交互式電子設備需要一個人機界面（HMI），允許用戶與底層電子設備進行通信。使用帶有觸摸屏/顯示器的嵌入式計算機可以滿足這一要求，該計算機連接到能夠實現用戶交互的大型設備。但是，如何將這樣的HMI前端用于專門的工業，醫療和軍事應用？

在當今的嵌入式設備中，HMI基本上由四個項目組成，包括顯示器、觸摸屏、處理器和操作系統。

顯示

顯示器向用戶提供機器狀態和應用數據的可視化通信，并請求用戶輸入。平板顯示器（包括 LCD 和 OLED）是實現顯示器的硬件機制。顯示器的關鍵技術屬性不僅包括尺寸和分辨率，還包括亮度、視角、可讀性的特殊用例（如陽光直射的明亮環境）以及可能包括極端高溫或低溫的操作溫度范圍。

觸摸屏

在復雜機械上使用觸摸屏進行信息輸入的情況正在增加。目前使用的兩種主要觸摸屏技術是電容式和電阻式。投射電容技術在大多數智能手機中使用，但在潮濕或嘈雜的電磁環境中，或者使用厚手套可能不是最佳選擇。電阻技術在這些環境中已經使用了很多年，但更容易劃傷，并且光學清晰度低于電容。關鍵參數包括所需的觸摸分辨率、手寫筆或其他觸摸儀器的使用、同時觸摸點的數量、手勢、環境條件和抗沖擊性。

處理器

處理器通常控制HMI子系統，渲染圖像并將其驅動到顯示器，接受和解釋觸摸輸入，以及處理系統的指令。對于處理需求有限的低分辨率和/或靜態圖像，可以使用微控制器，可能運行實時操作系統（RTOS）。對于高分辨率顯示器、運動視頻或復雜系統，可能需要能夠運行復雜操作系統的微處理器。具有硬件加速視頻和圖形引擎的處理器可提供最佳的功耗/性能權衡。處理器可以響應HMI子系統中的用戶輸入，或通過RS-232，UART，Wi-Fi，PAN，以太網或USB等接口在HMI之外進行通信指令和/或數據。

操作系統

操作系統是在處理器上運行的軟件，它通過提供與外圍設備（如觸摸屏、顯示器和其他界面）進行通信的方式來簡化應用程序開發。當針對特定電路板進行優化時，操作系統稱為電路板支持包（BSP）。HMI 設備通常實現安卓、Linux 或視窗操作系統。安卓大大簡化了用戶在HMI設備中進行交互的軟件設計。

面向嵌入式應用的 HMI：高度復雜的子系統

出于技術和業務原因，將這四個元素組合成功能性HMI子系統涉及大量復雜性。

電路板設計

現代微處理器的電路板設計非常復雜。由于有數百個處理器封裝連接以及存儲器、電源組件和各種外設的相關電路板跡線，因此存在原理圖錯誤和路由信號完整性問題的大量機會。這些問題的發生可能導致較長的調試周期、代價高昂的重制和相關的計劃滑點。這種設計通常最好外包給知識淵博的公司，該公司了解嵌入式微處理器的操作并定期交付這些設計。

顯示器/觸摸屏

觸摸屏以光學、機械方式（有時是電氣方式）與底層顯示器進行交互。因此，將顯示器及其觸摸屏視為子系統非常重要，兩者都針對HMI應用進行了優化。顯示器/觸摸屏一起安裝在一個滿足加固要求和美學的封裝中。適當的顯示器和觸摸屏組件的可用性通常是一個因素。經驗豐富的HMI設計人員可以幫助促進各種性能，成本和可用性權衡。

業務計劃定制

BSP通常需要根據運行它的嵌入式處理器平臺進行定制。特殊外設的驅動程序可能需要開發。刪除未實現的功能可能會防止崩潰。對于嵌入式 HMI 系統，可能需要自定義初始屏幕并直接引導到固定應用程序（通常稱為展臺模式）。可能需要增強安全性。定制BSP的開發人員不僅要了解操作系統本身，還要了解底層硬件的復雜性以及應用程序開發人員期望如何與BSP進行交互。

環境的

HMI前端可供人類使用，通常暴露在惡劣的環境條件下。觸摸屏/顯示器通常由玻璃制成，容易受到沖擊，從而可能使設備破裂或破碎。劃痕會影響可見度。水分會滲入前擋板周圍并滲入內部電路。來自強光或太陽的眩光可能會使顯示器無法讀取。對于在戶外使用的設備，溫度范圍寬會導致操作問題，通常在角落情況下。幸運的是，考慮到電子、機械、熱和光學設計的正確系統設計可以確保產品的堅固性。

監管認證

所有電子產品，無論行業、應用或用例如何，都必須最低限度地通過監管認證。在美國，至少需要 FCC 第 15 部分對 EMI/EMC 進行測試。其他國家也有類似的要求，例如歐洲的CE認證和加拿大的IC認證。雖然HMI前端通常使用其連接的機器進行認證，但其設計人員必須熟悉電磁兼容設計，以使認證過程順利進行。擁有一個有經驗的業務合作伙伴，他們具有設計HMI接口設備并通過認證過程的歷史，這對于產品成功發布至關重要。

產品生命周期

工業、醫療和軍用設備的產品壽命遠遠超過消費類產品，包括銷售和支持，通常要超過十年或更長時間。可用性是所選組件和隨后監控過時的函數。最關鍵的是，處理器、顯示器（帶觸摸屏）和其他重要組件的選擇必須考慮到使用壽命。面向消費者的處理器、顯示器和復雜的外圍設備（如無線模塊）的可用時間通常不超過 2-3 年。在設計階段了解供應鏈至關重要。

定制人機界面設計

鑒于設計參數范圍如此之廣，復雜的機器通常需要定制的HMI，通常以滿足顯示器、觸摸屏和外圍設備的要求。底層處理器電路通常可以通過對特定顯示器、觸摸屏和外設進行微小的修改來利用。在尋找定制 HMI 時，請尋找從已知的、經過驗證的設計開始的解決方案，以減少開發時間、成本和風險。

審核編輯：郭婷