工业自动化中触摸屏的应用

通过开关和按钮，由轮子和滑块驱动的线性或旋转电位器，工业控制面板是机械操场。由于是机械的，它们有可能成为问题的根源，从焊接接头到运动部件。为一组特定的控制任务而构建，如果不是不可能的话，董事会很难为其他任何人重新配置。它们不容易学习如何使用，并且对于复杂的操作，通常伴有屏幕来显示设备的状态。

今天，这些都是消失的品种。相反，新装置完全是固态的;他们在由GUI（图形用户界面）驱动的显示屏上使用触摸板。通过改变屏幕图像，触摸面板上方的区域将在视觉上链接到不同的功能。这意味着，除了可重新配置之外，系统还可以指导用户完成操作，可能是在启动或关闭时，也许是在发生异常情况时。虽然这种方法具有更强大，更易于清理以及更广泛环境容忍的界面的优点，但它需要付出代价：软件，通常是复杂的软件。

当然，由屏幕控制的不同设备本身由处理器和软件管理。各个机器通过某种总线（如CAN或工业以太网）相互通信并与整个系统控制器通信。通常需要强大的实时控制元素，并且应用程序可能是安全关键的，因此整个系统的体系结构需要设计为将触摸屏控制器和GUI与整个系统数据隔离，除非通过安全定义接口。这样，GUI软件的任何问题都不会影响整个系统或各个设备的安全性。

这种隔离可能是由于在运行通用操作系统的单独处理器上运行所有GUI和触摸屏活动而控制活动在其自己的处理器上的实时操作系统上运行而引起的。处理器可能是物理上独立的设备，单个芯片上的独立核心或虚拟化软件创建的虚拟核心。

在本文中，虽然我们将查看物理上独立的控制器，但大部分讨论也与在虚拟核心中运行的触摸屏控制器相关。

《 br》图1：工业HMI环境中的触摸屏控制。在这种情况下，相同的MCU/MPU似乎正在运行两个设备，通过CAN总线连接到PLC，以及触摸屏界面。

屏幕技术

有多种触摸屏技术，但两者实际上，最常见的两种主导市场的是电容和电阻技术。

电阻屏通常是两层玻璃或塑料，由气隙隔开。一层将具有水平导线，另一层将具有垂直。上层的压力将链接这些线，给出XY坐标。使用了不同的详细技术，但通常屏幕将有四个端口连接到控制器。

电容式传感屏幕使用各种详细技术，但依靠导电物质（如手指），改变屏幕区域的电容，然后将此变化感知为XY坐标。在工业应用中存在电容感测的限制：如果手指在手套内，特别是重工作手套，则可能没有足够的电容变化可测量，并且诸如RF发射的环境因素可能影响电容。这两种技术都可以用于多点触摸输入 - 例如，两个手指分开或一起放大或缩小GUI中的区域。

屏幕尺寸差别很大。光谱的一端是来自像3M这样的人的大型32英寸屏幕;而在另一端，屏幕小至3.5“对角线（2.83”乘2.07“）。

图2：简单的触摸屏来自Optrex。

GUI

触摸屏显示某种形式的GUI。这可以是通用接口，例如Windows的版本，或者它可以是专门为该应用程序生成的接口。显然，控制器中的内存大小将是选择接口的重要因素。其他因素包括所需显示的复杂性，成本限制以及显示屏的大小。

并不总是彻底探索所显示图像的质量。从库中挑选几个符号或图标并将它们放在屏幕上很少。关于接口设计已有相当多的研究，ISA（国际自动化学会）中似乎有一个小组正致力于ISA101标准。

微控制器

许多微控制器制造商现在都提供对触摸传感的支持，尽管这些通常都是针对手持和便携式设备。在工业领域，Atmel一直是一个重要的参与者，特别是在收购Quantum Research之后，这是一家触摸敏感设备制造商，特别是滑块，轮子和按钮。除了广泛的AT42QT专用触摸屏控制器外，该公司还开发了用于微控制器的QTouch触摸屏控制软件库，并添加了“触摸通道”，用于触摸屏与许多处理器系列的接口，包括AVR UC3和AT Mega和X Mega系列，也包括LCD控制器。一些型号，例如tinyAVR系列的一些成员，也包括硬件QTouch采集。这些微控制器得到了各种开发和评估套件的支持。

图3：Atmel在许多处理器中都有专用的触摸屏接口，还有一些还具有硬件QTouch采集功能作为专用外设接口。

德州仪器（TI）开发了一系列基于ARM Cortex-M3 Stellaris处理器的触摸屏应用“智能显示模块”。这些可用作参考设计，并由原理图，材料清单，用于PCB布局的Gerber文件和示例应用程序提供支持。此外，TI将超越这一范围，并将批量销售模块，使其更容易通过特定应用程序投入生产。有三种型号，均针对具有工业耐温处理器的工业应用。选项包括以太网供电和千兆以太网，每个都有2.8英寸的屏幕和一个更大的3.5英寸屏幕选项。这些产品由Stellaris软件和图形库以及Cortex-M3周围更广泛的生态系统提供支持。

英飞凌推出了一款触摸感应控制器，作为XC82x和XC83x 8位微控制器的外设接口之一。控制器主要设计用于简单的LED按钮，滑块或滚轮面板，通过时分多路复用与LED矩阵控制器共享屏幕界面。

Microchip开发了“金属盖帽”电容式传感技术。该技术将前面板（可以是不锈钢或铝或其他适当的材料）放置在PCB上，两者之间具有小的气隙。顶部表面上的符号是PCB上的传感器。压力导致顶面偏转，改变板和传感器之间的间隙，从而改变电容。根据应用，控制软件可以区分软触摸和硬触摸。金属盖帽与需要简单切换的工业环境特别相关，并且mTouch软件库支持电容式触摸。 PIC微控制器的许多8位，16位和32位成员都支持此功能。它在某些产品中与显示控制，CAN总线接口和USB接口相结合。为了支持这一应用，我们提供了一系列开发和评估套件。

图4：Microchip的“金属覆盖”传感器使用了变形用于改变电容的金属面板。

用于触摸屏控制的绝大多数微控制器产品都用于便携式和手持式设备，许多微控制器供应商已开发出触摸屏控制库，可在其标准产品上运行，通过标准通用IO与控制器通信（ GPIO）频道。虽然这些库可用于工业控制应用，但运行它们的处理器可能无法适应通常与工业环境相关的恶劣条件。特别是在微控制器设计师决定优先考虑低功耗的情况下 - 对于电池寿命始终是主要问题的便携式设备来说并不奇怪。

触摸屏界面将在工业自动化中发挥越来越重要的作用，因为它们具有固有的强大性和应对严苛制造世界的能力。然而，虽然表面上易于部署，但如果它们有效，设计人员将不得不非常注意接口设计以及接口软件与运行安全关键应用程序的软件之间的关系。