Embedded, Display, Touch: la soluzione adatta per ogni applicazione

I progressi tecnologici e le innovazioni introdotte nel settore dell’elettronica hanno permesso la realizzazione di dispositivi sempre più ricchi di nuove funzionalità, con enormi miglioramenti in termini di efficienza, dimensioni, assorbimenti di potenza e costi.

La connettività offerta da diversi standard e protocolli di comunicazione come WiFi, Bluetooth, ZigBee, LoRA e bus per applicazioni di campo, industriali e automotive, ha aperto la strada verso soluzioni in grado di supportare l’Internet of Things (IoT), rendendo i dispositivi elettronici e i servizi ad essi associati sempre più intelligenti. Ulteriori benefici sono resi possibili dall’introduzione delle tecniche tipiche dell’intelligenza artificiale (IA), come machine learning e deep learning, le quali hanno consentito alle “macchine” di disporre di una propria capacità decisionale. L’intelligenza trasferita sui sistemi embedded (edge computing) rappresenta la soluzione più efficiente per supportare gli scenari tipici dell’intelligenza distribuita, come smart city, smart building e smart factory.

Tutte queste soluzioni presentano delle caratteristiche comuni: sono basate su sistemi embedded, devono offrire un’elevata efficienza energetica (molti dispositivi elettronici sono oggi alimentati a batteria) e sono spesso equipaggiati con un’interfaccia HMI (Human-Machine Interface) basata su display per consentire l’interazione, la configurazione e il controllo del dispositivo da parte dell’utente.

Nel corso dell’articolo verranno presentati i principali fattore chiave, le caratteristiche e le variabili che guidano il progettista verso la scelta del sistema embedded, del display e dell’interfaccia touch più adatti alle proprie esigenze.

Sistemi embedded custom

In questo contesto, una soluzione tra le più diffuse è rappresentata dai single board computer (SBC), ovvero piattaforme hardware di tipo COTS (commercial off-the-shelf) le quali integrano su una singola scheda un’ampia gamma di funzionalità e interfacce hardware. Per loro natura, i single board computer devono presentare delle specifiche tecniche sufficientemente ampie da soddisfare i requisiti richiesti dalle principali applicazioni in ambito industriale, commerciale e medicale. Gli SBC possono quindi essere considerati come dei sistemi hardware “general purpose”, in grado di adattarsi senza richiedere alcuna modifica hardware a differenti contesti applicativi. Da un punto di vista hardware, una scheda SBC include alcune risorse comuni, tra cui:

  • CPU (microprocessore, microcontrollore o System On Chip): si tratta dell’unità di elaborazione della scheda, normalmente appartenente a una famiglia di componenti elettronici prodotta su larga scala e con ampia diffusione sul mercato (architettura x86 Intel/AMD, Intel Atom, SoC single core o multicore basati su architettura ARM);
  • unità di memoria: le schede SBC sono normalmente equipaggiate con memorie RAM di tipo DDR3/DDR4, la cui capacità deve essere sufficiente a supportare sia i requisiti dell’applicazione che quelli dell’eventuale sistema operativo (molto comuni, sui sistemi embedded, sono le distribuzioni basate sul kernel Linux). Sulla scheda deve inoltre essere presente una memoria flash per ospitare il boot loader, l’immagine del sistema operativo (opzionale), il software applicativo ed altre eventuali informazioni di tipo non volatile;
  • general purpose I/O (GPIO): sono i segnali digitali e analogici configurabili dall’utente in base alla specifica applicazione. La configurazione di questi pin consente di impostarne la direzione (ingresso oppure uscita), il tipo (analogico, digitale, o ad alta impedenza), l’intensità massima di corrente e il tipo di interfaccia elettrica (pull up, pull down oppure open drain);
  • interfacce di comunicazione: appartengono a questa categoria i principali tipi di bus impiegati nel settore embedded, come I2C, SPI e CAN bus, oltre all’interfaccia di rete Ethernet, porte USB 2.0/3.0, interfacce HDMI, PCI Express, SATA, LVDS e altre interfacce dedicate per i display.

I single board computer, oltre a non richiedere alcun costo di sviluppo, presentano un’elevata flessibilità, in quanto la stessa scheda può essere utilizzata in applicazioni differenti senza richiedere alcuna modifica hardware. Inoltre, gli SBC sono molto efficienti dal punto di vista energetico (molti modelli non richiedono ventole di raffreddamento), sono compatti e conformi ai principali standard relativi alla sicurezza elettrica e alla compatibilità elettromagnetica, oltre ad eventuali standard specifici per le applicazioni medicali. In Figura 1 è visibile una scheda SBC sviluppata da Data Modul, azienda leader nella progettazione di display e sistemi embedded. La scheda è basata su un processore i.MX8M Mini con architettura ARM, 4 Gb di memoria RAM DDR4 e ampia disponibilità di interfacce di comunicazione con l’esterno.

Figura 1: una scheda SBC di Data Modul

PC industriali, PC embedded o box PC.

Altre soluzioni molto comuni sono i PC industriali, noti anche come PC embedded o box PC. Questi dispositivi devono essere in grado di operare ininterrottamente garantendo la stessa affidabilità e le stesse prestazioni al variare delle condizioni ambientali. Le applicazioni nei settori industriale, telecomunicazioni e automotive possono inoltre comportare l’insorgenza di vibrazioni, urti, umidità e radiazioni elettromagnetiche, tutte condizioni particolarmente critiche per ogni dispositivo elettronico. Solitamente disponibili nella versione “headless” e in quella provvista di tastiera, mouse e monitor, questi computer sono potenti e flessibili, dotati di numerosi segnali e interfacce di I/O e basati su architetture a core singolo o multicore.

Le elevate prestazioni raggiunte consentono a questi dispositivi di eseguire efficacemente algoritmi di controllo, analisi, aggregazione dei dati e visualizzazione grafica su un display. Rispetto a un computer per impieghi tradizionali, i PC industriali presentano dei vantaggi significativi, tra cui: fattore di forma ridotto, manutenzione ridotta o assente, raffreddamento efficiente.

Display e touch

Se si vuole dotare un’applicazione embedded di un sistema per la visualizzazione delle informazioni, è essenziale selezionare il modello corretto di display. Nella maggior parte dei casi, la selezione del display più adatto a una specifica applicazione richiede di trovare il giusto compromesso tra costo, prestazioni e assorbimento di corrente. Se si ha necessità di visualizzare solo cifre e un numero ridotto di caratteri, la soluzione più conveniente è rappresentata dai display a segmenti.

La tecnologia maggiormente utilizzata per la realizzazione di ogni segmento è basata sui led, ma esistono anche display a segmenti LCD. Lo step successivo è rappresentato dai display alfanumerici, composti da una o più righe, ciascuna in grado di visualizzare caratteri, cifre o anche simboli definiti dall’utente. Ciascun carattere, o cella, è composto da una matrice di pixel con dimensione fissa.

La tecnologia maggiormente utilizzata per questi display è l’LCD riflettente. Anche se più costosi rispetto ai precedenti, i display grafici offrono un’esperienza utente superiore, consentendo la visualizzazione di testo, immagini statiche o dinamiche e persino video. Appartengono a questa classe i display a matrice di led, disponibili sia nella versione a colori che monocromatica.

Prestazioni superiori sono offerte dai display e-ink (anche noti come ePaper), caratterizzati da un assorbimento ridottissimo che li rende particolarmente adatti per applicazioni in cui non è richiesto un aggiornamento frequente del display.

Per le applicazioni alimentate a batteria o esposte a intensa luce ambientale sono particolarmente adatti i display MIP (Memory In Pixel), in cui l’immagine viene mantenuta in una memoria statica SRAM realizzata direttamente nel display. Nel caso si visualizzino immagini statiche, l’assorbimento di corrente è virtualmente nullo.

Simili ai display LCD a matrice, gli OLED (Organic LED) offrono un DPI particolarmente elevato. Parlando di display grafici, non possiamo non citare i display LCD. Caratterizzati da densità di pixel estremamente elevate, i display LCD possono visualizzare un’ampia gamma di colori con tempi di persistenza dell’immagine molto ridotti.

Spesso accompagnati da funzionalità touch, questi display hanno dimensioni comprese tra circa 2” fino a oltre 100”. Come gli OLED, anche i display LCD possono utilizzare una tecnica di controllo a matrice passiva oppure attiva. Gli LCD a matrice attiva sono tipicamente implementati utilizzando la tecnologia TFT (Thin Film Transistor).

Panel PC

Molto utilizzati in ambito industriale sono i Panel PC, sistemi che abbinano in una soluzione compatta e affidabile le prestazioni di un single board computer con un display touch con tecnologia capacitiva. In Figura 2 è visibile un Panel PC di Data Modul, equipaggiato con un display touch PCAP resistente agli urti e alle vibrazioni. Lo spessore estremamente ridotto rende queste soluzioni adatte ai settori industriale, trasporti, navale, chioschi intelligenti e altro ancora. Grazie all’unità touch integrata, comprensiva di sensore SITO e controller USB, è possibile operare sul display con fino a dieci dita, anche indossando guanti e in presenza di acqua o umidità.

Figura 2: un Panel PC di Data Modul

Interfacce HMI Contactless

Le applicazioni medicali rappresentano per i progettisti elettronici una sfida impegnativa, determinata dall’esigenza di soddisfare requisiti stringenti nella piena osservanza dei rigorosi standard applicabili alle apparecchiature per uso clinico.

In particolare, l’ambiente medicale richiede display e soluzioni integrate per la visualizzazione che siano accessibili, affidabili e sicure.

Tutti i dispositivi di ingresso, come i display touchscreen, devono essere mantenuti il più possibile sterili, garantendo allo stesso tempo un funzionamento esente da difetti anche nelle condizioni operative più gravose e quando l’utente indossa dei guanti chirurgici.

Una delle principali sfide in questo settore è quella di offrire interfacce HMI che siano allo stesso tempo igieniche, sterili, affidabili e conformi agli standard applicabili, come la norma internazionale UNI CEI EN ISO 13485:2016.

A questo scopo, negli ultimi anni si stanno diffondendo delle interfacce uomo-macchina che usano tecniche di interazione alternative al touch al fine di evitare il contatto diretto con il display e con il sensore tattile.

Al fine di garantire elevati standard igienici e soddisfare i requisiti stringenti legati alla sicurezza, anche nel settore medicale si stanno sempre più diffondendo delle tecniche di interazione uomo-macchina senza contatto (HMI contactless). Le soluzioni contactless più comuni utilizzano sistemi di acquisizione di tipo ottico, o basati su sensori capacitivi.

Due esempi sono:

  • eye tracking: rilevamento del movimento degli occhi
  • riconoscimento gestuale: rilevamento del movimento delle mani

Puoi approfondire il funzionamento di queste due tecnologie scaricando la guida dedicata

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.