为工厂自动化设计 HMI 时应牢记的事项

每台受控电气或机械机器都具有按钮、控制杆或触摸屏形式的人机界面 (HMI)。在高层次上，HMI 具有三个基本元素：输入、输出和处理两者之间转换的东西。

随着我们进入工业 4.0 时代，这个模型变得有点复杂。设计人员正在添加图形用户界面 (GUI)，在 GUI 上从物理按钮转移到虚拟按钮，增加 HMI 可以执行的任务数量，甚至在闭环系统中显示性能反馈。

图 1：嵌入式处理器是现代工业 HMI 的核心。

一般 HMI 处理器要求HMI 可能对嵌入式处理器有许多要求，具体取决于其预期的最终应用。HMI 性能有四个级别：入门级、基本级、中端和高端。

入门级 HMI 具有非常基本的用户界面。输出屏幕通常是四分之一视频图形阵列 (QVGA)，最多 320 x 240，并且具有最少的 2D 图形。这些 HMI 面向仅需要控制接口的基本要素的成本敏感型应用。设计师可能会在这里使用电阻式触摸屏，因为它比电容式触摸屏更经济。

电阻式触摸屏不仅比电容式触摸屏更便宜，而且 BOM 成本也可能更低，因为一些处理器可以原生支持电阻式触摸屏，而电容式触摸有时需要外部组件。此类 HMI 最适合低性能处理器 (<300 MHz) 或支持电阻式触摸屏的微控制器。

与入门级 HMI 相比，基本 HMI 增加了改进的显示分辨率和更好的用户界面。一个基本的 HMI 将具有一个触摸屏——通常是电阻式触摸屏——以及高达扩展图形阵列 (XGA) (1,024 x 768) 的显示分辨率，以改善用户体验。根据所需的应用程序处理能力，此类处理器将处于中低端性能范围（300 MHz 至 800 MHz），并可能受益于 2D 图形加速器。

图 2：为 HMI 选择合适的处理器需要仔细的设计考虑。

中端 HMI 更接近地反映了用户可能每天与之交互的典型 GUI。中端 HMI 具有 2D 图形，显示分辨率高达 XGA (1,024 x 768)，包含比基本类别更多的控制功能，有时甚至引入触觉或听觉反馈。这些功能极大地改善了用户体验。对于中端 HMI，处理器必须包括图形加速、中端性能（600 MHz 至 1 GHz）和图形库以帮助构建 GUI。

高端 HMI 自然是多媒体丰富的。它们需要具有高清视频支持、2D 和 3D 图形加速器以及高性能处理器（多核和 >1 GHz）的高端 SoC。这可以极大地受益于片上 DSP，以帮助加速音频和视频处理。此外，高端 HMI 通常需要能够处理多个高分辨率屏幕输出和 HTML5 的处理器。一个例子是基于 Arm Cortex-A 内核的 Sitara 处理器系列，它提供了开发从入门级到高端 HMI 的单一平台所需的可扩展性，并支持工业可靠性。

您可以在家用电器、自动售货机、楼宇自动化系统（如消防控制面板或电梯）以及电动汽车充电站中找到 HMI。然而，工业 HMI 最普遍的用途之一是在工厂自动化领域。

工厂自动化系统中的 HMI 在工厂自动化系统中，HMI 将机器操作员连接到控制功能，通常是可编程逻辑控制器 (PLC)，它控制工厂车间的传感器、执行器和机器。HMI 也更常见地包含在机器和机器人本身上，并且在某些情况下，管理 HMI 内的一些控制功能。这些应用对 HMI 中的处理器提出了许多要求，包括对工业通信能力、工业级可靠性和安全特性的需求。

工业通信标准以太网不具备工业自动化所需的确定性功能。这就是为工业通信设计的协议发挥作用的地方。工业以太网协议实现了控制系统中不同类型终端设备之间所需的实时、确定性通信。

目前为工业以太网创建了十几种不同的协议。在 HMI 中处理这些协议需要处理器、FPGA 或 ASIC。在许多情况下，HMI 将有一个主机处理器和一个单独的 ASIC 或 FPGA 来运行单一协议。

作为 FPGA 或 ASIC 的替代方案，存在可作为工业以太网应用处理器和通信引擎的集成解决方案；这些解决方案甚至可以扩展功能以支持多种协议。

HMI 中的多协议支持为工业 4.0 增加了急需的灵活性，因为智能工厂中的控制系统通常由运行不同协议的不同解决方案拼凑而成。借助多协议支持，HMI 可以充当不同协议之间的网关。  

在大多数情况下，工业级质量工厂全年 24/7 运营。并且条件可以从低于冰点到沸腾的温度变化，这取决于工厂生产什么。工厂内的 HMI 必须能够承受这些条件，其中的处理器也必须如此。它提出了工厂自动化 HMI 对工业级处理器的需求。

工业级处理器必须能够承受广泛的温度范围，通常为 –40°C 至 105°C。此外，由于工厂设备运行时间较长，因此需要进行广泛的设备寿命测试。用于衡量设备寿命的一个指标是其开机时间 (POH)，即可以正常供电和运行的小时数。具有宽温度范围和 POH 超过 88,000 的处理器基本上可以运行 10 年以上。大多数工业 HMI 需要满足至少 100,000 POH。

安全性 虽然 HMI 和控制网络的其余部分通常配置在与主互联网隔离的内部以太网网络上，但仍然存在恶意方窃听或更改 HMI 与系统其他部分之间的通信的可能性。为了帮助阻止不必要的干扰，嵌入式处理器通常集成加密加速器来加密数据。安全启动是另一种流行的安全选项，可帮助保护 HMI 制造商的知识产权。

其他 HMI 方面因为 HMI 主要是一个用户界面，所以它需要使用高级操作系统 (OS)。HMI 的流行操作系统包括 Windows CE、Android 和 Linux。Windows CE 多年来一直在 HMI 中流行，尤其是在工厂自动化领域，但 Android 和 Linux 之所以受到关注，有几个原因。

首先，Android 和 Linux 是开源操作系统，这意味着它们可以自由实施。此外，由于它们是开源的，因此有一个大型社区支持软件并为每个操作系统提供示例代码。

Android 在大量用户将与 HMI 交互的系统中很受欢迎，例如在自动售货机或电器中。Android 已经在手持设备市场流行，因此对于 HMI 新手来说，学习曲线被最小化，因为他们可能已经熟悉操作系统。

在工厂自动化中，Linux 已成为可能的选择，因为它被广泛认为是稳定、可靠和安全的。许多工业 HMI 不需要 Android 附带的所有功能。另一方面，Linux 还支持 Qt 和开放图形库 (OpenGL) 等框架，这有助于构建有效的 GUI。

在 HMI 中越来越受欢迎的另一个功能是虚拟化。如前所述，HMI 普遍与 PLC、工业机器人和 CNC 机床等其他终端设备集成。一种集成方法是为 HMI 和其他应用程序配备单独的处理器，但这可能很昂贵并且需要额外的电路板空间。

另一种方法是使用单个多核处理器，其中一个内核专用于 HMI，另一个内核专用于应用程序。根据是否需要实时操作，内核可以运行不同的操作系统，例如 RTOS 和 Linux。

总结HMI 涵盖了各种性能级别的广泛终端应用程序，但具有一些共同的功能，包括 GUI、与控制系统的连接以及基于触摸的控制。处理器至少必须能够支持这些入门级 HMI 要求。基本、中端和高端 HMI 可以进一步利用这些功能，包括高清图形、网页浏览、视频和多屏支持。

审核编辑 黄昊宇