Kritische Betrachtungen zu Touchsensorik im Industrieeinsatz

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

Data Modul AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

NXP Semiconductors

Die Trends im Industriesegment

Bedienfelder und Industrieterminals als Schnittstelle Mensch-Maschine (HMI; Human Machine Interface) sind oft mit den unterschiedlichsten Bedienelementen ausgestattet. Über solche Module ist es möglich, die aktuell ablaufenden Prozesse der jeweiligen Anlage zu steuern, überwachen und zu visualisieren. Diese Bedienschnittstellen alles Erdenkliche enthalten, von einfachen Segment-Displays bis hin zu hoch auflösenden LCD. Dieser Trend hat den Industriesektor erreicht — auch hier kommen Touchsensor-Technologien zum Einsatz.

In der Industrie werden die HMIs meist als LC- bzw. LED-Display mit Touchscreen-Sensor ausgebildet. Industriesysteme basieren immer noch auf resistiver Touchscreentechnologie, zum einen aufgrund der Kosten und zum anderen wegen der elektrischen Zuverlässigkeit. Denn kapazitive Touchscreens reagieren empfindlich auf elektromagnetische Störungen, die angesichts der hohen Anzahl induktiver Geräte in Industrieanlagen häufig vorkommen. Und solche Störungen sind wesentlich intensiver als in anderen Anwendungsbereichen. Resistive Touchscreens sind für diese Art von Störungen weniger empfänglich.

Andererseits benötigen Bedienelemente in der Industrie normalerweise keine komplexe Gesten- und Multitouch-Erkennung, wie das die Nutzer von Smartphones und Tablet-PCs heute schon voraussetzen. Aber es gibt durchaus eine Nische für einfachere kapazitive, nach dem Eigenkapazitätsverfahren arbeitende Touchscreens. Solche Geräte verfügen nicht über komplexe Gestenerkennung, sondern werden für eine einfache Berührerkennung auf dem Display und einfache Schiebe- und Drehregleranordnungen eingesetzt. Je nach Größe des Displays könnte sogar eine Embedded-MCU diese Aufgabe bewältigen, und man bräuchte keinen ASIC.

In einem solchen Kontext zeigen sich kapazitive Touchscreens letztlich als effizienter, da sie mechanisch zuverlässiger sind und angesichts der Tatsache, dass alles in eine MCU integriert werden kann, obendrein noch Kosten sparen. Kleinere Bedienelemente mit kleineren alphanumerischen Displays und kleine Tastenfelder sind ein ideales Einsatzgebiet für die kapazitive Touchsensor-Technologie. Solche Schnittstellen sind üblicherweise nicht so komplex und können komplett mit einer einzigen MCU, etwa aus der S08P-Familie von Freescale, realisiert werden, die das Display, die Touchsensorelemente und die Kommunikation steuert.

Störungen dürfen keine falschen Signale liefern

Industrielle HMIs mit Touchsensor-Schnittstellen werden in den meisten Fällen mit einer resistiven Touchscreen-Lösung realisiert. Wegen der elektromagnetischen Störungen und der Tatsache, dass man bei der Bedienung keine Handschuhe tragen kann, waren kapazitive Touchscreens in diesem Markt bisher nicht wirklich erfolgreich. Andererseits trägt der so genannte „ipod-Effekt“ dazu bei, dass die Hersteller nutzerfreundlichere Schnittstellen mit intuitiveren Strukturen implementieren.

Vor kurzem hat Freescale mit seinem CRTOUCH eine schlüsselfertige Lösung vorgestellt, mit deren Hilfe Entwickler resistive Displays nachträglich mit Gestenerkennung ausstatten können. Obwohl es sich hier nicht um eine vollständige Multitouch-Lösung handelt, kann man diese zur Entwicklung einer freundlicheren Schnittstelle mit intuitiven Befehlen heranziehen.

Andererseits weist die kapazitive Touchsensor-Technologie mehrere technologisch bedingte Defizite auf, die aber normalerweise durch eine Kombination aus Soft- und Hardwareverfahren gelöst oder zumindest abgemildert werden können. Das größte Problem für kapazitive Touchsensorsysteme sind die erwähnten elektromagnetischen Störungen. Touchsensorsysteme müssen robust sein, sie müssen auch in störbehafteten Umgebungen arbeiten und dürfen keine falschen Signale liefern, die unerwartete Reaktionen zur Folge haben könnten.

Es gibt viele Techniken zur Berührerkennung und jede löst die Störprobleme auf ihre eigene Art. Im Allgemeinen aber wird eine typische Touchsensorlösung für diese Aufgabe mehr oder weniger spezielle Hardware enthalten. Einige Verfahren arbeiten mit einer Software-basierten Berührerkennung. So zum Beispiel bietet Freescale eine Technik namens ATL (Advanced Timer Library) an. Hier wird die Ladezeit der Sensorelektrodenkapazität über eine an normale GPIO-Pins angeschlossene RC-Schaltung gemessen.

Dieses Verfahren ist ebenso wie ausgeklügelte Optionen für Mittelwertbildung, Filterung und HMI-Funktionen ein Bestandteil der Freescale-eigenen TSS-Bibliothek (Touch Sensing Software). Mit Hilfe dieser Bibliothek lassen sich alle Touchfunktionen bedienen und die Resultate in praktischen Callbacks ausgeben, um die herum der Programmierer dann seinen eigenen Code realisieren kann. Das Problem mit rein Software-basierten Touchverfahren besteht darin, dass sie weniger robust und langsamer zu implementieren sind als solche mit Hardwareunterstützung.

Freescale hat diverse Bausteine seiner 8-Bit- (S08) und 32-Bit-MCU-Familien (ARM-basierte Kinetis und ColdFire V1-Kerne) mit dem TSI-Modul (Touch Sensing Input) ausgestattet. In diesem Modul erfolgt die Auswertung der Sensorik mit Hilfe von Konstantstromquellen. Die Elektroden werden mit einer Oszillatorfrequenz beaufschlagt, die sich mit der Elektrodenkapazität ändert. Die TSS-Bibliothek kann darüber hinaus mit dem TSI-Modul und sogar mit GPIOs und dem TSI-Modul gleichzeitig arbeiten.

(ID:32405650)