česky english Vítejte, dnes je sobota 05. prosinec 2020

Kuchyňské spotřebiče s dotykovým ovládáním. Jak se nespálit?

DPS 2/2020 | Vývoj - články
Autor: Stephan Thaler, Chad Solomon, Microchip Technology

Dotykové panely na spotřebičích sloužících v kuchyni nebo též při praní byly na veletrhu CES ještě před pěti lety konceptem, který měl za úkol přitáhnout návštěvníky a názorně ukázat vizionářské představy výrobce. V současné době se však bílé zboží s dotykovými panely stává již realitou. Přinejmenším pro pár špičkových zařízení. S rozmachem internetu věcí (IoT) se očekává zastoupení takového druhu rozhraní v ještě větším počtu spotřebičů, které navíc mohou být i levnější. Dotykové rozhraní mezi člověkem a strojem (HMI), které bude těžit z internetového připojení a také aplikací navržených přímo pro uživatele, proto vyřeší nejen řadu provozních záležitostí, ale bude i hezky vypadat.

Spotřebiče a možnost ovládání dotykem

Technologie kapacitního dotykového ovládání se u bílé techniky začala hojně využívat zejména ve spojitosti s tlačítky, posuvnými prvky či ovládacími kolečky, kde také nahrazuje mechanicky řešené knoflíky a další ovládací prvky. Hned vedle nižší ceny zde zajišťuje i vyšší spolehlivost celého systému, protože mechanické spínače nebo voliče se snáze porouchají či zaseknou, budou-li vystavené působení vody, tuku či mastnoty, tedy látek, s nimiž se při vaření nebo praní běžně setkáváme. Dotykové snímače umístěné pod nebo za skleněným či plastovým povrchem navíc podporují snadné čištění zařízení a vývojářům často umožňují hezky pracovat i s designem – viz obr. 1.

Kuchyňské spotřebiče s dotykovým ovládáním.

Stejné přednosti dotykových tlačítek a posuvných prvků se využijí také u kapacitních dotykových panelů rozhraní HMI, kdy uživatelé komunikují nejen se zařízením, ale rovněž se připojují k internetu. Spotřebiče připojené ve smyslu IoT k celosvětové síti kromě toho pro výrobce představují nejednu klíčovou výhodu. Jedná se o:

  1. vzdálený dohled,
  2. získávání dat s cílem odhalit návyky uživatelů,
  3. řízení napájení, kdy spotřebiče s vysokým proudovým odběrem synchronizujeme a předcházíme tak potížím na vedení,
  4. aktualizace firmwaru zajišťující opravu chyb na dálku a také nové funkce systému.

Stejně tak ale bude vzájemná propojitelnost představovat výhody též pro samotného uživatele a výrobce je může propagovat, aby tím „prodával“ spotřebič vybavený dotykovým panelem. Vyzvedne například:

  1. pokyny pro vaření u dané skupiny produktů společně s možností stažení receptů či nejlepších postupů,
  2. informace spojené s pracím práškem a jeho spotřebou, možnost naprogramování systému – dokonce v závislosti na typu prášku či tekutého prostředku, návod, jak se vypořádat s poruchou,
  3. aktualizace firmwaru s ohledem na přidání nových vlastností a ještě lepší výkon,
  4. nejnovější informace, pokud jde o počasí, novinky, vývoj akcií apod.

Výrobci, ale také spotřebitelé sice dostávají celou řadu výhod, nicméně z hlediska vývoje zde pořád existuje několik otázek, které je potřeba zmínit.

Jak na bílou techniku

Podobně jako u moderních chytrých telefonů či automobilů, ovšem s měnící se důležitostí, bude u bílé techniky a jejího rozhraní typu HMI s dotykovými panely potřeba řešit celkem tři nejčastější otázky související s odolností vůči rušení, odolností vůči vlhkosti a také rozpoznáváním jednotlivých příkazů, bude-li mít obsluha nasazené rukavice. Způsob, jak moc dobře se integrovaný kontrolér dotykového panelu s něčím takovým vypořádá, pak odlišuje jednoho od druhých.

Chráněná technologie umožňuje kontroléru, aby z hlediska odolnosti vůči rušení vykazoval lepší výsledky, pokud jde o poruchy šířené po vedení. Něco takového je důležité zejména v oblastech mimo Spojené státy, které mohou mít vedení z důvodu nedostatečného zemnění či nevalné kvality připojení silně zarušené. Takové rušení se pak po kabelu dostává až k napájecímu zdroji a odtud již přímo do integrovaného obvodu – kontroléru.

Kontrolér dotykového rozhraní je neobyčejně citlivou součástkou, která stanovuje náboj v řádu nanocoulombů. Odvádíme- li pak na základě prostého přiložení prstu nepatrné množství náboje z panelu pryč, potřebujeme takovou situaci umět neustále a řádným způsobem i vyhodnocovat. Rušení se pak může u snímače postarat o takovou míru náboje, která dokáže kontrolér zmást. Zvláště pak v případě, není-li součástka v tomto ohledu dostatečně odolná.

Na základě falešně vyhodnoceného dotyku se začínají náhodná tlačítka tisknout sama od sebe. To může být v případě trouby zvláště nebezpečné. Nesprávně vyhodnocená událost dokáže např. bez vědomí uživatele spustit samočisticí cyklus. Uložené věci pak mohou představovat bezpečnostní riziko a ohrožovat přitom lidi. To je ovšem problém každého kapacitního dotykového kontroléru, nicméně díky chráněné technologii lze rušení přiváděné po vedení obejít a dostat celou věc pod kontrolu.

Aby se problém s rušením vyřešil, kontrolér odfiltruje souhlasnou složku a potížím se dále vyhýbá díky frekvenčním skokům. Chráněný přístup během skenování pracuje s vlastní a stejně tak i vzájemnou kapacitou, což zahrnuje rozdílové snímání dotyku. Místo toho, aby systém považoval každou linku za samostatný prvek, integrovaný obvod měří spíše rozdíly mezi jednotlivými páry. Jakékoli rušení, které pak bude v obou případech společné, je odstraněno. Jakmile se nyní stejné rušení vyskytne v podobné oblasti displeje, bude potlačeno a zůstanou jen platné signály. Zmíněný postup rozdílového snímání proto umožňuje rušení opravdu efektivně vyloučit ze hry.

Motory v pračkách, kompresory v ledničkách a stejně tak i plotýnky na indukční varné desce generují u spotřebičů rušení, které se musí nacházet uvnitř kmitočtového pásma, v němž také dochází k potlačování nežádoucích průběhů. Jedině tak lze totiž zajistit spolehlivé a dostatečně odolné řešení s dotykovými displeji, které se na takové technice rovněž nachází. Smyslem je opět předcházet falešnému spouštění. Bude ale rovněž nezbytné podchytit a nahlásit host kontroléru i platné události. Zamezí se tak tomu, že kvůli rušení dojde k přehlédnutí dotyku, kdy se ve výsledku nic neděje, ačkoli by se dle názoru obsluhy dít mělo.

V kuchyni, ale také při praní přicházíme běžně do styku s vodou a dalšími tekutinami. Důležitá bude proto i odolnost vůči vlhkosti. Když pak např. hrnec na sporáku začíná vřít a jeho obsah se dostane až na dotykový panel, nehrozí spuštění nesprávné akce. Potíže však mohou způsobit i kapičky vody nebo zamlžení skla. Schopnost vyhodnotit dotyky za současné přítomnosti vlhkosti, nebo i vody by proto měla být klíčovým požadavkem každého vývojáře, který pracuje na spotřebičích s rozhraním HMI vybaveným dotykovým panelem.

Multidotykové povely by měly být podporovány navzdory slabému zamlžení či malým kapičkám vody na panelu. Zatímco ve světě elektrických spotřebičů běžně počítáme se dvěma dotyky, v případě větších displejů jich mají vývojáři k dispozici deset nebo ještě více. V jednu chvíli se tak může panelu dotýkat hned několik uživatelů. Pokud se při zadávání povelu vylije na displej voda, příp. se na horizontální povrch dostane nějaká větší kapka, mělo by dojít k zastavení takto podvržené dotykové události, zatímco systém nyní podporuje běžné operace s jedním prstem. Vývojáři musí v této souvislosti rovněž počítat s výskytem velmi dobře vodivých tekutin typu slané vody, nebo dokonce čisticích prostředků, třeba bělidel. Co přesně na nás čeká za čelním panelem ve stručnosti vykresluje obr. 2.

Kuchyňské spotřebiče s dotykovým ovládáním 1

U rozhraní HMI s dotykovými panely ale nesmíme zapomenout ani na práci v rukavicích. V kuchyni se běžně potkáváme jak s tenčím, tak i jejich silnějším provedením. Máme zde přitom několik funkcí, které aktuálně dodávané spotřebiče a jejich integrované obvody pro dotykové ovládání nepodporují, protože jsou často přehlížené, a třebaže mohou pro uživatele znamenat výraznou přidanou hodnotu, prostě tam nejsou.

Když ve vývoji dochází k ladění systému, volitelná podpora práce v rukavicích, které se v kuchyni běžně využívají (tj. s tloušťkou okolo 1,5 mm), zahrnuje u kontroléru i větší počet dotyků (až do deseti). S rukavicemi se třeba potkáme v případě, kdy obsluha zrovna pracuje nad dřezem a potřebuje přitom dotykově ovládat ledničku či sporák.

Mnohem častěji se ale při vaření používají silné rukavice či „chňapky“ určené přímo do trouby (tloušťka až do 5 mm). Vyrábí se mnohdy ze silikonu a s náležitou podporou dokáže kontrolér pro rozhraní HMI stále zajistit přesnou odezvu. K něčemu takovému může docházet zcela automaticky, tj. bez potřeby vstupovat do samostatného režimu a poté se již s holýma rukama vracet zpět k obvyklé úrovni citlivosti, takže systém nebude nadmíru citlivý a vyhne se tím falešnému spouštění. Navzdory tomu všemu některé kontroléry od uživatelů vyžadují volbu mezi režimy typu vlhko, holý prst, stylus či rukavice, spíše než aby samy automaticky zjistily podmínky a rovnou změnily příslušná nastavení pro dosažení přirozené a zcela intuitivní komunikace v jakémkoli prostředí.

V takovém případě se může uživatelské rozhraní jevit jako jednodušší a využije u toho i větší tlačítka, což při návrhu dotykového panelu na spotřebičích pyšnících se podporou ovládání v rukavicích potřebujeme vzít v potaz.

Volba správného kontroléru, snímače i panelu

V závislosti na rozměrech spotřebiče se pro techniku používanou v kuchyni nebo při praní využijí různé velikosti panelů. Pro kávovary to již mohou být např. třípalcové displeje, pět palců upotřebíme pro mikrovlnné trouby, sporáky nebo pračky a třeba až 22palcové úhlopříčky, anebo ještě delší pak sednou ledničkám či mrazákům.

V rámci příslušného řetězce pak dodavatel čipu zajistí polovodič a ve spolupráci s výrobcem snímače řeší i návrh této části. Dohromady provedou zapojení systému, zatímco systémovou integraci s dotykovým snímačem a také příslušným rozhraním již má pro výrobce koncových spotřebičů obvykle na starosti výrobce modulů, resp. displeje – viz také obr. 3. Je to jen příklad toho, jak v dnešní době výrobci polovodičů zajišťují více než jen pouhý čip. Jedná se totiž také o služby související s laděním a zdárným dokončením návrhu. V celém dodavatelském řetězci lze proto součástku využívat mnohem snadněji.

Běžné integrované obvody pracující v rámci průmyslového rozsahu teplot od –40 °C až do +85 °C jsou k dispozici se standardním firmwarem a vyhoví tak nejen celé řadě displejů a jejich úhlopříček, ale také odlišným požadavkům výrobců spotřebičů. Se správně zvolenými velikostmi panelů v nabídce rodiny kontrolérů pro dotyková rozhraní bude proto možné návrh dále rozšiřovat, což ve výsledku ušetří spoustu času a sníží rovněž cenu systému, včetně nákladů na jeho vývoj. Některé z vlastností pro displeje průmyslové třídy používané ve spotřebičích ukazuje tabulka 1.

Kuchyňské spotřebiče s dotykovým ovládáním. 2

Jedním z posledních kritérií se rovněž stává otázka EMC. Je naprosto zřejmé, že návrh musí vyhovět i v této oblasti. Od testů se pak už jen očekává potvrzení, že požadovaných výsledků bylo dosaženo jak z hlediska vyzařovaných emisí, tak i těch šířených po vedení.

Nejprve se dotkněte kitu

Pro první seznámení a získání lepšího povědomí o schopnostech dotykového panelu jsou pro každý z kontrolérů dané rodiny k dispozici též vývojové desky. Sada přitom zahrnuje desku plošného spoje s kontrolérem dotykového rozhraní a pasivně řešeným zakončením v podobě ohebného spoje FPC, který propojuje integrovaný obvod se snímačem dotykového rozhraní na skle či plastu. K počítači se poté kit obsahující veškeré potřebné kabely, softwarové vybavení nebo dokumentaci připojí prostřednictvím USB.

Vývoj a také ladění aplikací s kontroléry dotykového rozhraní pro spotřebiče se ve spojitosti s vývojovou deskou podporuje na základě platformy IDP (Integrated Development Platform) – vývojového systému maXTouch Studio. Jedná se o plnohodnotné prostředí pro vývoj softwaru, které lze volně stáhnout z webových stránek. Konkrétní podobu, kterou mohou výrobci spotřebičů od vývojového kitu očekávat, zachycuje obr. 4.

Kuchyňské spotřebiče s dotykovým ovládáním. 3

Ovládat znamená dotýkat se

Výrobci elektrospotřebičů chtějí využívat výhod, které jim internet věcí nabízí. K tomu ale bude zapotřebí číst a zpracovat vstupní informace, nejlépe s využitím displeje vybaveného dotykovým rozhraním. Aby mohli takoví výrobci úspěšně přejít od současného řešení k moderním technologiím dotykového ovládání, potřebují spolupracovat s výrobci integrovaných obvodů, resp. dodavateli dotykových panelů či modulů, kteří jsou s výrobci čipů sami v úzkém kontaktu. Využijí přitom kontroléry navržené speciálně pro zmíněný druh aplikací ve spotřebičích. Se správně zvoleným kontrolérem pro dotyková rozhraní se zařízení připojuje k internetu a nabízí odolnost vůči rušení nebo též vlhkosti a také obsluze umožňuje pracovat v rukavicích.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik