Modulares Familienkonzept für Display und Touchscreen

Fachbeitrag PC & Industrie 10/2019

Titelbild

Der Produktmanager kommt hereingestürmt: „Unsere Konstruktion hat die neue Maschine rechtzeitig vor der Messe fertig gestellt. Jetzt brauchen wir nur noch ein passendes HMI, das kann doch nicht so schwer sein!“

Das stimmt, jedenfalls im Prinzip. Es braucht doch nur ein Display, einen Touchsensor, eine Glasscheibe, und fertig ist das Bedienteil. In dieser Einfachheit liegt aber auch die Herausforderung: Welches Display von welchem Hersteller ist am besten geeignet? Wie wird der Sensor verklebt, damit er passgenau sitzt und keine Blasen wirft? Warum soll das eine Stück Glas für die Front so viel Einmalkosten erfordern? Und woher kommt die Ansteuerung des LED-Backlights?

Von der Stange, aber trotzdem modular

Bild 1: Modulares Baukastensystem
Bild 1: Modulares Baukastensystem

In dem oben skizzierten Fall hilft ein Baukastensystem für Glas, Display und Touchsensor aus der Schublade. Kunden aus der Industrie sind Spezialisten für die Lösung ihrer Kernaufgaben. Der Bau von Druckmaschinen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder Laborgeräten zur genauen Analyse ist für sie kein Problem. Die Elektronik für ein HMI zu entwickeln ist jedoch ungewohnt und aufwändig denn Technologien, Tools und Schnittstellen ändern sich von einem Produktzyklus zum nächsten. Bleibt man hier nicht auf dem aktuellen Stand der Technik, muss man die Entwicklung immer wieder neu beginnen. Mit einem fertigen, aber dennoch konfigurierbaren System lassen sich die meisten Anforderungen an ein modernes HMI lösen. Die Kosten bleiben übersichtlich, es fallen keine Einmal-Investitionen in Werkzeuge und Masken an.

Bild 1 zeigt die Komponenten, aus denen ein solches System zusammengesetzt ist. Nicht gezeigt ist der Montagerahmen, der einerseits die Komponenten zusammen hält und mit dem andererseits das System in das Gehäuse der Maschine eingebaut wird.

Anforderungen

Welche Anforderungen muss das System erfüllen, um sich in der Praxis zu bewähren? Für den Einsatzbereich in der Industrie müssen die Werte des Datenblatts genau passen: der Temperaturbereich soll wenigstens von -20 bis +70 °C reichen, das Backlight eine lange Lebensdauer haben, und das gesamte System muss viele Jahre lang verfügbar sein. Die Darstellungsqualität des Displays muss einwandfrei sein, und der Touchscreen, der heute immer in PCAP-Technologie ausgeführt ist, ohne Kompromisse unter allen Umgebungsbedingungen funktionieren. Für unterschiedliche Anwendungen sollen verschiedene Displaydiagonalen zur Verfügung stehen, die Schnittstellen sollen gängigen Standards entsprechen. Die Mechanik soll so gestaltet sein, dass sich das gesamte System einfach in das Maschinengehäuse oder deren Bedienteil integrieren lässt. Letztlich muss auch noch der Preis passen!

Displays

Von anderen auf dem Markt befindlichen Konzepten unterscheidet sich das hier gezeigte dadurch, dass es zwei Klassen gibt, die auf die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst sind. Schnell zeigt sich, dass alle Bedingungen von einer Linie nicht zu verwirklichen sind. Manche Anwendungen brauchen kein High-End-Display oder sind durch Kosten getrieben, andere fordern eine brillante Darstellung. Mit zwei ansonsten identischen Produktlinien lassen sich auch diese Anforderungen erfüllen.

Bild 2 vergleicht die beiden Modellreihen qualitativ. Von Industrietauglichkeit kann man ab Stufe 2 sprechen. Während es bei Displayparametern wie Auflösung und Blickwinkel durchaus Unterschiede gibt, sind Touchscreen, Deckglas und das Interface von gleicher hoher Qualität ausgelegt. Zum Vergleich kann ein Consumer-Modell bei vielen Parametern wie Blickwinkel und Temperaturbereich nur Stufe 1 erreichen, ebenso ist die Verfügbarkeit limitiert.

 

 

Bild 2: Modellreihen im Vergleich
(Bild anklicken für volle Größe)

 

 

 

Die Mid-Range-Reihe

bietet bei einem guten Preis gute technische Daten. Die Displays sind in TN-Technologie, aber erweitertem Blickwinkel, einer Vorzugsblickrichtung und Standard-Auflösung ausgeführt.

Die High-End-Reihe

bietet höchste Leistung. Die Displays in IPS-Technologie weisen höhere Helligkeit, größere Auflösung und eine längere Lebensdauer des Backlights auf. Der Blickwinkel liegt jenseits der 80° rundum, so dass das Display ohne Abstriche bei der Optik auch hochkant im Portrait-Format eingebaut werden kann.

Beiden gemeinsam ist der industrietaugliche Temperaturbereich von mindestens -20 bis +70 °C und die lange Verfügbarkeit von sieben Jahren, die dem Kunden Liefersicherheit vom Start des Designs über die gesamte Produktlebensdauer gibt.

Die Familie

startet mit gängigen Display-Diagonalen von 4,3“, 7“ und 10,1“, ein Zuwachs ist bereits in Planung. Die EMV-optimierten Schnittstellen sind für alle Module identisch, nämlich LVDS für das Display und USB und I²C für den Touchscreen. Damit finden sie Anschluss an alle X86- oder ARM-basierten Computerboards. Mit der einheitlichen Schnittstelle zum System erhält der Kunde größtmögliche Flexibilität und Form-Fit- Function-Austauschbarkeit. Alle verfügbaren Modelle sind in der Bild 3 zusammengefasst.

Bild 3: Technische Daten aller Modelle
Bild 3: Technische Daten aller Modelle

Touchscreen

Der Touchscreen in PCAP-Technologie ist mit dem modernsten 10-Finger-Controller ausgestattet, der auch bei Benetzung mit Wasser, Salzwasser und selbst leitfähigen Flüssigkeiten funktioniert. Die Bedienung kann auch mit Handschuhen oder einem Stift erfolgen. Der Controller sorgt für hervorragende Immunität gegenüber elektromagnetischen Beeinflussungen, sei es leitungsgebunden (15 Vrms) oder eingestrahlt (50 V/m). Er eignet sich somit für alle industriellen und medizintechnischen Anwendungen. Das Fine-Tuning wird entsprechend den Anforderungen durchgeführt, eine Kalibrierung während des Betriebs ist nicht nötig.

Mechanik

Das Deckglas mit maßgenau geschliffenen Kanten wird mit einem einfachen schwarzen Rahmen im Siebdruckverfahren bedruckt, daher fallen keine Werkzeugkosten für Deckglas und Druck an. Für die leichte Montage in ein Gehäuse ist das System in einen Metallrahmen montiert. Damit wird auch eine gute elektromagnetische Verträglichkeit erzielt.

Bild 4: Glossar
Bild 4: Glossar

Baukastensystem

Basis für die Entwicklung des Familienkonzepts waren die Ansprüche der Kunden: Kurzfristige Verfügbarkeit – einfache Integration – technisch führende Bauteile. Wer kein komplettes System wie beschrieben einsetzen möchte, kann die Komponenten des Familienkonzepts auch einzeln beziehen. Für eine spezielle Bedruckung mit Firmenlogo oder ausgesparten Flächen für Helligkeitssensoren oder Leuchtindikatoren kann die Druckmaske angepasst werden. Wenn die Touch-Funktion nicht benötigt wird, kann das Deckglas auch direkt mit dem Display verklebt werden.

Fazit

Mit einem standardisierten System, das immer noch genügend Freiheitsgrade hat, um sich den Anforderungen anzupassen, kann der industrielle Anwender sich seinen Kernaufgaben widmen und das HMI den Profis überlassen. Das Wort „Familie“ erklärt die Skalierbarkeit: durch die gleiche elektrische Schnittstelle können Mitglieder in verschiedenen Diagonalen, aber auch Displays in verschiedenen Leistungsklassen (z. B. TN oder IPS) einfach ausgetauscht werden. Was nicht benötigt wird, z. B. Touchscreen oder Deckglas, kann einfach weggelassen werden. Für das Rapid Prototyping, sei es zur internen Präsentation für das Management und Produktmarketing oder für den Kunden als „Proof-of-Concept“, prädestiniert sich das Familienkonzept durch die einfache Integration in das Gerät und das Wegfallen von Einmalkosten. Darüber hinaus erhält der Kunde ein attraktives und industrietaugliches Design und Sicherheit durch lange Verfügbarkeit.

 

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