每臺受控電氣或機械機器都具有按鈕、控制桿或觸摸屏形式的人機界面 (HMI)。在高層次上，HMI 具有三個基本元素：輸入、輸出和處理兩者之間轉換的東西。

隨著我們進入工業 4.0 時代，這個模型變得有點復雜。設計人員正在添加圖形用戶界面 (GUI)，在 GUI 上從物理按鈕轉移到虛擬按鈕，增加 HMI 可以執行的任務數量，甚至在閉環系統中顯示性能反饋。

圖 1：嵌入式處理器是現代工業 HMI 的核心。

一般 HMI 處理器要求HMI 可能對嵌入式處理器有許多要求，具體取決于其預期的最終應用。HMI 性能有四個級別：入門級、基本級、中端和高端。

入門級 HMI 具有非常基本的用戶界面。輸出屏幕通常是四分之一視頻圖形陣列 (QVGA)，最多 320 x 240，并且具有最少的 2D 圖形。這些 HMI 面向僅需要控制接口的基本要素的成本敏感型應用。設計師可能會在這里使用電阻式觸摸屏，因為它比電容式觸摸屏更經濟。

電阻式觸摸屏不僅比電容式觸摸屏更便宜，而且 BOM 成本也可能更低，因為一些處理器可以原生支持電阻式觸摸屏，而電容式觸摸有時需要外部組件。此類 HMI 最適合低性能處理器 (<300 MHz) 或支持電阻式觸摸屏的微控制器。

與入門級 HMI 相比，基本 HMI 增加了改進的顯示分辨率和更好的用戶界面。一個基本的 HMI 將具有一個觸摸屏——通常是電阻式觸摸屏——以及高達擴展圖形陣列 (XGA) (1,024 x 768) 的顯示分辨率，以改善用戶體驗。根據所需的應用程序處理能力，此類處理器將處于中低端性能范圍（300 MHz 至 800 MHz），并可能受益于 2D 圖形加速器。

圖 2：為 HMI 選擇合適的處理器需要仔細的設計考慮。

中端 HMI 更接近地反映了用戶可能每天與之交互的典型 GUI。中端 HMI 具有 2D 圖形，顯示分辨率高達 XGA (1,024 x 768)，包含比基本類別更多的控制功能，有時甚至引入觸覺或聽覺反饋。這些功能極大地改善了用戶體驗。對于中端 HMI，處理器必須包括圖形加速、中端性能（600 MHz 至 1 GHz）和圖形庫以幫助構建 GUI。

高端 HMI 自然是多媒體豐富的。它們需要具有高清視頻支持、2D 和 3D 圖形加速器以及高性能處理器（多核和 >1 GHz）的高端 SoC。這可以極大地受益于片上 DSP，以幫助加速音頻和視頻處理。此外，高端 HMI 通常需要能夠處理多個高分辨率屏幕輸出和 HTML5 的處理器。一個例子是基于 Arm Cortex-A 內核的 Sitara 處理器系列，它提供了開發從入門級到高端 HMI 的單一平臺所需的可擴展性，并支持工業可靠性。

您可以在家用電器、自動售貨機、樓宇自動化系統（如消防控制面板或電梯）以及電動汽車充電站中找到 HMI。然而，工業 HMI 最普遍的用途之一是在工廠自動化領域。

工廠自動化系統中的 HMI 在工廠自動化系統中，HMI 將機器操作員連接到控制功能，通常是可編程邏輯控制器 (PLC)，它控制工廠車間的傳感器、執行器和機器。HMI 也更常見地包含在機器和機器人本身上，并且在某些情況下，管理 HMI 內的一些控制功能。這些應用對 HMI 中的處理器提出了許多要求，包括對工業通信能力、工業級可靠性和安全特性的需求。

工業通信標準以太網不具備工業自動化所需的確定性功能。這就是為工業通信設計的協議發揮作用的地方。工業以太網協議實現了控制系統中不同類型終端設備之間所需的實時、確定性通信。

目前為工業以太網創建了十幾種不同的協議。在 HMI 中處理這些協議需要處理器、FPGA 或 ASIC。在許多情況下，HMI 將有一個主機處理器和一個單獨的 ASIC 或 FPGA 來運行單一協議。

作為 FPGA 或 ASIC 的替代方案，存在可作為工業以太網應用處理器和通信引擎的集成解決方案；這些解決方案甚至可以擴展功能以支持多種協議。

HMI 中的多協議支持為工業 4.0 增加了急需的靈活性，因為智能工廠中的控制系統通常由運行不同協議的不同解決方案拼湊而成。借助多協議支持，HMI 可以充當不同協議之間的網關。 ?

在大多數情況下，工業級質量工廠全年 24/7 運營。并且條件可以從低于冰點到沸騰的溫度變化，這取決于工廠生產什么。工廠內的 HMI 必須能夠承受這些條件，其中的處理器也必須如此。它提出了工廠自動化 HMI 對工業級處理器的需求。

工業級處理器必須能夠承受廣泛的溫度范圍，通常為 –40°C 至 105°C。此外，由于工廠設備運行時間較長，因此需要進行廣泛的設備壽命測試。用于衡量設備壽命的一個指標是其開機時間 (POH)，即可以正常供電和運行的小時數。具有寬溫度范圍和 POH 超過 88,000 的處理器基本上可以運行 10 年以上。大多數工業 HMI 需要滿足至少 100,000 POH。

安全性 雖然 HMI 和控制網絡的其余部分通常配置在與主互聯網隔離的內部以太網網絡上，但仍然存在惡意方竊聽或更改 HMI 與系統其他部分之間的通信的可能性。為了幫助阻止不必要的干擾，嵌入式處理器通常集成加密加速器來加密數據。安全啟動是另一種流行的安全選項，可幫助保護 HMI 制造商的知識產權。

其他 HMI 方面因為 HMI 主要是一個用戶界面，所以它需要使用高級操作系統 (OS)。HMI 的流行操作系統包括 Windows CE、Android 和 Linux。Windows CE 多年來一直在 HMI 中流行，尤其是在工廠自動化領域，但 Android 和 Linux 之所以受到關注，有幾個原因。

首先，Android 和 Linux 是開源操作系統，這意味著它們可以自由實施。此外，由于它們是開源的，因此有一個大型社區支持軟件并為每個操作系統提供示例代碼。

Android 在大量用戶將與 HMI 交互的系統中很受歡迎，例如在自動售貨機或電器中。Android 已經在手持設備市場流行，因此對于 HMI 新手來說，學習曲線被最小化，因為他們可能已經熟悉操作系統。

在工廠自動化中，Linux 已成為可能的選擇，因為它被廣泛認為是穩定、可靠和安全的。許多工業 HMI 不需要 Android 附帶的所有功能。另一方面，Linux 還支持 Qt 和開放圖形庫 (OpenGL) 等框架，這有助于構建有效的 GUI。

在 HMI 中越來越受歡迎的另一個功能是虛擬化。如前所述，HMI 普遍與 PLC、工業機器人和 CNC 機床等其他終端設備集成。一種集成方法是為 HMI 和其他應用程序配備單獨的處理器，但這可能很昂貴并且需要額外的電路板空間。

另一種方法是使用單個多核處理器，其中一個內核專用于 HMI，另一個內核專用于應用程序。根據是否需要實時操作，內核可以運行不同的操作系統，例如 RTOS 和 Linux。

總結HMI 涵蓋了各種性能級別的廣泛終端應用程序，但具有一些共同的功能，包括 GUI、與控制系統的連接以及基于觸摸的控制。處理器至少必須能夠支持這些入門級 HMI 要求。基本、中端和高端 HMI 可以進一步利用這些功能，包括高清圖形、網頁瀏覽、視頻和多屏支持。

審核編輯 黃昊宇