Os painéis de controle industrial são playgrounds mecânicos, com interruptores e botões, potenciômetros lineares ou rotativos acionados por rodas e controles deslizantes. Por serem mecânicos, podem se tornar fontes de problemas, desde juntas soldadas até peças móveis. Construída para um conjunto específico de tarefas de controle, reconfigurar a placa para qualquer outra coisa é difícil, se não impossível. Eles não são fáceis de aprender a usar e, para operações complexas, costumam ser acompanhados de telas para exibir o status do dispositivo.
Hoje, esta é uma raça em extinção. Em vez disso, os novos dispositivos são inteiramente de estado-sólido; eles utilizam touchpads em monitores controlados por GUIs (Interfaces Gráficas de Usuário). Ao alterar a imagem da tela, as áreas acima do painel de toque vinculam-se visualmente a diferentes funções. Isso significa que o sistema pode não apenas ser reconfigurado, mas também orientar os usuários nas operações-talvez durante a inicialização ou desligamento, ou quando ocorrerem anomalias. Embora essa abordagem ofereça uma interface mais robusta,{6}}fácil de-limpar e com tolerância ambiental mais ampla, ela tem um custo: software, muitas vezes software complexo.
Naturalmente, os vários dispositivos controlados pela tela são gerenciados por processadores e software. Máquinas individuais comunicam-se entre si e com o controlador geral do sistema através de algum tipo de barramento, como CAN ou Ethernet Industrial. Muitas vezes são necessários elementos robustos de controle-em tempo real, e os aplicativos podem ser críticos-para a segurança. Conseqüentemente, toda a arquitetura do sistema deve ser projetada para isolar o controlador da tela sensível ao toque e a GUI dos dados gerais do sistema, exceto por meio de interfaces definidas com segurança. Isso garante que quaisquer problemas com o software GUI não comprometam a segurança de todo o sistema ou de dispositivos individuais.
Esse isolamento pode surgir da execução de todas as atividades da GUI e da tela sensível ao toque em um processador separado que executa um sistema operacional de{0}uso geral, enquanto controla atividades executadas em um sistema operacional-em tempo real em seu próprio processador. Os processadores podem ser dispositivos fisicamente independentes, núcleos independentes em um único chip ou núcleos virtuais criados por software de virtualização.
Neste artigo, embora examinemos controladores fisicamente independentes, a maior parte da discussão também se aplica a controladores touchscreen executados em núcleos virtuais.
Figura 1: Controle touchscreen em um ambiente IHM industrial. Neste cenário, o mesmo MCU/MPU parece estar executando dois dispositivos: um conectado ao PLC via barramento CAN e outro operando a interface touchscreen.
Tecnologia de tela
Embora existam várias tecnologias de tela sensível ao toque, as tecnologias capacitivas e resistivas são as duas mais prevalentes e dominantes no mercado.
As telas resistivas normalmente consistem em duas camadas de vidro ou plástico separadas por um entreferro. Uma camada apresenta fios condutores horizontais, enquanto a outra possui fios verticais. A pressão aplicada à camada superior conecta esses fios, fornecendo coordenadas XY. Embora os detalhes específicos de implementação variem, a tela geralmente se conecta a um controlador por meio de quatro portas.
As telas de detecção capacitiva empregam várias técnicas detalhadas, mas dependem de substâncias condutoras (como dedos) para alterar a capacitância da área da tela e, em seguida, detectar essa alteração como coordenadas XY. A detecção capacitiva tem limitações em aplicações industriais: se os dedos estiverem dentro das luvas, especialmente luvas de trabalho pesadas, pode haver alteração de capacitância insuficiente para medir, e fatores ambientais como emissões de RF podem afetar a capacitância. Ambas as tecnologias suportam entrada multi-toque-por exemplo, dois dedos se afastando ou se aproximando para aumentar ou diminuir o zoom em elementos da GUI.
Os tamanhos das telas variam significativamente. Em uma extremidade do espectro estão grandes telas de 32 polegadas de fabricantes como 3M; no outro, telas de até 3,5" na diagonal (2,83" x 2,07").
GUI
A tela sensível ao toque exibe alguma forma de GUI. Pode ser uma interface genérica, como uma versão do Windows, ou pode ser uma interface gerada especificamente para o aplicativo. Claramente, a quantidade de memória disponível no controlador será um fator significativo na seleção da interface. Outros fatores incluem a complexidade da exibição necessária, as restrições de custo e o tamanho da exibição.
A qualidade das imagens exibidas nem sempre é minuciosamente explorada. Selecionar alguns símbolos ou ícones de uma biblioteca e colocá-los na tela raramente é suficiente. Existem pesquisas consideráveis sobre design de interfaces, e um grupo dentro da ISA (Sociedade Internacional de Automação) parece estar trabalhando no padrão ISA101.
Figura 3: A Atmel incorpora interfaces touchscreen dedicadas em muitos de seus processadores, alguns também apresentando aquisição QTouch de hardware como interface periférica dedicada.Microcontroladores
Muitos fabricantes de microcontroladores agora oferecem suporte para detecção de toque, embora normalmente sejam direcionados a dispositivos portáteis. No setor industrial, a Atmel tem sido um participante importante, principalmente após a aquisição da Quantum Research, fabricante de-dispositivos sensíveis ao toque-especificamente controles deslizantes, rodas e botões. Além de seus extensos controladores de tela sensível ao toque dedicados AT42QT, a empresa desenvolveu a biblioteca de software de controle de tela sensível ao toque QTouch para microcontroladores e adicionou um "canal de toque" para interface de telas sensíveis ao toque com inúmeras famílias de processadores, incluindo AVR UC3 e séries AT Mega e X Mega, bem como controladores LCD. Alguns modelos, como alguns membros da série tinyAVR, também incorporam aquisição de hardware QTouch. Esses microcontroladores são suportados por uma variedade de kits de desenvolvimento e avaliação.
A Texas Instruments (TI) desenvolveu uma série de "módulos de display inteligentes" de aplicativos de tela sensível ao toque baseados no processador ARM Cortex-M3 Stellaris. Eles servem como projetos de referência e são suportados por esquemas, listas de materiais, arquivos Gerber para layout de PCB e aplicativos de amostra. Além disso, a TI irá expandir-se além deste escopo e oferecer módulos para vendas em volume, simplificando a produção para aplicações específicas. Três modelos estão disponíveis, todos voltados para aplicações industriais com processadores-com proteção de temperatura. As opções incluem Power over Ethernet e Gigabit Ethernet, cada uma com uma tela de 2,8{10}} polegadas e uma opção de tela maior de 3,5 polegadas. Esses produtos são suportados pelo software e bibliotecas gráficas Stellaris, juntamente com o ecossistema mais amplo que envolve o Cortex-M3.
A Infineon introduziu um controlador-sensível ao toque como uma das interfaces periféricas para seus microcontroladores XC82x e XC83x de 8-bits. O controlador é projetado principalmente para botões simples de LED, controles deslizantes ou painéis de roda, compartilhando a interface da tela com o controlador de matriz de LED por meio de multiplexação por divisão de tempo.
A Microchip desenvolveu a tecnologia de detecção capacitiva "Metal Cap". Esta tecnologia coloca um painel frontal (que pode ser de aço inoxidável, alumínio ou outros materiais adequados) em uma PCB, com um pequeno espaço de ar entre eles. Os símbolos na superfície superior representam sensores na PCB. A pressão faz com que a superfície superior se desvie, alterando a distância entre o painel e os sensores, alterando assim a capacitância. Dependendo da aplicação, o software de controle pode distinguir entre toques suaves e fortes. Metal Cap é particularmente relevante para ambientes industriais que exigem comutação simples, e a biblioteca de software mTouch suporta toque capacitivo. Muitos membros de 8, 16 e 32 bits da família de microcontroladores PIC suportam esse recurso. Ele é combinado com controle de display, interfaces de barramento CAN e interfaces USB em determinados produtos. Para apoiar esta aplicação, oferecemos uma variedade de kits de desenvolvimento e avaliação.
Figura 4: O sensor "coberto-de metal" da Microchip utiliza um painel de metal que se deforma para alterar a capacitância.
A grande maioria dos produtos microcontroladores para controle com tela sensível ao toque são usados em dispositivos portáteis e de mão. Muitos fornecedores de microcontroladores desenvolveram bibliotecas de controle de tela sensível ao toque que são executadas em seus produtos padrão, comunicando-se com os controladores por meio de canais de E/S de uso geral-padrão (GPIO). Embora essas bibliotecas possam ser usadas em aplicações de controle industrial, os processadores que as executam podem não suportar as condições adversas normalmente associadas aos ambientes industriais. Isso é particularmente verdadeiro quando os projetistas de microcontroladores priorizam o baixo consumo de energia-o que não é surpreendente para dispositivos portáteis onde a duração da bateria continua sendo uma preocupação principal.
As interfaces touchscreen desempenharão um papel cada vez mais vital na automação industrial devido à sua robustez inerente e capacidade de suportar as duras realidades dos ambientes de fabricação. No entanto, embora pareça fácil de implantar, os projetistas devem prestar muita atenção ao design da interface e ao relacionamento entre o software de interface e o software que executa aplicativos-críticos de segurança para que funcionem de maneira eficaz.