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Entwicklung anwendungsspezifischer HMIs –Herausforderungen, Schritte, Potentiale
Anwendungsspezifische Human Machine Interfaces (HMI) finden immer weitere Ver-breitung. Die komplexen Geräte optimieren die Bedienung von Maschinen und unterstrei-chen die Positionierung von Unternehmen als anwenderfreundlich – oder eben nicht. Dieses Whitepaper zeigt, welche Leistungen für die Entwicklung eines eigenen HMIs erforderlich sind und worauf dabei zu achten ist. Alle notwendigen Schritte von der softwareseiti-gen Displayintegration bis zur Abstimmung des Touchsensors werden im Dokument vor-gestellt. Unternehmen erfahren, welche Be-reiche ein firmeneigener Entwickler abdecken kann und ab wann sich die Unterstützung durch einen externen HMI-Experten empfiehlt.
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Entwicklung anwendungsspezifischer HMIs –Herausforderungen, Schritte, Potentiale
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Einleitung
Mit Funktionsreichtum, verbesserter Maschinenbedienung und smartem Design definieren
anwendungsspezifische Human Machine Interfaces Applikationen oder werten sie auf. Ihre
Entwicklung erfordert allerdings einigen Aufwand. Dennoch lohnt sich der genaue Blick auf
diesen Prozess und seine mögliche Arbeitsteiligkeit: Denn Unternehmen können bestimmte
Aufgaben mit eigenen Kapazitäten übernehmen. Dieses Whitepaper stellt alle wesentlichen
Punkte der HMI-Entwicklung vor.
Human Machine InterfacesDank der Mensch-Maschine-Schnittstelle HMI können Nutzer mit technischen Geräten und An-
lagen kommunizieren und Prozesse steuern. Die Einsatzbereiche der komplexen Einheiten sind
vielfältig. Sie reichen vom Parkautomaten bis zur Industrieanlage. Und ihre Verbreitung nimmt
zu. Denn Taktilität liegt im Trend, wie die Beliebtheit von Smartphones mit Touchdisplay zeigt.
Da HMIs in großem Maße zur Usability eines Produkts und damit zu dessen Absatzpotential
beitragen, kommt ihrer Funktion und Gestaltung besondere Bedeutung zu. Dies gilt für Neu-
entwicklungen genauso wie für HMI-Lösungen, die im Rahmen von Produktoptimierungen
überarbeitet werden. Zudem ist das optisch markante Bedienelement ein wesentlicher Teil der
Visualisierung des Unternehmens.
Aufbau von HMIsEin HMI besteht aus einer Vielzahl von Komponenten: Das Träger-Board
trägt das Embedded System. Hinter ihm befindet sich die COM-Einheit mit
einer Kühlung, eingebettet in ein Gehäuse. Vor dem Board liegen Display,
Touchsensor und das Frontglas. Weitere Bestandteile sind Kabel und die Ener-
gieversorgung per Netzteil. Wegen ihrer individuellen Funktionen erfordern
spezifische HMI-Lösungen oftmals auch individuelle Gehäusedesigns.
• Maschinenbedienung in der Produktion
• Steuerung von Verkaufsautomaten
• Zugangskontrollen
• Smart Home
• Automotive
• Medizintechnik
• POI
• Kassensysteme
ANWENDUNGSGEBIETE von HMIs
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FRONTGLASzum Schutz des GerätesErforderliches Know-how: Touch Engineering
TOUCHSENSORzum Empfangen von EingabenErforderliches Know-how: Touch Engineering
DISPLAYzur Anzeige von InformationenErforderliches Know-how: Display Engineering
BOARD (EMBEDDED SYSTEM)zur Regelung, Steuerung und Überwachung des SystemsErforderliches Know-how: Embedded Systems Engineering
COM-EINHEIT (EMBEDDED SYSTEM)zur Regelung, Steuerung und Überwachung des SystemsErforderliches Know-how: Embedded Systems Engineering
COM MIT KÜHLUNGzur GeräteentwärmungErforderliches Know-how: Wärmeübergangstechnik
GEHÄUSEzum Schutz und für funktionales und ästhetisches DesignErforderliches Know-how: 3D-Konstruktion
NETZTEILzur EnergieversorgungErforderliches Know-how: Stromversorgungs-Engineering
KABELzur Verbindung von Touchsensor mit BoardErforderliches Know-how: Kabelkonfektion
SCHEMATISCHER AUFBAU eines HMI
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Kernmerkmale von HMlsDas Spektrum bei HMIs ist sehr breit. Basisausführungen für rein funktionale Ansprüche mit
monochromem Display, einfachen Tasten und Prozessor stehen HMIs mit grafischem Farbdis-
play, Touchscreen und vollwertiger CPU gegenüber, die den Anwender mit mehr Usability über-
zeugen sollen.
Ein wesentliches Kriterium bei der Dimensionierung ist die Rechen-
leistung der Einheit: So benötigt ein Gerät für die Datenverarbeitung
einen wesentlich größeren Prozessor als ein HMI für die reine Daten-
darstellung. Die Spannweite reicht hier von ARM Cortex A5 bis Intel
CORE i7. Ein weiteres Merkmal ist der erforderliche Temperaturbe-
reich: Standard-HMIs arbeiten zwischen 0 °C und 50/60 °C, industrielle HMIs
dagegen zwischen –10 °C und 85 °C.
Grundsätzlich bietet der Markt gute leistungsfähige Standard-HMIs für einen
breiten Anwendungsbereich – wie z. B. das „Ready to use 10.1" HMI-Display
für POI-Anwendungen“ von Elektrosil. Für individuelle Anforderungen emp-
fehlen sich heute jedoch spezifische HMI-Lösungen, welche an die Bedürfnisse
und Fähigkeiten der Nutzer angepasst werden.
Komplexe Entwicklungsaufgabe für interdisziplinäre TeamsGrundlegende Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung anwendungsspezifischer HMIs
ist Interdisziplinarität im Team: System Design, Touch (Auswahl und Integration), Display (Aus-
wahl und Integration – elektronisch und mechanisch), Kabelkonfektion, Embedded Systeme,
EMV-Abschirmung (Elektromagnetische Verträglichkeit) und Kühlung (Entwärmung) sind die
Fachgebiete, welche die zahlreichen elektronischen und technischen Herausforderungen lösen.
Die präzise Analyse der gewünschten Produktmerkmale bildet den Ausgangspunkt für einen
iterativen Entwicklungsprozess, der alle beteiligten Disziplinen immer wieder zusammenführt.
Es empfiehlt sich die Eigenschaftsbestimmung für folgende technische Details:
• Display
• Prozessorarchitektur:
ARM oder x86, Rechenleistung
• Schnittstellen: Arten und Umfang
• Temperaturbereich
• Touchtechnologie/-sensor:
PCAP/resistiv/Infrarot
• Spannungsversorgung
• Betriebssystem:
Linux, Windows, Android
• IP-Schutzklasse
• Normen im Anwendungsbereich
Hinweis: Einen nützlichen Überblick über das Definieren von Systemanforderungen im
Bereich Automotive bietet das Whitepaper „Exakte Systemanforderungen – die Basis für
Lean Development“ von Hendrik Niemann.
• System Design
• Touch Engineering
• Display Engineering
• Kabelkonfektion
• Embedded Systems Engineering
• EMV Engineering
• Kühlung (Entwärmung)
INTERDISZIPLINÄRES VERFAHREN: Fachgebiete bei der HMI-Entwicklung
Die exakten Anforderungen werden schließlich in Pflichtenheft und Lastenheft aufgenommen
– die Grundlage für eine zügige Entwicklung.
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Gehäuseentwicklung bzw. -auswahl
Design
IP-Schutz
EMV-Schutz
Kühlung
Auswahl Display
Auflösung
Helligkeit
Blickwinkel
Temperaturbereich
Interface
Lebensdauer
Auswahl Touchsensor
Technologie
Interface
Temperaturbereich
Frontglas:
Stärke, Bearbeitung,
Bedruckung
Auswahl Embedded System
SBC oder COM
CPU
Schnittstellen
Temperaturbereich
Kühlung
Entwicklung
Softwareseitige Einbindung des Displays und des Touchsensors in das Betriebssystem
Grobkonfiguration des Touchsensors
Erstellung der CAD-Daten für Frontglas (Maße, Form, Bedruckung)
Planung der Mechanik innerhalb des HMI
Kabelkonfektion
Prototypen
Abstimmung des Touchsensors auf das Gesamtsystem
Funktionstests
EMV-Tests
Umwelteinflüsse-Tests
Kundenanfrage
Pflichtenheft
Lastenheft
Freigabe der Prototypen
Serie
Parameter-Test 1
Herausforderungen bei der Entwicklung von HMIs
1. Organisatorische Herausforderungen
Aus der Definition der Anforderungen an das HMI-System (siehe „Kernmerkmale von HMls“)
folgt die Planung des Entwicklungsprozesses von der Konstruktion des Aufbaus über Proto-
typenerstellung und Tests bis hin zur Serienfertigung. Ein Projektmanager koordiniert die Zu-
sammenarbeit aller Fachleute und Hersteller zeitlich und inhaltlich – inklusive der Organisation
logistischer Prozesse für die Teilebeschaffung. Je nach verfügbaren Fachkräften kann es sich
anbieten, Teilprojekte zu definieren und durch qualifizierte Mitarbeiter oder erfahrene Dienst-
leister realisieren zu lassen.
PROZESSSCHEMA HMI-Entwicklung
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2. Technische Herausforderungen
Softwareseitige Integration des Displays. Für den Anschluss des Displays können Ent-
wickler in vielen Fällen eine LVDS-Schnittstelle verwenden. Die Systemsoftware wird auf die
Anzeige angepasst, indem die auf die Bildpixel bezogenen Timing-Parameter eingestellt wer-
den – eine Prozedur, die sich nach dem Display richtet. Dabei kann man bisweilen Standardein-
stellungen verwenden, oftmals jedoch müssen die Parameter selbst erstellt sowie bei x86 ins
Bios und bei Linux in den Kernel geladen werden. Eine dieser Größen ist der Pixeltakt Clock,
der bei manchen Anzeigen nur mit komplexen Tools einstellbar ist.
Hilfestellung beim Integrieren der Parameter ins BIOS bieten Datenblätter der Hersteller. Auch
Board-Anbieter eignen sich grundsätzlich als Ansprechpartner, da die Komponente die Display-
einstellungen vorgibt. Allerdings ist hier bei Anfragen mit Wartezeiten zu rechnen.
Insgesamt wird die softwareseitige Integration des Displays vielfach unterschätzt. Vor allem
für Entwickler, die auf diesem Gebiet unerfahren sind, erweist sich die Prozedur häufig als
zeitaufwändig.
Definition der Schnittstellen. Die Bandbreite möglicher HMI-Schnitt-
stellen reicht von Standard bis exotisch, von einfachen Netzwerkverbin-
dungen bis zu COM- oder CAN-Bus-Schnittstellen. Die Schnittstellen-Op-
tionen hängen von der Hardware ab:
• Wem die Standardausstattung ausreicht, dem bietet sich ein Single-
board-Computer (SBC) als Lösung an. Bei höheren Ansprüchen liegt hier
Potential für individuelle Entwicklungen.
• Für komplexere Lösungen eignet sich häufig ein Baseboard in Kombina-
tion mit einem Computer-on-Modul. Auf einem solchen Board lässt sich
nahezu jede Schnittstellenart realisieren.
Wahl der elektronischen Hardware. Bei der Hardware-Auswahl kommt es
neben den Schnittstellenoptionen vor allem auf die gewünschte Rechenleis-
tung und Funktionalitäten an. Bei der Prozessorarchitektur ist zwischen ARM-
oder x86-Technologie zu wählen. Für die Computing-Aufgaben eignen sich je
nach Anwendung folgende Lösungen:
• Ein Single-Board-Computer bildet eine kompakte Einheit, spätere
Änderungswünsche sind daher kaum realisierbar. Sofern das Gehäuse
nicht angepasst werden muss, ist der Einplatinencomputer in der Stan-
dardausführung grundsätzlich schnell verfügbar. Die anwendungsspezifi-
sche Entwicklung erweist sich als kostenaufwändig.
Display softwareseitige Einbindung; Ablesbarkeit bei Helligkeit, Blickwinkel
Touchsensor Bedienbarkeit mit Handschuhen, Wassertropfenerkennung
Betriebssystem Treibereinbindung, funktionale Integration von Display und Touch
Kühlung häufig individuelle Lösung erforderlich, abhängig von CPU
IP-Schutz Gehäuseentwicklung, besondere Kühllösung bei Wasserdichtigkeit
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) normgemäße Abschirmung nach innen und außen, EMV-CE-Zertifizierung teilweise durch Hersteller
BESONDERS ZU BEACHTEN bei der Entwicklung
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• Die Kombination Baseboard/COM bietet mit dem Austauschkonzept des Moduls hohe
Flexibilität, außerdem kann die Rechenleistung skaliert werden. Bei dieser Lösung fallen
zusätzlich Entwicklungskosten an.
• Anwendungsspezifische Baseboardentwicklung. Eine individuelle Baseboardent-
wicklung kommt in Frage, wenn die Funktionen des Standardangebots nicht ausreichen
oder die Rechenleistung skalierbar sein soll – etwa bei einer Produktfamilie. Die Kosten
für eine Entwicklung auf Linux-Basis liegen zurzeit bei einem unteren bis mittleren fünf-
stelligen Euro-Betrag. Sie lohnt sich erst ab einer bestimmten Stückzahl.
Je nach Kenntnisstand kann ein Entwickler im Unternehmen ein Baseboard selbst entwi-
ckeln oder sich die Komponente zur Bearbeitung liefern lassen. Möglich sind beispiels-
weise der Austausch von Kernmodulen, Schaltungstests bei individuellen COM-Modulen
oder die Simulation elektrischer Schaltungen vor der Fertigung.
Kabelkonfektion für LVDS-Kabel oder die Peripherie. Im Bereich der Verkabelung sind
in der Regel individuelle Lösungen erforderlich. Das gilt für LVDS-Kabel genauso wie für die
Anbindung der Peripherie, z. B. über USB-Kabel oder COM-Schnittstellen. Angesichts der Werk-
zeugkosten bei einer Eigenentwicklung sollten Unternehmen die Leistung für die Kabelkonfek-
tion bei einem Spezialisten einkaufen.
Abstimmung des Touchsensors/-screens. Die Konfiguration des Touchsensors auf das Ge-
samtsystem unter Berücksichtigung von Störeinstrahlungen erfolgt am Ende der Entwicklung.
Bei HMIs kommen vor allem moderne Touchscreens der PCAP-Technologie mit Gestenerken-
nung zum Einsatz, deren neueste Generation heute auch über die im Außeneinsatz notwendige
Funktion der Wassertropfenerkennung verfügt. Unter besonderen Umweltbedingungen eignen
sich jedoch andere Technologien besser, z. B. für die Eingabe mit dicken Handschuhen.
Neben der Analyse und Tests erfordert die Touchabstimmung die Verwendung spezieller, oft
limitiert verfügbarer Tools. Da der Prozess sehr zeitaufwändig ist und fundiertes Controller-spe-
zifisches Know-how erfordert, empfiehlt es sich, einen Spezialisten hinzuzuziehen
EMV. Angesichts elektromagnetischer Strahlung empfiehlt sich die Abschirmung des HMIs
nach außen und gegen Umgebungsstrahlen.
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3. Umgebungsbedingungen und ihre Konsequenzen
Wärme und Abwärme des Geräts erfordern häufig eine individuelle Kühllösung, diese beein-
flusst wiederum die Gehäuseform. Für Single-Board-Computer sind Kühlkomponenten erhält-
lich, die die Wärme über das Gehäuse abführen. Ab einer gewissen CPU-Leistung funktioniert
das passive Kühlverfahren nicht mehr. Thermische Simulationen liefern Lösungen für das Ab-
führen von Wärme.
Helligkeit/Sonne und Blickwinkel wirken sich auf die Lesbarkeit des Displays aus. Beim
PCAP-Touch kann die UV-Strahlung der Plastikfolie des Sensors Probleme verursachen. Für den
Außeneinsatz ist daher ein Glassensor besser geeignet, möglich wäre auch ein UV-blockendes
Frontglas. Aufdrucke sollten UV-resistent sein.
Feuchtigkeit macht die Abdichtung des HMI notwendig. Gilt die Schutz-
klasse IP67, ist zu prüfen, ob auch die Rückseite abgedichtet werden muss.
Eine Komplettabdichtung erschwert eine Kühllösung. Eine Option für die
sichere Funktion der Touchoberfläche ist die Wassertropfenerkennung.
4. Produktionstechnische Herausforderungen
Für die erfolgreiche HMI-Produktion ist die Zusammenarbeit mit kompetenten
Lieferanten wichtig. Dies zeigt sich insbesondere bei Leistungen wie dem Zu-
sammenbau der Einzelteile unter ESD-Schutz oder der staubfreien Verbindung
von Frontglas, Sensor und Display im Reinraum. Die Position dieser Kompo-
nenten bei der Verklebung erfordert höchste Präzision. Für die erfolgreiche
HMI-Fertigung ist die termingerechte Koordination sämtlicher Materialien un-
erlässlich.
Wärme erfordert Kühllösung; thermische Simulationen hilfreich
Helligkeit/Sonne Lesbarkeit sichern, ggf. Display-Glas statt Folie; UV-resistente Aufdrucke
Luftdruck keine Auswirkung
Feuchtigkeit Abdichtung Gehäuse; Wassertropfenerkennung Oberfläche; bei IP67 prüfen, ob Dichtheit der Rückseite notwendig ist
EINFLUSS DER UMGEBUNG auf HMIs
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Tobias Markow ist seit 2015
Produktmanager für Embedded
Systeme bei Elektrosil. Zuvor arbei-
tete er bei dem Solution Partner
anderthalb Jahre als Technischer
Support in diesem Bereich sowie für
die Disziplinen Display und Touch. Er
hat den Studiengang „Elektro- und
Informationstechnik“ an der HAW
Hamburg absolviert und hat als
ausgebildeter Mechatroniker ein
ausgeprägtes Praxisverständnis. Ihn
begeistert die Abwechslung, die ihm
die Arbeit an kundenspezifischen
Embedded-Projekten in unterschied-
lichsten Branchen bietet.
Ruhrstraße 53 · D-22761 Hamburg Tel. +49 (0)40 84 00 [email protected]
VorgehensweiseWann lohnt sich die individuelle Entwicklung? Bei Einsatz von Standardkomponenten
rechnet sich eine individuelle HMI-Entwicklung bereits ab 100 bis 250 Stück, bei spezifischeren
Vorstellungen ab einer Mindestmenge von 500 Stück.
Die individuelle Lösung bietet zahlreiche Möglichkeiten der Funktionsgestaltung, z. B. als mo-
dulares System. In ein HMI lassen sich Zeitgeber und Schaltungen integrieren, Zusatzkompo-
nenten ermöglichen ausfallsichere Anwendungen. Ferner eröffnen sich markante Optionen für
die Anwendung des Corporate Designs.
Inhouse, Outsourcing oder Mix? Neben der Entwicklung durch interdisziplinäre Spezi-
alisten besteht die Möglichkeit, bei Teilbereichen selbst tätig zu werden, beispielsweise bei
der Baseboardentwicklung oder der Hardwareintegration. Umgekehrt können Unternehmen
HMI-Experten bei eigenen Entwicklungsprojekten hinzuziehen z. B. bei der Integration von
Display und Touchscreen, der Peripherieanbindung oder der Schnittstellendefinition.
FazitEin leistungsstarkes HMI verbessert die Maschinenbedienung und ermöglicht auch nachträg-
lich Funktionserweiterungen. Vor allem aber steht es als Bedienelement für das gesamte Pro-
dukt und beeinflusst dessen Absatzpotential.
Die interdisziplinäre HMI-Entwicklung erweist sich zwar als komplex, dafür bietet sie jedoch
umfangreiche Möglichkeiten für Funktionen und Design nach individuellen Vorstellungen. Und
Unternehmen können bei der Umsetzung eigene Ressourcen einsetzen. Die zeitsparende Zu-
sammenarbeit mit einem qualifizierten Experten zahlt sich jedoch immer aus. Denn mit profes-
sioneller Unterstützung erreichen Unternehmen eine schnellere Time-to-Market.
Bachelor of Engineering (B. Eng.) Tobias Markow
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