Designs von Irlbacher

Paralleles Entwickeln mit Embedded-HMIs

6. Oktober 2022, 8:00 Uhr | Von Matthias Niebauer
Surya Leuchte
© Irlbacher

Infrarotlicht kann tief in den menschlichen Körper eindringen. Profisportler etwa nutzen das spezielle Licht nach Verletzungen und Operationen, um die Rekonvaleszenz zu beschleunigen. SPS Life aus Dresden hat gemeinsam mit Irlbacher eine Infrarotleuchte auf Basis funktionaler Keramiken entwickelt.

Bei einem klassischen HMI (Human Machine Interface) sind Statusanzeigen und Befehlseingabe räumlich von deren Auswertung in der Steuerung getrennt. Ein Embedded-HMI hingegen vereint alle Funktionen auf dem »Frontend« – also direkt an der Schnittstelle zum Bediener. Diese »Intelligenz« auf dem Bedienfeld entlastet die Gerätesteuerung und ermöglicht den Einsatz einer einfachen und stabilen Schnittstelle zwischen beiden Funktionseinheiten. Für viele Unternehmen ist dabei ein weiterer Aspekt wichtig: Aufgrund der funktionalen Trennung von Gerät und HMI ist kein Know-how-Transfer bezüglich Kernkompetenzen oder Prozessen der Applikation erforderlich. Trotzdem können zwei Teams parallel und gleichzeitig an der Applikation beziehungsweise am Embedded-HMI entwickeln – das reduziert die Time to Market und hilft, die Entwicklungskosten im Griff zu behalten.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+
Deckglas eingeschliffene Fingerführungen
Bild 1. Beispiele für ins Deckglas eingeschliffene Fingerführungen für ein intuitives Bedienen per Touch. Neben Slidern sind ebenfalls Kuppen oder Encoder-ähnliche Bedienelemente möglich.
© Irlbacher

HMI-Entwicklungsprozess beginnt mit dem Glas

Das Entwickeln eines HMI beginnt immer mit der Auswahl des optimal für die Applikation geeigneten Flachglases. Entscheidend ist nicht, was kurzfristig beschaffbar ist, sondern was den jeweiligen Anforderungen am besten entspricht. Die Irlbacher Unternehmensgruppe aus dem bayerischen Schönsee verarbeitet im Jahr über 4.500 t Glas und hat über 80 Glassorten permanent auf Lager. Um das leichte Design der Infrarotleuchte »SURYA« zu unterstützen, gleichzeitig aber gute mechanische Eigenschaften zu erzielen, wählte Irlbacher ein 3 mm starkes Floatglas.

Verfügt der HMI-Partner zudem über einen Baukasten an praxisbewähren Produkten und kann umfangreiche Erfahrungen einbringen, steht einer effizienten Zusammenarbeit beim Entwickeln nichts im Wege. Im Falle von SURYA sollte das Gerät intuitiv und ohne Lesen einer Anleitung sicher bedienbar sein. Ein Display mit seinen Folgekosten Sprachumschaltung und Übersetzungen war ausdrücklich nicht erwünscht.

Die Irlbacher-Lösung: Einziges, optisch wie haptisch sofort erkennbares Bedienelement ist ein längliches, fingerbreites Slider-Element, das in das Floatglas eingeschliffen ist (Bild 1). Dieser »Schieberegler« gibt dem Benutzer eine eindeutige und intuitive Information zum präzisen Bedienen der innovativen Infrarot (IR)-Leuchte.

Embedded-HMI-System
Bild 2. Das Embedded-HMI-System im Überblick. Oben das optisch gebondete Frontglas/Lichtleiter-Sandwich, in der Mitte die Elektronikbaugruppe, unten die beiden Befestigungsschrauben.
© Irlbacher

HMI-Baukasten für komplexe Aufgaben

Das HMI ist mit etwa 62 mm x 25 mm kompakt und von der Form her an die futuristische Optik der IR-Leuchte angepasst. Seine Glaskante ist umlaufend mit einem 45°-Facettenschliff versehen, was für ein weiches, der Hand schmeichelndes Design sorgt. Zudem unterstreicht der edle Kantenverlauf das hochwertige Design von SURYA.
Alle Symbole, Logos etc. werden mit UV-beständigen, umweltfreundlichen keramischen Farben auf die Rückseite des Frontglases gedruckt. Anschließend werden diese Farbschichten untrennbar eingebrannt und dabei gleichzeitig das Glas zu Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) veredelt.

Das HMI mit seinem satten Schwarz als Grundfarbe ist bündig in das ästhetische Carbon-Gehäuse der Leuchte integriert und bildet das i-Tüpfelchen des Gerätedesigns. Das HMI ist vollständig geschlossen, kommt ohne jegliche Durchbrüche aus und ist somit wasserdicht. Entsprechend lässt es sich einfach reinigen oder – etwa im Reha-Bereich – problemlos hygienisch aufbereiten.

Der Slider, das einzige Bedienelement, ist als kapazitiver Sensor ausgeführt und bildet die Funktion eines permanent aktiven und auf Bedieneingaben wartenden Touch-basierten Dimmers ab. Ein erstes Berühren aktiviert das Bedien­element: Die Glasfront wird gleichmäßig hell hinterleuchtet. Der hochwertigen Optik entsprechend erfolgt das nicht abrupt, sondern mit einem angenehmen Hochlauf. Mittels RGB-Steuerung der für die Hinterleuchtung eingesetzten LEDs passt sich die Leuchtfarbe dabei der abgestrahlten IR-Wärmeleistung an, beginnend bei einem freundlichen Blauton für die minimale Leistung bis hin zu einem warmen Rot bei Maximalstellung.

Rückseite der Glasfront
Bild 3. Rückseite der Glasfront mit optisch gebondetem Lichtleiter. Am unteren Rand erkennt man die halbrunden Einkoppelbereiche für die vier LED-Zeilen zur Hinterleuchtung (in Bild 2 unten auf der Platine).
© Irlbacher

Bautiefe minimieren, gegen Streulicht abdichten

Das Embedded-HMI ist in den elegant schlanken Gerätefuß integriert und somit möglichst nahe am Anwender. Herausfordernd für Irlbacher hierbei: Eine konventionelle LED-Hinterleuchtung würde aus optischen Gründen erheblich mehr Bautiefe erfordern, als an der Stelle zur Verfügung steht. Aus dem Grund entwickelten die Techniker aus Schönsee ein kreatives und kompaktes Design: Ein Lichtleiter wird von hinten optisch auf das Frontglas gebondet. Hierin wird das Licht seitlich eingekoppelt (Bilder 2 und 3). Im Ergebnis benötigt das Design nicht einmal die halbe Bautiefe um einen Arbeitsbereich gleichmäßig und schattenfrei auszuleuchten.

Durchschimmerndes Licht würde um das HMI herum eine unschöne Aura erzeugen. Um das zu vermeiden, ist das Frontglas mit einer optischen Sperrschicht bedruckt. Mit einer weiteren Maßnahme verhindern die Ingenieure das Einkoppeln von Streulicht in das Glas: Ein spezielles, lichtdichtes Klebe-Pad deckt die Kanten des Lichtleiters ab und gleicht zudem mechanische Toleranzen der Aussparung im Carbon-Gehäuse aus. Das Sandwich aus Design-Glas, dem optisch darauf gebondeten Lichtleiter sowie dem Klebe-Pad wird von vorne lagerichtig in die Öffnung an SURYA eingesetzt. So hält das doppelseitig klebende Pad diesen Teil der Embedded-HMI-Baugruppe an seinem Platz.

Bestückungsseite der FR4-Leiterplatte
Bild 4. Bestückungsseite der FR4-Leiterplatte. Links von der Steckleiste befindet sich der SoC-Controller mit Cortex-M3-Kern für die Sensorauswertung, rechts der RGB-Treiber für die Hinterleuchtung.
© Irlbacher

Auswerteelektronik auf klassischer FR4-Leiterplatte

Die gesamte Elektronik des Embedded-HMI befindet sich auf einer klassischen FR4-Leiterplatte (Bild 4). Sie wird von hinten in das Gehäuse eingesetzt und mittels zweier Schrauben am Lichtleiter befestigt (Bild 2). Ebenfalls mit einer optischen Sperrschicht bedruckt ist die dem Lichtleiter zugewandte Seite der Platine. So sollen Reflexe oder Schattenbildung vermieden werden. Eine Polyurethan (PUR)-Dichtung auf der Elektronikplatine (Bild 2) verhindert das »Durchsickern« von Licht durch den Ausschnitt und gleicht zudem Form- und Lagetoleranzen aus. Gleichem Zweck dienen die beiden Dichtscheiben an der Verschraubung. Die Leiterplatte selbst ist beidseitig bestückt (Bilder 2 und 4), die LEDs für die Hinterleuchtung befinden sich auf der Rückseite der Baugruppe. Bei der Montage tauchen sie in die Einkopplungsöffnungen des Lichtleiters (Bild 3).

Der kapazitive Touch-Sensor für den Slider wird durch den Lichtleiter und das Design-Glas hindurch zuverlässig abgefragt. Aus Gründen der Sicherheit – und um schonend mit elektrischer Energie umzugehen – schaltet sich SURYA 30 Minuten nach dem letzten Bedienvorgang selbst ab. Lediglich der Touch-Sensor und die zugehörige Auswerteelektronik auf dem Embedded-HMI bleiben aktiv, um jederzeit Bedienvorgänge erkennen zu können.

Matthias Niebauer
Matthias Niebauer ist Wirtschaftsingenieur und leitet bei Irlbacher komplexe Projekte.
© Irlbacher

Einfache Schnittstelle zum Steuern von Geräten

Das Embedded-HMI ist mittels eines zehnpoligen »MicroMaTch«-Steckverbinders an die Leistungselektronik im Inneren der IR-Leuchte angebunden. Weil das Verarbeiten der Sensorsignale wie die der Lichtsteuerung direkt auf dem Embeded-HMI erfolgen, reicht eine I²C-Schnittstelle für die Echtzeitkommunikation der beiden Teilsysteme völlig aus. Dieser ursprünglich von Philips entwickelte Zweidraht-Datenbus ist aufgrund seines stabilen Verhaltens und der einfachen Implementierbarkeit in der Embedded-Welt weit verbreitet.

Der Autor

Matthias Niebauer ist Wirtschaftsingenieur und leitet bei Irlbacher komplexe Projekte. Er bildet die Schnittstelle zwischen den Kunden einerseits und den Entwicklungs- und Produktionsbereichen andererseits im Unternehmen.
E-Mail: m.niebauer@irlbacher.com


Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Irlbacher Blickpunkt Glas

Themenwoche Embedded-Systeme Okt.22