Entwicklung anwendungsspezifischer HMIs –Herausforderungen, Schritte, Potentiale

Anwendungsspezifische Human Machine Interfaces (HMI) finden immer weitere Ver-breitung. Die komplexen Geräte optimieren die Bedienung von Maschinen und unterstrei-chen die Positionierung von Unternehmen als anwenderfreundlich – oder eben nicht. Dieses Whitepaper zeigt, welche Leistungen für die Entwicklung eines eigenen HMIs erforderlich sind und worauf dabei zu achten ist. Alle notwendigen Schritte von der softwareseiti-gen Displayintegration bis zur Abstimmung des Touchsensors werden im Dokument vor-gestellt. Unternehmen erfahren, welche Be-reiche ein firmeneigener Entwickler abdecken kann und ab wann sich die Unterstützung durch einen externen HMI-Experten empfiehlt.

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Einleitung

Mit Funktionsreichtum, verbesserter Maschinenbedienung und smartem Design definieren

anwendungsspezifische Human Machine Interfaces Applikationen oder werten sie auf. Ihre

Entwicklung erfordert allerdings einigen Aufwand. Dennoch lohnt sich der genaue Blick auf

diesen Prozess und seine mögliche Arbeitsteiligkeit: Denn Unternehmen können bestimmte

Aufgaben mit eigenen Kapazitäten übernehmen. Dieses Whitepaper stellt alle wesentlichen

Punkte der HMI-Entwicklung vor.

Human Machine InterfacesDank der Mensch-Maschine-Schnittstelle HMI können Nutzer mit technischen Geräten und An-

lagen kommunizieren und Prozesse steuern. Die Einsatzbereiche der komplexen Einheiten sind

vielfältig. Sie reichen vom Parkautomaten bis zur Industrieanlage. Und ihre Verbreitung nimmt

zu. Denn Taktilität liegt im Trend, wie die Beliebtheit von Smartphones mit Touchdisplay zeigt.

Da HMIs in großem Maße zur Usability eines Produkts und damit zu dessen Absatzpotential

beitragen, kommt ihrer Funktion und Gestaltung besondere Bedeutung zu. Dies gilt für Neu-

entwicklungen genauso wie für HMI-Lösungen, die im Rahmen von Produktoptimierungen

überarbeitet werden. Zudem ist das optisch markante Bedienelement ein wesentlicher Teil der

Visualisierung des Unternehmens.

Aufbau von HMIsEin HMI besteht aus einer Vielzahl von Komponenten: Das Träger-Board

trägt das Embedded System. Hinter ihm befindet sich die COM-Einheit mit

einer Kühlung, eingebettet in ein Gehäuse. Vor dem Board liegen Display,

Touchsensor und das Frontglas. Weitere Bestandteile sind Kabel und die Ener-

gieversorgung per Netzteil. Wegen ihrer individuellen Funktionen erfordern

spezifische HMI-Lösungen oftmals auch individuelle Gehäusedesigns.

• Maschinenbedienung in der Produktion

• Steuerung von Verkaufsautomaten

• Zugangskontrollen

• Smart Home

• Automotive

• Medizintechnik

• POI

• Kassensysteme

ANWENDUNGSGEBIETE von HMIs

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FRONTGLASzum Schutz des GerätesErforderliches Know-how: Touch Engineering

TOUCHSENSORzum Empfangen von EingabenErforderliches Know-how: Touch Engineering

DISPLAYzur Anzeige von InformationenErforderliches Know-how: Display Engineering

BOARD (EMBEDDED SYSTEM)zur Regelung, Steuerung und Überwachung des SystemsErforderliches Know-how: Embedded Systems Engineering

COM-EINHEIT (EMBEDDED SYSTEM)zur Regelung, Steuerung und Überwachung des SystemsErforderliches Know-how: Embedded Systems Engineering

COM MIT KÜHLUNGzur GeräteentwärmungErforderliches Know-how: Wärmeübergangstechnik

GEHÄUSEzum Schutz und für funktionales und ästhetisches DesignErforderliches Know-how: 3D-Konstruktion

NETZTEILzur EnergieversorgungErforderliches Know-how: Stromversorgungs-Engineering

KABELzur Verbindung von Touchsensor mit BoardErforderliches Know-how: Kabelkonfektion

SCHEMATISCHER AUFBAU eines HMI

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Kernmerkmale von HMlsDas Spektrum bei HMIs ist sehr breit. Basisausführungen für rein funktionale Ansprüche mit

monochromem Display, einfachen Tasten und Prozessor stehen HMIs mit grafischem Farbdis-

play, Touchscreen und vollwertiger CPU gegenüber, die den Anwender mit mehr Usability über-

zeugen sollen.

Ein wesentliches Kriterium bei der Dimensionierung ist die Rechen-

leistung der Einheit: So benötigt ein Gerät für die Datenverarbeitung

einen wesentlich größeren Prozessor als ein HMI für die reine Daten-

darstellung. Die Spannweite reicht hier von ARM Cortex A5 bis Intel

CORE i7. Ein weiteres Merkmal ist der erforderliche Temperaturbe-

reich: Standard-HMIs arbeiten zwischen 0 °C und 50/60 °C, industrielle HMIs

dagegen zwischen –10 °C und 85 °C.

Grundsätzlich bietet der Markt gute leistungsfähige Standard-HMIs für einen

breiten Anwendungsbereich – wie z. B. das „Ready to use 10.1" HMI-Display

für POI-Anwendungen“ von Elektrosil. Für individuelle Anforderungen emp-

fehlen sich heute jedoch spezifische HMI-Lösungen, welche an die Bedürfnisse

und Fähigkeiten der Nutzer angepasst werden.

Komplexe Entwicklungsaufgabe für interdisziplinäre TeamsGrundlegende Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung anwendungsspezifischer HMIs

ist Interdisziplinarität im Team: System Design, Touch (Auswahl und Integration), Display (Aus-

wahl und Integration – elektronisch und mechanisch), Kabelkonfektion, Embedded Systeme,

EMV-Abschirmung (Elektromagnetische Verträglichkeit) und Kühlung (Entwärmung) sind die

Fachgebiete, welche die zahlreichen elektronischen und technischen Herausforderungen lösen.

Die präzise Analyse der gewünschten Produktmerkmale bildet den Ausgangspunkt für einen

iterativen Entwicklungsprozess, der alle beteiligten Disziplinen immer wieder zusammenführt.

Es empfiehlt sich die Eigenschaftsbestimmung für folgende technische Details:

• Display

• Prozessorarchitektur:

ARM oder x86, Rechenleistung

• Schnittstellen: Arten und Umfang

• Temperaturbereich

• Touchtechnologie/-sensor:

PCAP/resistiv/Infrarot

• Spannungsversorgung

• Betriebssystem:

Linux, Windows, Android

• IP-Schutzklasse

• Normen im Anwendungsbereich

Hinweis: Einen nützlichen Überblick über das Definieren von Systemanforderungen im

Bereich Automotive bietet das Whitepaper „Exakte Systemanforderungen – die Basis für

Lean Development“ von Hendrik Niemann.

• System Design

• Touch Engineering

• Display Engineering

• Kabelkonfektion

• Embedded Systems Engineering

• EMV Engineering

• Kühlung (Entwärmung)

INTERDISZIPLINÄRES VERFAHREN: Fachgebiete bei der HMI-Entwicklung

Die exakten Anforderungen werden schließlich in Pflichtenheft und Lastenheft aufgenommen

– die Grundlage für eine zügige Entwicklung.

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Gehäuseentwicklung bzw. -auswahl

Design

IP-Schutz

EMV-Schutz

Kühlung

Auswahl Display

Auflösung

Helligkeit

Blickwinkel

Temperaturbereich

Interface

Lebensdauer

Auswahl Touchsensor

Technologie

Interface

Temperaturbereich

Frontglas:

Stärke, Bearbeitung,

Bedruckung

Auswahl Embedded System

SBC oder COM

CPU

Schnittstellen

Temperaturbereich

Kühlung

Entwicklung

Softwareseitige Einbindung des Displays und des Touchsensors in das Betriebssystem

Grobkonfiguration des Touchsensors

Erstellung der CAD-Daten für Frontglas (Maße, Form, Bedruckung)

Planung der Mechanik innerhalb des HMI

Kabelkonfektion

Prototypen

Abstimmung des Touchsensors auf das Gesamtsystem

Funktionstests

EMV-Tests

Umwelteinflüsse-Tests

Kundenanfrage

Pflichtenheft

Lastenheft

Freigabe der Prototypen

Serie

Parameter-Test 1

Herausforderungen bei der Entwicklung von HMIs

1. Organisatorische Herausforderungen

Aus der Definition der Anforderungen an das HMI-System (siehe „Kernmerkmale von HMls“)

folgt die Planung des Entwicklungsprozesses von der Konstruktion des Aufbaus über Proto-

typenerstellung und Tests bis hin zur Serienfertigung. Ein Projektmanager koordiniert die Zu-

sammenarbeit aller Fachleute und Hersteller zeitlich und inhaltlich – inklusive der Organisation

logistischer Prozesse für die Teilebeschaffung. Je nach verfügbaren Fachkräften kann es sich

anbieten, Teilprojekte zu definieren und durch qualifizierte Mitarbeiter oder erfahrene Dienst-

leister realisieren zu lassen.

PROZESSSCHEMA HMI-Entwicklung

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2. Technische Herausforderungen

Softwareseitige Integration des Displays. Für den Anschluss des Displays können Ent-

wickler in vielen Fällen eine LVDS-Schnittstelle verwenden. Die Systemsoftware wird auf die

Anzeige angepasst, indem die auf die Bildpixel bezogenen Timing-Parameter eingestellt wer-

den – eine Prozedur, die sich nach dem Display richtet. Dabei kann man bisweilen Standardein-

stellungen verwenden, oftmals jedoch müssen die Parameter selbst erstellt sowie bei x86 ins

Bios und bei Linux in den Kernel geladen werden. Eine dieser Größen ist der Pixeltakt Clock,

der bei manchen Anzeigen nur mit komplexen Tools einstellbar ist.

Hilfestellung beim Integrieren der Parameter ins BIOS bieten Datenblätter der Hersteller. Auch

Board-Anbieter eignen sich grundsätzlich als Ansprechpartner, da die Komponente die Display-

einstellungen vorgibt. Allerdings ist hier bei Anfragen mit Wartezeiten zu rechnen.

Insgesamt wird die softwareseitige Integration des Displays vielfach unterschätzt. Vor allem

für Entwickler, die auf diesem Gebiet unerfahren sind, erweist sich die Prozedur häufig als

zeitaufwändig.

Definition der Schnittstellen. Die Bandbreite möglicher HMI-Schnitt-

stellen reicht von Standard bis exotisch, von einfachen Netzwerkverbin-

dungen bis zu COM- oder CAN-Bus-Schnittstellen. Die Schnittstellen-Op-

tionen hängen von der Hardware ab:

• Wem die Standardausstattung ausreicht, dem bietet sich ein Single-

board-Computer (SBC) als Lösung an. Bei höheren Ansprüchen liegt hier

Potential für individuelle Entwicklungen.

• Für komplexere Lösungen eignet sich häufig ein Baseboard in Kombina-

tion mit einem Computer-on-Modul. Auf einem solchen Board lässt sich

nahezu jede Schnittstellenart realisieren.

Wahl der elektronischen Hardware. Bei der Hardware-Auswahl kommt es

neben den Schnittstellenoptionen vor allem auf die gewünschte Rechenleis-

tung und Funktionalitäten an. Bei der Prozessorarchitektur ist zwischen ARM-

oder x86-Technologie zu wählen. Für die Computing-Aufgaben eignen sich je

nach Anwendung folgende Lösungen:

• Ein Single-Board-Computer bildet eine kompakte Einheit, spätere

Änderungswünsche sind daher kaum realisierbar. Sofern das Gehäuse

nicht angepasst werden muss, ist der Einplatinencomputer in der Stan-

dardausführung grundsätzlich schnell verfügbar. Die anwendungsspezifi-

sche Entwicklung erweist sich als kostenaufwändig.

Display softwareseitige Einbindung; Ablesbarkeit bei Helligkeit, Blickwinkel

Touchsensor Bedienbarkeit mit Handschuhen, Wassertropfenerkennung

Betriebssystem Treibereinbindung, funktionale Integration von Display und Touch

Kühlung häufig individuelle Lösung erforderlich, abhängig von CPU

IP-Schutz Gehäuseentwicklung, besondere Kühllösung bei Wasserdichtigkeit

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) normgemäße Abschirmung nach innen und außen, EMV-CE-Zertifizierung teilweise durch Hersteller

BESONDERS ZU BEACHTEN bei der Entwicklung

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• Die Kombination Baseboard/COM bietet mit dem Austauschkonzept des Moduls hohe

Flexibilität, außerdem kann die Rechenleistung skaliert werden. Bei dieser Lösung fallen

zusätzlich Entwicklungskosten an.

• Anwendungsspezifische Baseboardentwicklung. Eine individuelle Baseboardent-

wicklung kommt in Frage, wenn die Funktionen des Standardangebots nicht ausreichen

oder die Rechenleistung skalierbar sein soll – etwa bei einer Produktfamilie. Die Kosten

für eine Entwicklung auf Linux-Basis liegen zurzeit bei einem unteren bis mittleren fünf-

stelligen Euro-Betrag. Sie lohnt sich erst ab einer bestimmten Stückzahl.

Je nach Kenntnisstand kann ein Entwickler im Unternehmen ein Baseboard selbst entwi-

ckeln oder sich die Komponente zur Bearbeitung liefern lassen. Möglich sind beispiels-

weise der Austausch von Kernmodulen, Schaltungstests bei individuellen COM-Modulen

oder die Simulation elektrischer Schaltungen vor der Fertigung.

Kabelkonfektion für LVDS-Kabel oder die Peripherie. Im Bereich der Verkabelung sind

in der Regel individuelle Lösungen erforderlich. Das gilt für LVDS-Kabel genauso wie für die

Anbindung der Peripherie, z. B. über USB-Kabel oder COM-Schnittstellen. Angesichts der Werk-

zeugkosten bei einer Eigenentwicklung sollten Unternehmen die Leistung für die Kabelkonfek-

tion bei einem Spezialisten einkaufen.

Abstimmung des Touchsensors/-screens. Die Konfiguration des Touchsensors auf das Ge-

samtsystem unter Berücksichtigung von Störeinstrahlungen erfolgt am Ende der Entwicklung.

Bei HMIs kommen vor allem moderne Touchscreens der PCAP-Technologie mit Gestenerken-

nung zum Einsatz, deren neueste Generation heute auch über die im Außeneinsatz notwendige

Funktion der Wassertropfenerkennung verfügt. Unter besonderen Umweltbedingungen eignen

sich jedoch andere Technologien besser, z. B. für die Eingabe mit dicken Handschuhen.

Neben der Analyse und Tests erfordert die Touchabstimmung die Verwendung spezieller, oft

limitiert verfügbarer Tools. Da der Prozess sehr zeitaufwändig ist und fundiertes Controller-spe-

zifisches Know-how erfordert, empfiehlt es sich, einen Spezialisten hinzuzuziehen

EMV. Angesichts elektromagnetischer Strahlung empfiehlt sich die Abschirmung des HMIs

nach außen und gegen Umgebungsstrahlen.

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3. Umgebungsbedingungen und ihre Konsequenzen

Wärme und Abwärme des Geräts erfordern häufig eine individuelle Kühllösung, diese beein-

flusst wiederum die Gehäuseform. Für Single-Board-Computer sind Kühlkomponenten erhält-

lich, die die Wärme über das Gehäuse abführen. Ab einer gewissen CPU-Leistung funktioniert

das passive Kühlverfahren nicht mehr. Thermische Simulationen liefern Lösungen für das Ab-

führen von Wärme.

Helligkeit/Sonne und Blickwinkel wirken sich auf die Lesbarkeit des Displays aus. Beim

PCAP-Touch kann die UV-Strahlung der Plastikfolie des Sensors Probleme verursachen. Für den

Außeneinsatz ist daher ein Glassensor besser geeignet, möglich wäre auch ein UV-blockendes

Frontglas. Aufdrucke sollten UV-resistent sein.

Feuchtigkeit macht die Abdichtung des HMI notwendig. Gilt die Schutz-

klasse IP67, ist zu prüfen, ob auch die Rückseite abgedichtet werden muss.

Eine Komplettabdichtung erschwert eine Kühllösung. Eine Option für die

sichere Funktion der Touchoberfläche ist die Wassertropfenerkennung.

4. Produktionstechnische Herausforderungen

Für die erfolgreiche HMI-Produktion ist die Zusammenarbeit mit kompetenten

Lieferanten wichtig. Dies zeigt sich insbesondere bei Leistungen wie dem Zu-

sammenbau der Einzelteile unter ESD-Schutz oder der staubfreien Verbindung

von Frontglas, Sensor und Display im Reinraum. Die Position dieser Kompo-

nenten bei der Verklebung erfordert höchste Präzision. Für die erfolgreiche

HMI-Fertigung ist die termingerechte Koordination sämtlicher Materialien un-

erlässlich.

Wärme erfordert Kühllösung; thermische Simulationen hilfreich

Helligkeit/Sonne Lesbarkeit sichern, ggf. Display-Glas statt Folie; UV-resistente Aufdrucke

Luftdruck keine Auswirkung

Feuchtigkeit Abdichtung Gehäuse; Wassertropfenerkennung Oberfläche; bei IP67 prüfen, ob Dichtheit der Rückseite notwendig ist

EINFLUSS DER UMGEBUNG auf HMIs

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Tobias Markow ist seit 2015

Produktmanager für Embedded

Systeme bei Elektrosil. Zuvor arbei-

tete er bei dem Solution Partner

anderthalb Jahre als Technischer

Support in diesem Bereich sowie für

die Disziplinen Display und Touch. Er

hat den Studiengang „Elektro- und

Informationstechnik“ an der HAW

Hamburg absolviert und hat als

ausgebildeter Mechatroniker ein

ausgeprägtes Praxisverständnis. Ihn

begeistert die Abwechslung, die ihm

die Arbeit an kundenspezifischen

Embedded-Projekten in unterschied-

lichsten Branchen bietet.

Ruhrstraße 53 · D-22761 Hamburg Tel. +49 (0)40 84 00 01-0info@elektrosil.com

VorgehensweiseWann lohnt sich die individuelle Entwicklung? Bei Einsatz von Standardkomponenten

rechnet sich eine individuelle HMI-Entwicklung bereits ab 100 bis 250 Stück, bei spezifischeren

Vorstellungen ab einer Mindestmenge von 500 Stück.

Die individuelle Lösung bietet zahlreiche Möglichkeiten der Funktionsgestaltung, z. B. als mo-

dulares System. In ein HMI lassen sich Zeitgeber und Schaltungen integrieren, Zusatzkompo-

nenten ermöglichen ausfallsichere Anwendungen. Ferner eröffnen sich markante Optionen für

die Anwendung des Corporate Designs.

Inhouse, Outsourcing oder Mix? Neben der Entwicklung durch interdisziplinäre Spezi-

alisten besteht die Möglichkeit, bei Teilbereichen selbst tätig zu werden, beispielsweise bei

der Baseboardentwicklung oder der Hardwareintegration. Umgekehrt können Unternehmen

HMI-Experten bei eigenen Entwicklungsprojekten hinzuziehen z. B. bei der Integration von

Display und Touchscreen, der Peripherieanbindung oder der Schnittstellendefinition.

FazitEin leistungsstarkes HMI verbessert die Maschinenbedienung und ermöglicht auch nachträg-

lich Funktionserweiterungen. Vor allem aber steht es als Bedienelement für das gesamte Pro-

dukt und beeinflusst dessen Absatzpotential.

Die interdisziplinäre HMI-Entwicklung erweist sich zwar als komplex, dafür bietet sie jedoch

umfangreiche Möglichkeiten für Funktionen und Design nach individuellen Vorstellungen. Und

Unternehmen können bei der Umsetzung eigene Ressourcen einsetzen. Die zeitsparende Zu-

sammenarbeit mit einem qualifizierten Experten zahlt sich jedoch immer aus. Denn mit profes-

sioneller Unterstützung erreichen Unternehmen eine schnellere Time-to-Market.

Bachelor of Engineering (B. Eng.) Tobias Markow

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