每臺受控電氣或機(jī)械機(jī)器都具有按鈕、控制桿或觸摸屏形式的人機(jī)界面 (HMI)。在高層次上，HMI 具有三個基本元素：輸入、輸出和處理兩者之間轉(zhuǎn)換的東西。

隨著我們進(jìn)入工業(yè) 4.0 時代，這個模型變得有點復(fù)雜。設(shè)計人員正在添加圖形用戶界面 (GUI)，在 GUI 上從物理按鈕轉(zhuǎn)移到虛擬按鈕，增加 HMI 可以執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量，甚至在閉環(huán)系統(tǒng)中顯示性能反饋。

圖 1：嵌入式處理器是現(xiàn)代工業(yè) HMI 的核心。

一般 HMI 處理器要求HMI 可能對嵌入式處理器有許多要求，具體取決于其預(yù)期的最終應(yīng)用。HMI 性能有四個級別：入門級、基本級、中端和高端。

入門級 HMI 具有非常基本的用戶界面。輸出屏幕通常是四分之一視頻圖形陣列 (QVGA)，最多 320 x 240，并且具有最少的 2D 圖形。這些 HMI 面向僅需要控制接口的基本要素的成本敏感型應(yīng)用。設(shè)計師可能會在這里使用電阻式觸摸屏，因為它比電容式觸摸屏更經(jīng)濟(jì)。

電阻式觸摸屏不僅比電容式觸摸屏更便宜，而且 BOM 成本也可能更低，因為一些處理器可以原生支持電阻式觸摸屏，而電容式觸摸有時需要外部組件。此類 HMI 最適合低性能處理器 (<300 MHz) 或支持電阻式觸摸屏的微控制器。

與入門級 HMI 相比，基本 HMI 增加了改進(jìn)的顯示分辨率和更好的用戶界面。一個基本的 HMI 將具有一個觸摸屏——通常是電阻式觸摸屏——以及高達(dá)擴(kuò)展圖形陣列 (XGA) (1,024 x 768) 的顯示分辨率，以改善用戶體驗。根據(jù)所需的應(yīng)用程序處理能力，此類處理器將處于中低端性能范圍（300 MHz 至 800 MHz），并可能受益于 2D 圖形加速器。

圖 2：為 HMI 選擇合適的處理器需要仔細(xì)的設(shè)計考慮。

中端 HMI 更接近地反映了用戶可能每天與之交互的典型 GUI。中端 HMI 具有 2D 圖形，顯示分辨率高達(dá) XGA (1,024 x 768)，包含比基本類別更多的控制功能，有時甚至引入觸覺或聽覺反饋。這些功能極大地改善了用戶體驗。對于中端 HMI，處理器必須包括圖形加速、中端性能（600 MHz 至 1 GHz）和圖形庫以幫助構(gòu)建 GUI。

高端 HMI 自然是多媒體豐富的。它們需要具有高清視頻支持、2D 和 3D 圖形加速器以及高性能處理器（多核和 >1 GHz）的高端 SoC。這可以極大地受益于片上 DSP，以幫助加速音頻和視頻處理。此外，高端 HMI 通常需要能夠處理多個高分辨率屏幕輸出和 HTML5 的處理器。一個例子是基于 Arm Cortex-A 內(nèi)核的 Sitara 處理器系列，它提供了開發(fā)從入門級到高端 HMI 的單一平臺所需的可擴(kuò)展性，并支持工業(yè)可靠性。

您可以在家用電器、自動售貨機(jī)、樓宇自動化系統(tǒng)（如消防控制面板或電梯）以及電動汽車充電站中找到 HMI。然而，工業(yè) HMI 最普遍的用途之一是在工廠自動化領(lǐng)域。

工廠自動化系統(tǒng)中的 HMI 在工廠自動化系統(tǒng)中，HMI 將機(jī)器操作員連接到控制功能，通常是可編程邏輯控制器 (PLC)，它控制工廠車間的傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器。HMI 也更常見地包含在機(jī)器和機(jī)器人本身上，并且在某些情況下，管理 HMI 內(nèi)的一些控制功能。這些應(yīng)用對 HMI 中的處理器提出了許多要求，包括對工業(yè)通信能力、工業(yè)級可靠性和安全特性的需求。

工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不具備工業(yè)自動化所需的確定性功能。這就是為工業(yè)通信設(shè)計的協(xié)議發(fā)揮作用的地方。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中不同類型終端設(shè)備之間所需的實時、確定性通信。

目前為工業(yè)以太網(wǎng)創(chuàng)建了十幾種不同的協(xié)議。在 HMI 中處理這些協(xié)議需要處理器、FPGA 或 ASIC。在許多情況下，HMI 將有一個主機(jī)處理器和一個單獨的 ASIC 或 FPGA 來運行單一協(xié)議。

作為 FPGA 或 ASIC 的替代方案，存在可作為工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用處理器和通信引擎的集成解決方案；這些解決方案甚至可以擴(kuò)展功能以支持多種協(xié)議。

HMI 中的多協(xié)議支持為工業(yè) 4.0 增加了急需的靈活性，因為智能工廠中的控制系統(tǒng)通常由運行不同協(xié)議的不同解決方案拼湊而成。借助多協(xié)議支持，HMI 可以充當(dāng)不同協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)。 ?

在大多數(shù)情況下，工業(yè)級質(zhì)量工廠全年 24/7 運營。并且條件可以從低于冰點到沸騰的溫度變化，這取決于工廠生產(chǎn)什么。工廠內(nèi)的 HMI 必須能夠承受這些條件，其中的處理器也必須如此。它提出了工廠自動化 HMI 對工業(yè)級處理器的需求。

工業(yè)級處理器必須能夠承受廣泛的溫度范圍，通常為 –40°C 至 105°C。此外，由于工廠設(shè)備運行時間較長，因此需要進(jìn)行廣泛的設(shè)備壽命測試。用于衡量設(shè)備壽命的一個指標(biāo)是其開機(jī)時間 (POH)，即可以正常供電和運行的小時數(shù)。具有寬溫度范圍和 POH 超過 88,000 的處理器基本上可以運行 10 年以上。大多數(shù)工業(yè) HMI 需要滿足至少 100,000 POH。

安全性 雖然 HMI 和控制網(wǎng)絡(luò)的其余部分通常配置在與主互聯(lián)網(wǎng)隔離的內(nèi)部以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，但仍然存在惡意方竊聽或更改 HMI 與系統(tǒng)其他部分之間的通信的可能性。為了幫助阻止不必要的干擾，嵌入式處理器通常集成加密加速器來加密數(shù)據(jù)。安全啟動是另一種流行的安全選項，可幫助保護(hù) HMI 制造商的知識產(chǎn)權(quán)。

其他 HMI 方面因為 HMI 主要是一個用戶界面，所以它需要使用高級操作系統(tǒng) (OS)。HMI 的流行操作系統(tǒng)包括 Windows CE、Android 和 Linux。Windows CE 多年來一直在 HMI 中流行，尤其是在工廠自動化領(lǐng)域，但 Android 和 Linux 之所以受到關(guān)注，有幾個原因。

首先，Android 和 Linux 是開源操作系統(tǒng)，這意味著它們可以自由實施。此外，由于它們是開源的，因此有一個大型社區(qū)支持軟件并為每個操作系統(tǒng)提供示例代碼。

Android 在大量用戶將與 HMI 交互的系統(tǒng)中很受歡迎，例如在自動售貨機(jī)或電器中。Android 已經(jīng)在手持設(shè)備市場流行，因此對于 HMI 新手來說，學(xué)習(xí)曲線被最小化，因為他們可能已經(jīng)熟悉操作系統(tǒng)。

在工廠自動化中，Linux 已成為可能的選擇，因為它被廣泛認(rèn)為是穩(wěn)定、可靠和安全的。許多工業(yè) HMI 不需要 Android 附帶的所有功能。另一方面，Linux 還支持 Qt 和開放圖形庫 (OpenGL) 等框架，這有助于構(gòu)建有效的 GUI。

在 HMI 中越來越受歡迎的另一個功能是虛擬化。如前所述，HMI 普遍與 PLC、工業(yè)機(jī)器人和 CNC 機(jī)床等其他終端設(shè)備集成。一種集成方法是為 HMI 和其他應(yīng)用程序配備單獨的處理器，但這可能很昂貴并且需要額外的電路板空間。

另一種方法是使用單個多核處理器，其中一個內(nèi)核專用于 HMI，另一個內(nèi)核專用于應(yīng)用程序。根據(jù)是否需要實時操作，內(nèi)核可以運行不同的操作系統(tǒng)，例如 RTOS 和 Linux。

總結(jié)HMI 涵蓋了各種性能級別的廣泛終端應(yīng)用程序，但具有一些共同的功能，包括 GUI、與控制系統(tǒng)的連接以及基于觸摸的控制。處理器至少必須能夠支持這些入門級 HMI 要求?；?、中端和高端 HMI 可以進(jìn)一步利用這些功能，包括高清圖形、網(wǎng)頁瀏覽、視頻和多屏支持。

審核編輯 黃昊宇