交互式電子設(shè)備需要一個人機界面（HMI），允許用戶與底層電子設(shè)備進行通信。使用帶有觸摸屏/顯示器的嵌入式計算機可以滿足這一要求，該計算機連接到能夠?qū)崿F(xiàn)用戶交互的大型設(shè)備。但是，如何將這樣的HMI前端用于專門的工業(yè)，醫(yī)療和軍事應(yīng)用？

在當今的嵌入式設(shè)備中，HMI基本上由四個項目組成，包括顯示器、觸摸屏、處理器和操作系統(tǒng)。

顯示

顯示器向用戶提供機器狀態(tài)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的可視化通信，并請求用戶輸入。平板顯示器（包括 LCD 和 OLED）是實現(xiàn)顯示器的硬件機制。顯示器的關(guān)鍵技術(shù)屬性不僅包括尺寸和分辨率，還包括亮度、視角、可讀性的特殊用例（如陽光直射的明亮環(huán)境）以及可能包括極端高溫或低溫的操作溫度范圍。

觸摸屏

在復(fù)雜機械上使用觸摸屏進行信息輸入的情況正在增加。目前使用的兩種主要觸摸屏技術(shù)是電容式和電阻式。投射電容技術(shù)在大多數(shù)智能手機中使用，但在潮濕或嘈雜的電磁環(huán)境中，或者使用厚手套可能不是最佳選擇。電阻技術(shù)在這些環(huán)境中已經(jīng)使用了很多年，但更容易劃傷，并且光學清晰度低于電容。關(guān)鍵參數(shù)包括所需的觸摸分辨率、手寫筆或其他觸摸儀器的使用、同時觸摸點的數(shù)量、手勢、環(huán)境條件和抗沖擊性。

處理器

處理器通?？刂艸MI子系統(tǒng)，渲染圖像并將其驅(qū)動到顯示器，接受和解釋觸摸輸入，以及處理系統(tǒng)的指令。對于處理需求有限的低分辨率和/或靜態(tài)圖像，可以使用微控制器，可能運行實時操作系統(tǒng)（RTOS）。對于高分辨率顯示器、運動視頻或復(fù)雜系統(tǒng)，可能需要能夠運行復(fù)雜操作系統(tǒng)的微處理器。具有硬件加速視頻和圖形引擎的處理器可提供最佳的功耗/性能權(quán)衡。處理器可以響應(yīng)HMI子系統(tǒng)中的用戶輸入，或通過RS-232，UART，Wi-Fi，PAN，以太網(wǎng)或USB等接口在HMI之外進行通信指令和/或數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是在處理器上運行的軟件，它通過提供與外圍設(shè)備（如觸摸屏、顯示器和其他界面）進行通信的方式來簡化應(yīng)用程序開發(fā)。當針對特定電路板進行優(yōu)化時，操作系統(tǒng)稱為電路板支持包（BSP）。HMI 設(shè)備通常實現(xiàn)安卓、Linux 或視窗操作系統(tǒng)。安卓大大簡化了用戶在HMI設(shè)備中進行交互的軟件設(shè)計。

面向嵌入式應(yīng)用的 HMI：高度復(fù)雜的子系統(tǒng)

出于技術(shù)和業(yè)務(wù)原因，將這四個元素組合成功能性HMI子系統(tǒng)涉及大量復(fù)雜性。

電路板設(shè)計

現(xiàn)代微處理器的電路板設(shè)計非常復(fù)雜。由于有數(shù)百個處理器封裝連接以及存儲器、電源組件和各種外設(shè)的相關(guān)電路板跡線，因此存在原理圖錯誤和路由信號完整性問題的大量機會。這些問題的發(fā)生可能導致較長的調(diào)試周期、代價高昂的重制和相關(guān)的計劃滑點。這種設(shè)計通常最好外包給知識淵博的公司，該公司了解嵌入式微處理器的操作并定期交付這些設(shè)計。

顯示器/觸摸屏

觸摸屏以光學、機械方式（有時是電氣方式）與底層顯示器進行交互。因此，將顯示器及其觸摸屏視為子系統(tǒng)非常重要，兩者都針對HMI應(yīng)用進行了優(yōu)化。顯示器/觸摸屏一起安裝在一個滿足加固要求和美學的封裝中。適當?shù)娘@示器和觸摸屏組件的可用性通常是一個因素。經(jīng)驗豐富的HMI設(shè)計人員可以幫助促進各種性能，成本和可用性權(quán)衡。

業(yè)務(wù)計劃定制

BSP通常需要根據(jù)運行它的嵌入式處理器平臺進行定制。特殊外設(shè)的驅(qū)動程序可能需要開發(fā)。刪除未實現(xiàn)的功能可能會防止崩潰。對于嵌入式 HMI 系統(tǒng)，可能需要自定義初始屏幕并直接引導到固定應(yīng)用程序（通常稱為展臺模式）。可能需要增強安全性。定制BSP的開發(fā)人員不僅要了解操作系統(tǒng)本身，還要了解底層硬件的復(fù)雜性以及應(yīng)用程序開發(fā)人員期望如何與BSP進行交互。

環(huán)境的

HMI前端可供人類使用，通常暴露在惡劣的環(huán)境條件下。觸摸屏/顯示器通常由玻璃制成，容易受到?jīng)_擊，從而可能使設(shè)備破裂或破碎。劃痕會影響可見度。水分會滲入前擋板周圍并滲入內(nèi)部電路。來自強光或太陽的眩光可能會使顯示器無法讀取。對于在戶外使用的設(shè)備，溫度范圍寬會導致操作問題，通常在角落情況下。幸運的是，考慮到電子、機械、熱和光學設(shè)計的正確系統(tǒng)設(shè)計可以確保產(chǎn)品的堅固性。

監(jiān)管認證

所有電子產(chǎn)品，無論行業(yè)、應(yīng)用或用例如何，都必須最低限度地通過監(jiān)管認證。在美國，至少需要 FCC 第 15 部分對 EMI/EMC 進行測試。其他國家也有類似的要求，例如歐洲的CE認證和加拿大的IC認證。雖然HMI前端通常使用其連接的機器進行認證，但其設(shè)計人員必須熟悉電磁兼容設(shè)計，以使認證過程順利進行。擁有一個有經(jīng)驗的業(yè)務(wù)合作伙伴，他們具有設(shè)計HMI接口設(shè)備并通過認證過程的歷史，這對于產(chǎn)品成功發(fā)布至關(guān)重要。

產(chǎn)品生命周期

工業(yè)、醫(yī)療和軍用設(shè)備的產(chǎn)品壽命遠遠超過消費類產(chǎn)品，包括銷售和支持，通常要超過十年或更長時間?？捎眯允撬x組件和隨后監(jiān)控過時的函數(shù)。最關(guān)鍵的是，處理器、顯示器（帶觸摸屏）和其他重要組件的選擇必須考慮到使用壽命。面向消費者的處理器、顯示器和復(fù)雜的外圍設(shè)備（如無線模塊）的可用時間通常不超過 2-3 年。在設(shè)計階段了解供應(yīng)鏈至關(guān)重要。

定制人機界面設(shè)計

鑒于設(shè)計參數(shù)范圍如此之廣，復(fù)雜的機器通常需要定制的HMI，通常以滿足顯示器、觸摸屏和外圍設(shè)備的要求。底層處理器電路通常可以通過對特定顯示器、觸摸屏和外設(shè)進行微小的修改來利用。在尋找定制 HMI 時，請尋找從已知的、經(jīng)過驗證的設(shè)計開始的解決方案，以減少開發(fā)時間、成本和風險。

審核編輯：郭婷