用于电子设备的定制设计HMI前端

交互式电子设备需要一个人机界面（HMI），允许用户与底层电子设备进行通信。使用带有触摸屏/显示器的嵌入式计算机可以满足这一要求，该计算机连接到能够实现用户交互的大型设备。但是，如何将这样的HMI前端用于专门的工业，医疗和军事应用？

在当今的嵌入式设备中，HMI基本上由四个项目组成，包括显示器、触摸屏、处理器和操作系统。

显示

显示器向用户提供机器状态和应用数据的可视化通信，并请求用户输入。平板显示器（包括 LCD 和 OLED）是实现显示器的硬件机制。显示器的关键技术属性不仅包括尺寸和分辨率，还包括亮度、视角、可读性的特殊用例（如阳光直射的明亮环境）以及可能包括极端高温或低温的操作温度范围。

触摸屏

在复杂机械上使用触摸屏进行信息输入的情况正在增加。目前使用的两种主要触摸屏技术是电容式和电阻式。投射电容技术在大多数智能手机中使用，但在潮湿或嘈杂的电磁环境中，或者使用厚手套可能不是最佳选择。电阻技术在这些环境中已经使用了很多年，但更容易划伤，并且光学清晰度低于电容。关键参数包括所需的触摸分辨率、手写笔或其他触摸仪器的使用、同时触摸点的数量、手势、环境条件和抗冲击性。

处理器

处理器通常控制HMI子系统，渲染图像并将其驱动到显示器，接受和解释触摸输入，以及处理系统的指令。对于处理需求有限的低分辨率和/或静态图像，可以使用微控制器，可能运行实时操作系统（RTOS）。对于高分辨率显示器、运动视频或复杂系统，可能需要能够运行复杂操作系统的微处理器。具有硬件加速视频和图形引擎的处理器可提供最佳的功耗/性能权衡。处理器可以响应HMI子系统中的用户输入，或通过RS-232，UART，Wi-Fi，PAN，以太网或USB等接口在HMI之外进行通信指令和/或数据。

操作系统

操作系统是在处理器上运行的软件，它通过提供与外围设备（如触摸屏、显示器和其他界面）进行通信的方式来简化应用程序开发。当针对特定电路板进行优化时，操作系统称为电路板支持包（BSP）。HMI 设备通常实现安卓、Linux 或视窗操作系统。安卓大大简化了用户在HMI设备中进行交互的软件设计。

面向嵌入式应用的 HMI：高度复杂的子系统

出于技术和业务原因，将这四个元素组合成功能性HMI子系统涉及大量复杂性。

电路板设计

现代微处理器的电路板设计非常复杂。由于有数百个处理器封装连接以及存储器、电源组件和各种外设的相关电路板迹线，因此存在原理图错误和路由信号完整性问题的大量机会。这些问题的发生可能导致较长的调试周期、代价高昂的重制和相关的计划滑点。这种设计通常最好外包给知识渊博的公司，该公司了解嵌入式微处理器的操作并定期交付这些设计。

显示器/触摸屏

触摸屏以光学、机械方式（有时是电气方式）与底层显示器进行交互。因此，将显示器及其触摸屏视为子系统非常重要，两者都针对HMI应用进行了优化。显示器/触摸屏一起安装在一个满足加固要求和美学的封装中。适当的显示器和触摸屏组件的可用性通常是一个因素。经验丰富的HMI设计人员可以帮助促进各种性能，成本和可用性权衡。

业务计划定制

BSP通常需要根据运行它的嵌入式处理器平台进行定制。特殊外设的驱动程序可能需要开发。删除未实现的功能可能会防止崩溃。对于嵌入式 HMI 系统，可能需要自定义初始屏幕并直接引导到固定应用程序（通常称为展台模式）。可能需要增强安全性。定制BSP的开发人员不仅要了解操作系统本身，还要了解底层硬件的复杂性以及应用程序开发人员期望如何与BSP进行交互。

环境的

HMI前端可供人类使用，通常暴露在恶劣的环境条件下。触摸屏/显示器通常由玻璃制成，容易受到冲击，从而可能使设备破裂或破碎。划痕会影响可见度。水分会渗入前挡板周围并渗入内部电路。来自强光或太阳的眩光可能会使显示器无法读取。对于在户外使用的设备，温度范围宽会导致操作问题，通常在角落情况下。幸运的是，考虑到电子、机械、热和光学设计的正确系统设计可以确保产品的坚固性。

监管认证

所有电子产品，无论行业、应用或用例如何，都必须最低限度地通过监管认证。在美国，至少需要 FCC 第 15 部分对 EMI/EMC 进行测试。其他国家也有类似的要求，例如欧洲的CE认证和加拿大的IC认证。虽然HMI前端通常使用其连接的机器进行认证，但其设计人员必须熟悉电磁兼容设计，以使认证过程顺利进行。拥有一个有经验的业务合作伙伴，他们具有设计HMI接口设备并通过认证过程的历史，这对于产品成功发布至关重要。

产品生命周期

工业、医疗和军用设备的产品寿命远远超过消费类产品，包括销售和支持，通常要超过十年或更长时间。可用性是所选组件和随后监控过时的函数。最关键的是，处理器、显示器（带触摸屏）和其他重要组件的选择必须考虑到使用寿命。面向消费者的处理器、显示器和复杂的外围设备（如无线模块）的可用时间通常不超过 2-3 年。在设计阶段了解供应链至关重要。

定制人机界面设计

鉴于设计参数范围如此之广，复杂的机器通常需要定制的HMI，通常以满足显示器、触摸屏和外围设备的要求。底层处理器电路通常可以通过对特定显示器、触摸屏和外设进行微小的修改来利用。在寻找定制 HMI 时，请寻找从已知的、经过验证的设计开始的解决方案，以减少开发时间、成本和风险。

审核编辑：郭婷