Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMI) werden zunehmend an neuen und unerwartenden Orten eingesetzt, was jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt. Wie können Unternehmen aufwendige Animationen und „intelligente“ Benutzeroberflächen (User Interfaces, UIs) auf den neuesten Embedded-Systemen erstellen und gleichzeitig die Kosten niedrig halten?
Mensch-Maschine-Schnittstellen veranschaulichen, was „Information greifbar machen“ bedeutet. Indem sie Tasten durch Displays und grafische Darstellungen ersetzen, haben sie die Art und Weise verändert, wie Menschen mit Technologie interagieren. In den 90er-Jahren liefen HMI auf PCs und CRTs (Röhrenmonitoren), sodass Ingenieure dank Ethernet, GPUs und Windows von einer großen Flexibilität profitierten. Seitdem HMI jedoch nicht mehr nur auf PCs, sondern auf Embedded-Systemen und LCDs laufen, sind sie allgegenwärtig geworden. Viele Analysten bezeichnen das Smartphone als den „Kanarienvogel in der Kohlenmine“, der gezeigt hat, dass stromsparende Arm-Architekturen grafische Schnittstellen ausführen können. Außerdem haben Software- und Sensorinnovationen energiesparende Konzepte für batteriebetriebene Systeme ermöglicht. Diese neue Realität bringt jedoch auch besondere Herausforderungen mit sich.
Was sind HMI und warum sind sie so wichtig?
Einfach ausgedrückt ist ein HMI eine Benutzeroberfläche, die die Steuerungs- und Überwachungsfunktionen eines Systems darstellt. Sie ist oft interaktiv dank eines Touchscreens oder Tasten und sehr verbreitet, da sie die Produktivität steigert, indem sie komplexe Systeme einfacher bedienbar und Daten leichter zugänglich macht. Da HMI heute auch auf Mikrocontrollern laufen, können sie überall eingesetzt werden. Folglich müssen die Ingenieure portierbare Schnittstellen entwickeln, die für unterschiedliche Bildschirmgrößen und Hardwarespezifikationen geeignet sind. Das bedeutet, dass man mit sehr unterschiedlichen Rahmenbedingungen zurechtkommen und gleichzeitig die Kosten niedrig halten muss. Außerdem werden HMI immer komplexer, da die Entwickler Funktionen wie Over-the-Air-Updates und Maschinelles Lernen hinzufügen, die eine Benutzeroberfläche erfordern. Einfach ausgedrückt: HMI müssen mehr Aufgaben erfüllen und auf mehr Plattformen laufen, ohne dass die Kosten steigen.
Eine Lösung an der Verbindung von Hardware und Software
Um diese Herausforderung zu lösen, hat ST Bausteine wie den STM32MP13, den STM32MP2 und den STM32U599 auf den Markt gebracht, um nur drei zu nennen. Die ersten beiden Mikroprozessoren haben einen Cortex-A7 beziehungsweise Cortex-A35, was bedeutet, dass auf ihnen Embedded Linux und alle dazugehörigen grafischen Frameworks ausgeführt werden können. Sie gehören außerdem zu den preiswertesten Bauteilen ihrer Art, wobei der STM32MP13 weniger als vier Dollar kostet. Beide unterstützen zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, wie zum Beispiel Gigabit Ethernet. Der STM32MP2 bietet sogar Kompatibilität für TSN (Time-Sensitive Networking), was bedeutet, dass Ingenieure HMI in Systeme mit strengen Anforderungen einbauen können, ohne ihre Stückliste zu sprengen. In ähnlicher Weise öffnet die STM32U599 MCU dank ihrer NeoChrom GPU die Türen zu HMI, die bisher auf Mikrocontrollern in dieser Preisklasse nicht möglich waren. Diese ST-Technologie bietet eine neue Hardware-Beschleunigung, die eine höhere Bildrate und flüssigere Animationen ermöglicht. Die Hersteller von Benutzeroberflächen demonstrieren nun ihre Produkte basierend auf unseren Bausteinen, die zeigen, wie HMI mit immer mehr Funktionen auf einer breiten Palette von MPUs und MCUs ausgeführt und dabei die Kosten niedrig gehalten werden können.
HMI sind auch dank neuer Sensoren effizienter und komfortabler geworden. Der neue Thermo-Metalloxid-Halbleiter (TMOS) STHS34PF80 von ST beispielsweise verwendet einen Infrarotsensor mit einer Wellenlänge zwischen 5 µm und 20 µm. Er ermöglicht die Präsenzerkennung mit einem Bruchteil des Stromverbrauchs und der Kosten, die für einen herkömmlichen Sensor mit einem komplexeren VCSEL erforderlich wären. Dies erhöht die Gesamteffizienz erheblich und erlaubt den Einsatz von HMI auf immer mehr Systemen. ST arbeitet zwar mit zahlreichen Herstellern von Grafik-Frameworks zusammen, bietet aber auch TouchGFX an, ein kostenloses Framework, das alle in STM32-Bauteilen integrierten Hardware-Funktionen nutzt. Das ermöglicht die Nutzung von Hardware-IPs einfach per Knopfdruck im TouchGFX Designer, was die Arbeitsabläufe erheblich optimiert.
Was kommt als nächstes?
Die zunehmende Anwendung von Maschinellem Lernen in Edge-Umgebungen führt dazu, dass Anwender intelligentere HMI mit modularen Schnittstellen und kontextbezogenen Applikationen erwarten. Aus diesem Grund verfügt der STM32MP2 über einen Neural Network Accelerator. ST ist sich der Tatsache bewusst, dass Entwicklungsteams frühzeitig auf Trends reagieren müssen, wenn sie der Zeit voraus sein wollen. Da immer mehr Anwender eine HMI bei Produkten erwarten, die bisher keine hatten, müssen Ingenieure Wege finden, sie in eine Vielfalt von Systemen zu integrieren. Deshalb bietet ST regelmäßig Webinare, Blogbeiträge, Dokumentationen und technische Demos an, um zu verstehen, wie man mit den jeweiligen Anforderungen umgeht. Der Schlüssel zu den HMI-Innovationen von morgen liegt nicht nur in einem Produktportfolio, sondern auch in einer anderen Denkweise darüber, wie wir als Branche HMI entwickeln und wie sie unsere Beziehung zur Technologie im nächsten Jahrzehnt verbessern werden.