées n’est pas toujours étudiée de manière approfondie. Sélectionner quelques symboles ou icônes dans une bibliothèque et les placer à l'écran est rarement suffisant. Des recherches considérables existent sur la conception d'interfaces, et un groupe au sein de l'ISA (International Society of Automation) semble travailler sur la norme ISA101.
Figure 3 : Atmel intègre des interfaces à écran tactile dédiées dans bon nombre de ses processeurs, certains intégrant également l'acquisition matérielle QTouch comme interface périphérique dédiée.Microcontrôleurs
De nombreux fabricants de microcontrôleurs proposent désormais une prise en charge de la détection tactile, bien que celles-ci soient généralement destinées aux appareils portables. Dans le secteur industriel, Atmel a été un acteur clé, notamment suite à l'acquisition de Quantum Research, un fabricant d'-appareils tactiles-en particulier de curseurs, de roues et de boutons. Au-delà de ses nombreux contrôleurs d'écran tactile dédiés AT42QT, la société a développé la bibliothèque logicielle de contrôle d'écran tactile QTouch pour microcontrôleurs et a ajouté un « canal tactile » pour interfacer les écrans tactiles avec de nombreuses familles de processeurs, notamment les séries AVR UC3 et AT Mega et X Mega, ainsi que les contrôleurs LCD. Certains modèles, comme certains membres de la série tinyAVR, intègrent également l'acquisition matérielle QTouch. Ces microcontrôleurs sont pris en charge par une variété de kits de développement et d'évaluation.
Texas Instruments (TI) a développé une série d'applications à écran tactile « Modules d'affichage intelligents » basées sur le processeur ARM Cortex-M3 Stellaris. Ceux-ci servent de conceptions de référence et sont étayés par des schémas, des nomenclatures, des fichiers Gerber pour la configuration des PCB et des exemples d'applications. De plus, TI s'étendra au-delà de ce cadre et proposera les modules pour les ventes en volume, simplifiant ainsi la production pour des applications spécifiques. Trois modèles sont disponibles, tous destinés aux applications industrielles avec des processeurs durcis en température-. Les options incluent Power over Ethernet et Gigabit Ethernet, chacune dotée d'un écran de 2,8 - pouces avec une option d'écran plus grand de 3,5 pouces. Ces produits sont pris en charge par les logiciels et les bibliothèques graphiques Stellaris, ainsi que par l'écosystème plus large entourant le Cortex-M3.
Infineon a introduit un contrôleur à détection tactile-comme l'une des interfaces périphériques de ses microcontrôleurs XC82x et XC83x 8-bits. Le contrôleur est principalement conçu pour de simples boutons LED, curseurs ou panneaux de roues, partageant l'interface écran avec le contrôleur matriciel LED via un multiplexage temporel.
Microchip a développé la technologie de détection capacitive « Metal Cap ». Cette technologie place un panneau avant (qui peut être en acier inoxydable, en aluminium ou en d'autres matériaux appropriés) sur un PCB, avec un petit entrefer entre eux. Les symboles sur la surface supérieure représentent les capteurs sur le PCB. La pression fait dévier la surface supérieure, modifiant l'espace entre le panneau et les capteurs, modifiant ainsi la capacité. Selon l'application, le logiciel de contrôle peut faire la distinction entre les touches douces et dures. Metal Cap est particulièrement adapté aux environnements industriels nécessitant une commutation simple, et la bibliothèque logicielle mTouch prend en charge le toucher capacitif. De nombreux membres 8 bits, 16 bits et 32 bits de la famille des microcontrôleurs PIC prennent en charge cette fonctionnalité. Il est combiné avec le contrôle d'affichage, les interfaces de bus CAN et les interfaces USB dans certains produits. Pour prendre en charge cette application, nous proposons une gamme de kits de développement et d’évaluation.
Figure 4 : Le capteur « recouvert de métal-de Microchip utilise un panneau métallique qui se déforme pour modifier la capacité.
La grande majorité des produits de microcontrôleurs destinés au contrôle par écran tactile sont utilisés dans des appareils portables et portatifs. De nombreux fournisseurs de microcontrôleurs ont développé des bibliothèques de contrôle à écran tactile qui s'exécutent sur leurs produits standard, communiquant avec les contrôleurs via des canaux d'E/S -à usage général standard (GPIO). Bien que ces bibliothèques puissent être utilisées dans des applications de contrôle industriel, les processeurs qui les exécutent peuvent ne pas résister aux conditions difficiles généralement associées aux environnements industriels. Cela est particulièrement vrai lorsque les concepteurs de microcontrôleurs donnent la priorité à une faible consommation d'énergie.-ce n'est pas surprenant pour les appareils portables où la durée de vie de la batterie reste une préoccupation majeure.
Les interfaces à écran tactile joueront un rôle de plus en plus vital dans l'automatisation industrielle en raison de leur robustesse inhérente et de leur capacité à résister aux dures réalités des environnements de fabrication. Cependant, bien qu'apparemment faciles à déployer, les concepteurs doivent accorder une attention particulière à la conception de l'interface et à la relation entre le logiciel d'interface et les logiciels exécutant des applications critiques pour la sécurité afin que celles-ci fonctionnent efficacement.