Soluzioni Human Interface

Lo sviluppo delle nuove tecnologie ci consente di interagire in piena libertà di movimento con le macchine elettroniche rendendo possibile, con un semplice gesto, il dominio totale delle operazioni.

Con il termine "human interface" ci si riferisce a tutti quei dispositivi elettronici ed elettromeccanici che consentono all’operatore umano di interagire con le macchine nel senso più lato del termine: pulsanti, tastiere joystick, potenziometri display, etc. In pratica, tutto ciò che serve all’utente di un’apparecchiatura elettronica per dialogare con l’applicazione stessa, sia essa un computer, un telefonino, una playstation oppure un televisore.

Esigenze di comodità e di design rendono sempre più sofisticati gli organi di interfaccia umana al punto tale che oggi è possibile dialogare con le macchine con un semplice gesto del nostro corpo oppure con un comando vocale, oppure semplicemente sfiorando con un dito gli invisibili sensori sapientemente celati da  un accattivante design. Diventa così possibile scorrere le pagine di un libro elettronico, cercare il brano preferito sul nostro lettore MP3, modificare il volume di ascolto o la luminosità del cruscotto della nostra vettura senza scomodarsi più di tanto. Ma soprattutto ci svincoliamo sempre di più dalla dipendenza dei fili cablati che attraversavano le nostre case per poter collegare il computer alla tastiera o al mouse, oppure per portare il telefono dal soggiorno alla cucina. L’evoluzione delle tecnologie avanza sotto la spinta di una celata regia che vede i grossi costruttori di silicio impegnati a contendersi un mercato sempre più esigente e dai gusti raffinati. Lo scenario di utenza che si presenta è immenso; molto è stato fatto ma tanto altro ancora si immagina sarà fatto. In questo articolo vorrei sintetizzare i passaggi più significativi di questo settore, guardando con particolare attenzione ai cataloghi delle case costruttrici, specialmente quelle che sono più note ai nostri lettori che amano cimentarsi con applicativi elettronici sia a livello amatoriale che per applicazioni commerciali. Salterò per motivi di prolissità di esposizione la cronistoria dell’evoluzione tecnologica, puntando direttamente alle soluzioni disponibili sul commercio. Tuttavia, prima di addentarci nei meandri delle possibili soluzioni disponibili sul commercio, vorrei citare come precursori dello sviluppo di queste tecniche alcuni standard industriali quali USB HID (Human Interface Device), USB OTG (On The Go), I2CBus, WiFi, Zig Bee, Blue Tooth che sono i canali di comunicazione principali attraverso i quali i nostri comandi giungono alla macchina. Il pregio dei grandi costruttori di silicio consiste proprio nell’aver reso possibile agli specialisti del settore elettronico la realizzazione di applicativi HID prescindendo dalla approfondita conoscenze degli ambienti e soprattutto senza necessità di scrivere complicati drivers per interfacciare il sistema operativo ospite della applicazione. D’altro canto bisogna considerare, a monte dello sviluppo, l’avanzare delle tecniche sensoristiche che consentono di decifrare i nostri movimenti: touch sreen, sensori capacitivi, sensori resistivi, accelerometri, sensori ottici, piezoelettrici, etc. Un esempio per tutti: il sistema WIImote proposto da Nintendo è una sintesi molto rappresentativa dello stato dell’arte della sensoristica per applicazioni human interface. È proprio in questo scenario che ci muoveremo cercando di individuare le soluzioni più appetibili e a portata di mano. Molti sono i costruttori di silicio che hanno contribuito a rendere commerciale la diffusione di queste moderne interfacce; giusto per citare i più famosi: Atmel, Microchip, Freescale, Silicon Labs, ST  Microsystem, Texas, Cypress. Dall’oriente, inoltre, si propongono ormai tutti i giorni nuovi costruttori con soluzioni “do it yourself”, complete di tutto il supporto software e firmware, c’è solo l’imbarazzo della scelta.

ATMEL

Partiamo da Atmel per procedere in ordine alfabetico. Abbraccia un vasto repertorio di soluzioni per il mondo touch, utilizzabili per i settori più disparati: telefonia mobile, tavolette di digitalizzazione, libri elettronici, gamepads, navigatori, fotocamere, cruscotti digitali oltre ad una serie di sensori capacitivi per impiego come tastiere, pannelli di controllo, dispositivo di consumo ed elettrodomestici. La touch screen raggiunge in Atmel la massima espressione con i dispositivi della famiglia MAXTouch xMT224 interfaccia per pannello touch screen fino a 10.2 pollici, organizzato a matrice 16 x 14, velocità di scan 250 Hz con interfacciamento I2CBus, fino ai più prestanti xMT616 e xMT1386 multichip per display fino a 15.6 pollici (tavolette, libri e quaderni elettronici). Ampia la scelta per quanto riguarda le tastiere a sfioramento che vanno dal pulsante singolo AT42QT1010 (contenitore SOT23-6 interfaccia I2CBus) sino ai più complessi AT42QT1085 in contenitore TQFP32 per un massimo di 8 tasti. La tecnologia QMatrix e QSlide vede come capostipite l’AT42QT2160 con organizzazione a matrice 2 x 8, che può gestire una tastiera di 16 tasti formato 6x 6 mm oppure uno slide switch da 2 a 8 canali. Per i più esigenti, la famiglia QTMatrix propone soluzioni touch fino a 16 oppure a 24 tasti QT60160 e QT60240 in contenitore MLF32, sempre a costi accessibili. La QTouch messa a disposizione da Atmel consente il semplice sviluppo di pulsanti a sfioramento, tastiere, slide e wheels, sfruttando microprocessori “general purpose” della famiglia AT91SAM ed AVR. Per quel che riguarda la connettività con il mondo PC, Atmel realizza inoltre una vasta gamma di soluzioni basate sulla famiglia di microprocessori AVR da 8 bit a 32, di cui l’AT90USB è il capostipite. I tagli vanno da 8 Kbytes di flash e 32 pin di package AT90USB82, fino a 128Kb e 64 pin AT90USB1286 dal costo di pochi euro per chip anche per piccoli quantitativi. Rimanendo in ambito HID ovviamente non sarà necessario scomodare le potenti architetture a 32 bit oppure quelle ARM based. Atmel offre tutto il supporto necessario dallo starter kit STK526 all’ambiente di sviluppo AVR USB serie 2/4/6/7 opportunamente dimensionato per il tipo di applicazione ed in funzione del microprocessore utilizzato. Sul portale della Atmel, nella sessione Small I/O device, è possibile individuare il processore più adatto a ciascuna applicazione ed il corredo di tools di sviluppo disponibile.

CYPRESS

Questa casa, forse meno conosciuta rispetto alle sue concorrenti, si distingue per la grande attenzione dedicata da sempre al settore USB proponendo, sin dalla sua prima apparizione sul mercato nella revisione USB 1.1, sistemi su silicio che utilizzano questo bus, ritenuto giustamente il tramite di eccellenza tra l’uomo e la macchina. Accanto agli ormai acclamati sistemi touch button e touch screen più o meno presenti presso tutti i costruttori di silicio e di cui Cypress non è seconda a nessuno, figurano soluzioni molto più interessanti ed avveniristiche, anche se un po’ più impegnative sotto il profilo hobbistico, ma che vale sicuramente la pena nominare. Cypress OvationON II, sensore di posizione a laser per navigazione tattile che appartiene alla famiglia PSoC (programmable system on chip) ed integra la tecnologia Opticheck™. Il risultato è un sistema di navigazione a laser (quindi ad alta definizione) utilizzabile come mouse ottico, trackball, dispositivi di puntamento, etc. con connettività USB: CYONS2000 oppure CYONS2001(wireless). Il modello CYONS2110 supporta anche le funzioni CapSense consentendo lo sviluppo di soluzioni più sofisticate come prodotto finale. Tutti i prodotti della famiglia OvationON II possono essere sviluppati grazie al pacchetto Cypress’s PSoC Designer™, consentendo al progettista di raggiungere rapidamente il risultato. Ma Cypress non finisce qui. Le sue soluzioni basate su PSoC 3 & 5 consentono infatti di sviluppare applicazioni per il settore elettromedicale: sensori di pressione del sangue, sensori di fertilità, sensori di glucosio etc. Il kit di sviluppo DVK CY8CKIT-001 consente lo sviluppo di applicazioni basate sul processore della famiglia PSoC 1, 3 e 5. Grazie al pacchetto di sviluppo PSoC Creator IDE è possibile configurare ogni blocco del silicio contenuto sul chip come meglio si ritiene opportuno, oppure utilizzarlo come proposto dalla casa madre per abbreviare i tempi di sviluppo sempre con connettività USB full speed. Infine vorrei segnalarvi i i dispositivi TX2UL: USB ß> ULPI transceiver bridge per la realizzazione di auricolari stereo su interfaccia USB. Si tratta di un chip di dimensioni molto ridotte in contenitore QFN 24 pin 4x 4 mm oppure Ball Grid CSP 2 x 1.7 mm a basso consumo (5 uA), adatto per dispositivi mobili nel mercato consumer.

FREESCALE

Accanto alla vasta famiglia di microprocessori per applicazioni HID dei quali parleremo nel seguito, questa casa offre delle soluzioni davvero interessanti per quanto riguarda i sensori di movimento che vale la pena presentare in questo articolo. Si tratta degli accelerometri triassiali della famiglia XTRINSIC, validissimi sensori di tilt, rotazione, movimento, shock, vibrazioni, etc., per esempio quelli che ci consentono di ruotare le immagini sul display dello smartphone o del navigatore quando questo viene ruotato di 90 gradi, oppure quelli che inseriti all’interno di un game pad ci consentono di rilevare la posizione e gli spostamenti repentini della nostra mano per ricavare la sensazione della velocità nei giochi su playstation. Personalmente credo che l’impiego di questi sensori sia ancora poco diffuso e che molte applicazioni siano immaginabili con essi. Vale quindi la pena soffermarsi un momento su questa interessante tecnologia, dando uno sguardo ai dispositivi proposti dalla famiglia MMA845xQ low g per i quali Freescale fornisce due tipi di demo board LFSTBEB8450 e RD3924MMA8450Q. Entrambe sono basate sul MMA8450Q, una potente interfaccia grafica che consente l’impiego del sensore in vari tipi di applicazioni quali orientamento di ritratti e foto, rilievo di shock, e transitori. Tutte le informazioni disponibili su questi affascinanti sensori potrete trovarle sul link: freescale.com/SensorToolbox. Una soluzione veramente a basso costo per lo sviluppo di applicazioni HID è rappresentata dalla famiglia di processori S08JM della Freescale. Questa famiglia nasce a 8 bit con tagli di memoria flash da 8 a 60 Kb, tutti i modelli sono equipaggiati con USB 2.0 full speed ed hanno una ricca dotazione di periferiche ausiliarie. Nella classe superiore è previsto il core V1 coldfire nel modello MCF51JM, funzionante in modalità HID host (OTG) e mass storage. Ciò che rende veramente appetibile questo approccio è la disponibilità di evaluation board DEMO9S08JM16 e di uno stack protocollare completamente gratuito S08JM_USB_LITE_CMX, MCF51JM_USB_LITE_CMX,  ampiamente collaudato e funzionante, che consente subito lo sviluppo di applicativi come General HID,  Keyboard HID, Mouse HID, CDC devices per la famiglia S08JM, mentre per la versione Coldfire si aggiungono le funzioni: USB Host Class, HID Host, Host Mass Storage. Il supporto in termini di documentazioni tecnica, application notes, librerie ed esempi applicativi è veramente notevole.

MICROCHIP

Molte sono le soluzioni proposte da Microchip per lo sviluppo di Human Interface Device. La famiglia PIC18F offre una gamma di microprocessori USB che vanno da 8 a 32 bit con una dotazione di periferiche ausiliari veramente molto ricca, dal più piccolo PIC18Fxx 8/16/28 Kb flash con USB 2.0 full speed, al fratello maggiore PIC24Fxx a 16 bit equipaggiato con la sempre più diffusa USB OTG flash da 128 A 256 K, fino ad arrivare alla famiglia dei PICF32, dei veri e propri mostri a 32 bit con dimensioni della memoria di programma da 32 a 512 Kb e velocità di elaborazione da 80 MIPS. Il punto di forza della scelta Microchip consiste nell’aver dotato i propri microprocessori della interfaccia USB OTG (on the go) che consente a due dispositivi USB di comunicare tra di loro senza la interposizione del PC. Le application notes AN1140 e AN1141 descrivono passo per passo il funzionamento degli HID, un apposito tool che lavora in ambito Windows consentendo la configurazione più adatta del PC per l’impiego di questi affascinanti dispositivi. Da segnalare in particolare lo starter kit DM180021: opera in ambiente MPLAB basato sulla famiglia PIC18F con funzioni di programmatore e debugger integrato, consente lo sviluppo di dispositivi come mouse, joystick, dispositivi di memoria di massa, la board prevede l’impiego di sensori capacitivi “touch sense” ed include memoria micro SD, potenziometro sensore di accelerazione e display OLED. Il supporto in termini di tools di sviluppo è assicurato dal pacchetto USB Framework for PIC18, PIC24 & PIC32, ricco di esempi e di programmi applicativi in formato sorgente. Inoltre Microchip mette a disposizione una serie veramente completa di librerie e drivers per PC che consentono di facilitare il compito del programmatore: Microchip Application Libraries.

SILICON LABS

Un discorso speciale è stato fatto da Silicon Labs, che ha dedicato un’intera linea di produzione alla realizzazione di dispositivi human interface, con particolare enfasi ai sensori capaciti (touch sense MCU) per apparecchiature tascabili a basso consumo, touch screen, e sensori ottici di prossimità e di luminosità ambientale. La maggior parte di queste CPU della famiglia C8051Fxx sono equipaggiate con core 8051 opportunamente rivisitato nella tecnologia e nelle prestazioni con alimentazione da 1.8 a 3.6 volt, basso consumo e velocità di calcolo da 25Mpis; il range esteso di temperatura consente lo sviluppo di applicazioni in ambito industriale. Tutti i dispositivi MCU della Silicon Labs sono dotati della porta C2 tramite la quale è possibile il debug e la programmazione del micro in modo veramente efficiente e rapido. A supporto degli specialisti e sperimentatori, esistono varie demo board ed il pacchetto QuickSense™ Studio che consente il facile sviluppo di sistemi come pannelli di controllo touch, interfacce industriali, consolle di gioco, tastiere etc. Per chi vuole invece interfacciare il PC, esistono una serie di prodotti bridge di cui vale la pena ricordare il CP2112, un ponte tra HID USB, ed SMB/I2C Bus che consente di connettersi rapidamente con la maggior parte dei sistemi operativi senza necessità di drivers. Notevole anche il CP2501 “touch screen USB bridge” che consente il collegamento tra un controller touch screen di tipo resistivo/capacitivo con la porta USB del PC in ambiente Windows 7. Il dispositivo è precaricato con firmware, specializzato per la maggior parte degli impieghi previsti dal protocollo HID digitizer class. Il supporto in termini di documentazione, application notes, tools di sviluppo, etc, è davvero esauriente.

ST MICROELECTRONICS

Questa azienda ha puntato, tra l’altro, su controller touch screen di tipo resistivo e capacitivo STMTouch, basati sulle consolidate architetture STM32 ed STM8, presentando nel suo repertorio dispositivi come STM32TS60 basati su ARM Cortex –M3 a 32 bit, architettura RISC, frequenza di operazione 72 Mhz, 32 Kbytes Flash memory e 10 Kbytes SRAM, ricca di dotazioni di periferiche tra cui bus di comunicazione standard ed avanzati come I2C, SPI, USART, e USB. Il dispositivo lavora da 2.4 a 3.6 volt su range esteso di temperatura, per applicazioni a basso consumo. Il package del componente UFBGA144 7 mm x 7 mm è scomodo da utilizzare per esigenze di tipo hobbistico, mentre risulta molto vantaggioso per applicazioni industriali e commerciali. Rimanendo con i piedi sulla terra, vale la pena ricordare l’STM8T14, sensore capacitivo a basso consumo in contenitor a 8 pin. Viene fornita una libreria completa “ST’s touch-sensing”, con codice in formato sorgente per trasformare un qualunque processore della famiglia STM8 in un efficiente controller per tastiera capacitiva.

CONCLUSIONI

Fortunatamente per gli appassionati di elettronica lo scenario delle applicazioni HID è veramente vasto. Mi scuso per le aziende che non sono state citate in questo articolo, ma ci vorrebbero settimane per poterle menzionare tutte; ci rifaremo in un prossimo articolo. I dispositivi di cui abbiamo trattato sono tutti facilmente raggiungibili, almeno come documentazione, attraverso i normali canali internet. I prodotti sono quasi sempre disponibili direttamente dalla casa madre in campionatura, oppure acquistabili con carta di credito sui cataloghi commerciali della Farnell, RS, Dgikey e Mouser. Ci resta solamente la scelta dell’applicazione: la soluzione è a portata di mano più di quanto immaginiate. Spero a questo punto di aver sollecitato il vostro interesse, pertanto vi auguro buona navigazione.

Approfittane ora!

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