Come integrare facilmente un display a colori e un’interfaccia touch in un design esistente

La proliferazione di display grafici a colori con tecnologia Touch.

Sul mercato moderno sono presenti pochissimi progetti integrati che non dispongono di un display. Persino la stragrande maggioranza dei grandi e piccoli elettrodomestici di uso comune integrano una qualche forma di display. Pulsanti, selettori rotativi, interruttori e altri dispositivi di input vengono sostituiti, in macchinari industriali, termostati, distributori di bevande, stampanti 3D, applicazioni commerciali – e praticamente in qualsiasi applicazione elettronica, da display touch screen sempre più colorati e intuitivi.

Indubbiamente, questa tendenza ha subito un notevole aumento nell’ultimo decennio, grazie all’adozione degli smartphone e all’avvento dei tablet. Gli utenti di dispositivi elettronici si aspettano un’interfaccia grafica utente intuitiva (GUI) dotata di controlli touch per interagire con il dispositivo. I display touch conferiscono a un’ampia gamma di prodotti commerciali e industriali un aspetto esteticamente più gradevole e un’interazione intuitiva. Questa esplosione nella tendenza si riflette nella Previsione per il Mercato Globale per i moduli touch screen, che dovrebbe superare i 40 miliardi di dollari entro il 2024.

Di conseguenza, un numero crescente di progettisti e produttori sentono la pressione di integrare un display nei propri dispositivi di nuova concezione, oppure di aggiornare i dispositivi esistenti sostituendo pulsanti fisici con display touch. Spesso, tuttavia, questo è più facile a dirsi che a farsi. Specialmente per le aziende più piccole, specializzate in applicazioni single core, come le macchine da caffè, ma carenti di risorse e know-how nel reparto display.

Inoltre, man mano che i cicli di sviluppo del prodotto si accorciano e aumenta la pressione sul time-to-market, anche le aziende più grandi, con risorse apparentemente illimitate, cercano soluzioni di display più semplici, flessibili e scalabili per le proprie applicazioni.

Di seguito si riporta un esempio di un distributore di bevande i cui pulsanti meccanici sono stati sostituiti con un display touch screen a colori.

Stiegl / Drink Modul – distributore di bevande con pulsanti meccanici:

 

Stiegl / Drink Modul – distributore di bevande con pulsanti meccanici sostituiti con display touch screen a colori:

 

Due approcci: Soluzione modulare vs Progettazione discreta

Installare la giusta soluzione di display LCD per un prodotto può essere un compito difficile. Per un progettista di sistemi integrati, incorporare un LCD può essere impegnativo come tutto il resto del progetto. Bisogna tener conto di molti fattori nelle decisioni iniziali sul tipo di display da utilizzare.

Essenzialmente, esistono due modi per aggiungere un display a un progetto – realizzare il progetto in un LCM discreto e sviluppare tutte le librerie e il software richiesti per pilotare il display (Progettazione discreto) o utilizzare un Modulo display intelligente, disponibile in commercio, praticamente pronto all’uso (Soluzione modulare).

Entrambe le opzioni presentano vantaggi e svantaggi in termini di costo, flessibilità, scalabilità, controllo dei componenti, tempo e facilità di sviluppo, ecc. Entrambe le opzioni vanno considerate in dettaglio nella fase di progettazione iniziale.

Ad esempio, se si guarda esclusivamente al costo della lista dei componenti, la progettazione discreta potrebbe sembrare l’opzione più attraente in confronto al costo di un modulo già pronto. Tuttavia, considerando i tempi e le risorse di sviluppo necessari per una progettazione discreta rispetto a una soluzione modulare pronta all’uso, il vantaggio in termini di costi a breve e lungo termine può essere compensato dalla facilità d’uso e dalla velocità con cui è possibile portare a termine lo sviluppo mediante l’utilizzo del suddetto modulo.

Implementazione della progettazione discreta

Considerare un esempio in cui un’app o un dispositivo esistente viene aggiornato/a per includere un’interfaccia utente grafica (GUI) con funzionalità touch. In pratica si tratta di sostituire i pulsanti fisici con altri dispositivi di input dotati di pannello touch.

Supponiamo che tale dispositivo esistente sia in esecuzione su un microcontrollore a 8 bit (MCU) e debba essere aggiornato per avere un display grafico a colori completo di interfaccia touch. Sebbene la maggior parte degli MCU è in grado di interfacciarsi a un LCD tramite un driver integrato nell’MCU stesso o nel display, oppure tramite un driver discreto, il formato e la risoluzione dello schermo sarebbero limitati dalle risorse dell’MCU. Ad esempio, potrebbe darsi che un MCU a 8 bit piloti un display a matrice di punti a due righe, ma potrebbe non avere la potenza di calcolo sufficiente a pilotare un modulo più grande.

Per creare un’esperienza coinvolgente, ricca e gratificante, il progettista dovrà aggiungere una quantità significativa di software integrato nell’applicazione, come librerie e file di immagini. Il solo sforzo di sviluppo per avere semplicemente l’LCD come dispositivo di output è già significativo, ma diventa ancora più complesso quando si aggiunge la funzionalità touch e si utilizza lo schermo LCD come dispositivo di input.

Quando si utilizza questo approccio è necessaria una considerevole quantità di ricerche e di sforzi sia per lo sviluppo hardware, sia per quello software. Una volta completato lo sviluppo dell’applicazione e avviata la produzione, è fondamentale seguire un rigoroso controllo di qualità in ingresso sui display. Esiste sempre la possibilità di qualche modifica senza preavviso nel display, ciò potrebbe causare problemi di rallentamenti nella produzione e richiedere lo sviluppo o la modifica dei driver del display, nonché la necessità di delegare tale compito a un team di ingegneri.

Sebbene lo sviluppo di una progettazione discreta personalizzata offra un controllo più completo sulla lista dei componenti e sui costi, ciò comporta l’ulteriore spesa relativa all’aumento dei costi di progettazione e sviluppo. È anche importante considerare i tempi di sviluppo necessari per le fasi descritte in precedenza. Possono essere necessari fino a oltre 6 mesi per giungere al punto in cui sia possibile sviluppare la GUI effettiva, una volta completato il progetto di livello inferiore.

L’ulteriore livello di complessità in termini di lista dei componenti può influenzare la disponibilità a lungo termine dei componenti selezionati. Nel caso in cui la produzione di uno dei componenti chiave venisse interrotta, potrebbe essere necessario riqualificare la GUI causando costosi ed estesi ritardi nella produzione. Ciò a sua volta può comportare tempi di consegna prolungati per l’utente finale e insoddisfazione dei clienti.

Implementazione della soluzione modulare

L’approccio alternativo alla progettazione di un display consiste nell’utilizzare un modulo display intelligente e rapidamente disponibile. Tipicamente, i moduli di questo tipo dispongono di un’interfaccia standard del settore come I²C, SPI o UART per le comunicazioni verso l’host. Alcuni moduli includono inoltre un microcontroller integrato che non solo gestisce tutti gli elementi grafici, ma può anche includere una varietà di dispositivi I/O e altre periferiche per consentire al modulo di eseguire potenzialmente l’intera applicazione di destinazione.

Molti moduli sono supportati da una libreria di funzioni che consente di controllarli in maniera relativamente facile dall’host MCU. Alcuni sono dotati di un completo ambiente di sviluppo integrato che include la progettazione e la costruzione della GUI come parte dell’intero processo di progettazione generale. Alcune di queste IDE presentano flussi di lavoro di sviluppo drag-and-drop in stile “WYSIWYG”, che consentono la prototipazione e lo sviluppo estremamente veloci di applicazioni senza dover scrivere una sola riga di codice.

L’utilizzo dell’approccio modulare ha il vantaggio che tutti i driver, le funzioni primitive e le funzioni della GUI sono già state sviluppate e testate. Inoltre, l’host MCU può delegare tutte le attività di visualizzazione al modulo in modo che l’host possa dedicare tutte le proprie risorse all’applicazione principale.

In questo modo gli ingegneri possono concentrarsi sull’effettiva progettazione della GUI senza doversi preoccupare dello sviluppo di livello inferiore. In sostanza, si tratta di passare direttamente allo sviluppo generale ed eliminare i mesi di tempo necessari per ottenere le impostazioni di base.

Oggi sono disponibili varie Soluzioni modulari intelligenti. Una soluzione di questo tipo è fornita da 4D Systems in una varietà di moduli display di diversi formati e con varie opzioni touch, programmati utilizzando l’Ambiente di Sviluppo Integrato 4D Workshop4.

I moduli HMI della serie gen4 sono stati progettati per funzionare con pressoché qualunque forma di host o processore MCU. Anche piccoli dispositivi con basso numero di pin. Ciò è possibile in quanto tutta l’interazione tra il modulo display e l’host avviene tramite un semplice collegamento seriale supportato dalla maggior parte degli MCU.

Come si può vedere dalla descrizione precedente, il processo di integrazione di un modulo display intelligente in un’applicazione è molto più semplice e diretto in confronto al processo di un progetto discreto. Il modulo display rimuove tutti i requisiti di progettazione di livello inferiore consentendo allo sviluppatore di concentrarsi sullo sviluppo della GUI effettiva e dell’applicazione principale. Ciò consente di approntare i prototipi entro un paio di giorni e l’applicazione finale entro un paio di settimane, riducendo in tal modo drasticamente il “time to market”.

Inoltre, i rischi di dover ri-sviluppare la soluzione di display a medio termine a causa di componenti fuori produzione sono di gran lunga inferiori con la soluzione modulare, in quanto tale compito viene assunto dal fornitore di moduli. Infatti, con i moduli display che integrano un processore grafico dedicato, questo rischio viene eliminato del tutto poiché la GUI sviluppata “viaggerà” con il processore e non sarà influenzata dalla tecnologia del display.

Come ulteriore vantaggio, le soluzioni modulari, come quella di 4D Systems, consentono la scalabilità in futuro poiché la GUI appena sviluppata può essere facilmente trasferita a display di varie risoluzioni e formati con pochi clic di un pulsante.

Analisi dei costi: Progettazione discreta vs Approccio modulare

In definitiva, la decisione su quale approccio progettuale adottare si riduce spesso alla semplice analisi dei costi. Sebbene il processo decisionale competa ai manager e agli ingegneri, spesso ciò che sembra attraente sulla carta, e in ultima analisi, è ciò che guida le decisioni. A tale proposito, vale la pena dare un’occhiata più da vicino a un possibile scenario di analisi dei costi per esaminare anche ciò che dicono i numeri.

Ad esempio, esaminiamo uno scenario in cui un display LCD da 4,3″ con touch capacitivo e vetro di copertura viene progettato in un’applicazione esistente utilizzando ciascuno dei due approcci. Useremo alcune stime ipotetiche per questo esercizio, che si intende esclusivamente a scopo illustrativo.

Specifiche di progetto:

• Requisito annuale: 3000 pezzi di applicazione per l’utente finale.
• Durata del progetto: 2 anni.
• Volume totale richiesto 6000 pezzi.
• Volume di consegna: 250 pezzi al mese.

Progettazione discreta

• Servono due Ingegneri di Sviluppo per lo sviluppo e la progettazione.
• Costo annuale stimato per la retribuzione di ciascun ingegnere: 140.000 USD/anno
• Tempo di sviluppo richiesto 6 mesi
• Costi di sviluppo per 6 mesi: 140.000 USD
• Costo unitario stimato del display LCD da 4,3″e delle periferiche: 39,00 USD

Approccio modulare

• Serve un ingegnere di sviluppo per realizzare il progetto.
• Costo annuale stimato per la retribuzione dell’ingegnere: 140.000 USD/anno
• Tempo di sviluppo richiesto 1 mese
• Costo di sviluppo per 1 mese: 11.666 USD
• Costo unitario stimato del Modulo display intelligente da 4.3″: 59,50 USD

Da ciò possiamo vedere che il costo di sviluppo dei moduli è significativamente inferiore rispetto al costo di sviluppo della Progettazione discreta. Anche il costo totale unitario per il primo lotto di 250 pezzi è significativamente più basso con l’approccio modulare, con 152,84 USD in confronto a 599,00 USD.

Poiché il costo di sviluppo della progettazione discreta viene ammortizzato nel tempo, il costo totale per unità diminuisce rapidamente. Tuttavia, in questo esempio sono necessari fino a 23 mesi, o un volume totale di 5.750 unità consegnate, affinché le due linee di costo totali si incontrino nella parte in alto a destra del grafico.

Da ciò possiamo concludere che la scelta della soluzione modulare per volumi inferiori a 6000 unità è più economica rispetto alla progettazione discreta. Se in questo esempio le variabili rimanessero invariate e il volume richiesto fosse pari a 10.000 unità, la progettazione discreta risulterebbe più conveniente. Tuttavia, a volumi più elevati il fornitore del modulo potrebbe inoltre fornire un prezzo più conveniente, che si tradurrebbe in una potenziale significativa riduzione del vantaggio in termini di costi di una progettazione discreta a volumi più elevati.

L’esempio precedente è alquanto generalizzato, inoltre prende in esame esclusivamente l’aspetto dei costi dei due approcci. Sebbene sia molto importante considerare il costo, vale la pena notare tutti gli altri vantaggi e svantaggi coinvolti in entrambi gli approcci.

Conclusione

Nell’affrontare la sfida di integrare un display grafico completo con funzionalità touch in un nuovo prodotto o di progettare un aggiornamento a un prodotto esistente, gli ingegneri possono scegliere di sviluppare le nuove funzionalità da zero o optare per una soluzione modulare che consenta loro di saltare le fasi iniziali.

Il metodo tradizionale di progettare la soluzione da zero ha probabilmente impedito a molti sviluppatori e aziende di aggiornare i propri dispositivi a causa della mancanza di risorse finanziarie e know-how. In molti casi potrebbero non essere nemmeno la conoscenza delle soluzioni alternative disponibili.

Quando si effettua una valutazione preliminare delle varie possibilità, il prezzo di una soluzione standard potrebbe sembrare proibitivo. Tuttavia, a un esame più approfondito dei costi, nonché dei vari altri vantaggi derivanti dall’utilizzo di moduli pronti all’uso, è possibile dissipare il pregiudizio inconscio sull’onerosità di una soluzione modulare. In realtà, è piuttosto vero il contrario, in particolare per le applicazioni con bassi requisiti di volume annuo.

Pertanto, si consiglia vivamente di analizzare e comprendere tutte le opzioni prima di intraprendere un percorso di progettazione specifico. Con la riduzione dei cicli di vita dei prodotti e l’aumento della frequenza di aggiornamento dei progetti, le soluzioni che facilitano il processo di progettazione e implementazione possono essere una risorsa importante. Non solo per i display ma anche per altre tecnologie integrate.