エンタープライズコネクティビティにおける低消費電力HMIのためのLED、電子ペーパー、ジェスチャ認識の組み合わせ方法について

ヒューマンマシンインターフェース（HMI）は、インダストリ4.0のオートメーションやプロセス制御、自動車や医療システムなど、産業用モノのインターネット（IIoT）のエンタープライズコネクティビティを支える重要な要素となっています。HMIは、拡張現実ゴーグルからタッチスクリーン、シンプルなビジュアルインジケータまでさまざまです。AR（拡張現実）ゴーグルは多くの見出しを飾り、タッチスクリーンは多くの機能をもたらしますが、シンプルで低コスト、小型で低消費電力のビジュアルインジケータや制御が増え続けるエッジデバイスに求められています。

設計者は、LEDドットマトリックスや電子ペーパー（e-paper）ディスプレイ（EPD）と、ジェスチャ認識や近接センサの赤外線（IR）光角度センサ制御を組み合わせることで、インダストリ4.0のIIoTエッジノードや企業、医療、自動車のさまざまなアプリケーションで、低消費電力、低コスト、高機能なHMIを実現できます。

この記事では、まず英数字やドットマトリックスのLEDディスプレイやEPDの動作、機能を説明してから、赤外光角度センサICのジェスチャ認識や近接センシングへの活用について詳しく紹介します。その後、 Broadcom と Lumexの代表的なLEDディスプレイ、 E InkのEPD、 Pervasive DisplaysのEPD開発プラットフォーム、 Analog Devices のジェスチャ認識用IRセンシングICを紹介し、高性能で低消費電力の小型HMIの設計と統合プロセスを加速する開発プラットフォームも紹介します。

英数字表示LED

パラレルおよびシリアルデータ入力に対応し、文字数、サイズ、表示幅を選べる英数字表示LEDディスプレイを用意しました。各文字は5 x 7ピクセルアレイで構成され、通常は赤や緑などの単一色のLEDが使用されます。これらのディスプレイは、ASCII（American Standard Code for Information Interchange）文字、ASCII文字セットでエンコードできるISO 15924日本語カタカナ文字セットなどの文字セットや、国別文字、特殊なユースケースのユーザー定義のカスタム文字などを組み込んでいます（図1）。また、昼の光でも読み取ることができ、環境にも配慮した堅牢な製品です。

図1：5 x 7ピクセルの英数字表示LEDディスプレイで表示されるASCII文字セット。（画像提供：Broadcom）

ビジュアルLEDディスプレイ

LEDドットマトリクスディスプレイは、LEDをマトリクス状に配置することで、個々の文字を表示するのではなく、グラフィックを表示します。また、標準的なASCIIやカタカナなどのテキストフォーマットも表示可能です。性能的には、前述のドットマトリクスディスプレイとビデオLEDディスプレイの中間に位置します。サイズも豊富で、赤、緑などの単色表示または赤、緑、青（RGB）のマルチカラー表示も可能です。しかし、ビデオディスプレイに比べ、色数が少なく、リフレッシュレートも遅いのが一般的です（図2）。LEDは通常、格子状に配置され、LEDのマイナス端子またはプラス端子は共通の回路ノードとして接続されています。I2C、8ビットパラレル、シリーズなどのインターフェースで動作するビジュアルLEDディスプレイが利用可能です。マイクロコントローラユニット（MCU）を搭載したものや、システムプロセッサを使用するものなどがあります。

図2：RGB LEDディスプレイのカラーパレットの例。（画像提供：Lumex）

電子ペーパーおよび動作原理について

LEDの場合、点灯し続けている間は連続した駆動電流が必要ですが、電子ペーパーは連続駆動を必要としない双安定技術であり、極めて低消費電力にすることが可能です。低消費電力が優先され、リフレッシュレートが低く、フルカラーが必要ない場合、電子ペーパーディスプレイ（EPD）は、LEDや液晶ディスプレイ（LCD）に代わる有効な選択肢となります。EPDに画像を表示するのに必要な電力はごくわずかで、一度表示された画像を保持するための電力は必要ありません。EPDには、インクと紙のようなコントラストがあります。白黒のものが多い中、赤など別の色を加えるものもあります。

EPDは、薄膜トランジスタ（TFT）技術と電子インクの層を組み合わせたものです。インクは、帯電した顔料粒子を含む数百万個の小さなカプセルでできています。インクは2つの電極の間にあります（図3）。TFTマトリックスに必要な駆動を加えることで、顔料粒子が精細な画像を作りだします。一度移動した顔料粒子は、電力をかけずにその場所に留まります。EPDを駆動するには、少しコツがいります。フロントパネルラミネート（FPL）はロットごとに微妙に異なるため、駆動波形を手動で調整する必要があります。また、動作温度によっては駆動波形を変える必要があります。

図3：電子インクは、帯電した顔料粒子を含む数百万個の小さなカプセルを2つの電極の間に配置したものです。（画像提供：Pervasive Displays）

ジェスチャ認識

LEDやEPDは、システムのユーザーやオペレータに情報を提供することができます。それは、完全なHMIの導入の半分に過ぎません。また、ユーザーやオペレータは、システムに入力や制御信号を供給する機能も必要です。アプリケーションによっては、近接センサがオペレータの存在をシステムに知らせ、ディスプレイが自動的に点灯してステータス情報を提供するものもあります。これはステータス情報を送るには便利ですが、機器に入力やコマンドを送る仕組みにはなっていません。従来のキーボードやスイッチなどの機構を利用することも可能ですが、比較的大型で消費電力の大きいソリューションになる可能性があります。そこで設計者は、近接センサで手の動きやパターンを検知し、コマンドに変換するジェスチャ認識インターフェースを利用することができます。ジェスチャ認識は、周囲の雑音や環境音によって音声認識を使うことが難しい、騒がしい環境では特に有効です。基本的なジェスチャ認識を実装するためには、次の3つのアクティビティが必要です。

• ジェスチャの始まりと終わりを認識する
• ジェスチャ中の手の動きを追跡する
• 最初の2ステップの情報を使って、ジェスチャを理解する

ジェスチャ認識開発プラットフォーム

ジェスチャ認識システムを開発するには、設計者はAnalog Devicesの ADPD2140 IR光角度センサをベースにした EVAL-CN0569-PDZ リファレンスデザインを利用することができます。回路から赤外線パルス列を照射し、その反射光をセンサがとらえます。この設計では、基板から最大約20センチメートル（cm）離れたところまでのジェスチャセンシングに対応しています。最大512サンプル/秒のサンプルレートにより、設計者はアプリケーションや環境に最適なノイズ除去や応答時間の調整を行うことができます。また、ADPD2140は精密なアライメントを必要とせず、±35°の視野角の中でリニアな応答をすることも特筆すべき点です（図4）。ADPD2140パッケージ内の統合型光学フィルタは、可視光をシャープにカットするため、明るい室内照明や太陽光の下でセンサのダイナミックレンジを維持しながら、外部レンズやフィルタが不要になり、システム設計がさらに簡単になります。

図4：ADPD2140 IR光角度センサは、±35°の視野角内でリニアな応答を示します。（画像提供：Analog Devices）

英数字表示LEDディスプレイ

明るく堅牢な英数字LEDディスプレイを必要とするアプリケーションでは、Broadcom の パラレルインターフェースまたは シリアルインターフェースを備えた設計を利用することができます。パラレルインターフェースを持つディスプレイは、4文字または8文字を使用することができます（図5）。緑色LEDを搭載した8文字、5mmサイズの HDSP-2533 や高効率赤色LEDを搭載した4文字、3.7mmサイズの HDLU-1414 など、複数のパッケージスタイルや色、サイズも豊富に取り揃えています（いずれもプラスチックパッケージ）。また、堅牢なガラス/セラミックパッケージに黄色LEDを搭載した8文字、5mm、 HDSP-2131 もあります。いずれにもASICドライバを内蔵しているため、設計の手間が省けます。これらのパラレルインターフェースディスプレイの特徴は以下の通りです。

• データ用の7～8本のバスライン
• プログラム可能ROMに格納された128文字のASCII文字と16文字のユーザ定義文字を含むキャラクタマップ
• 個別文字点滅および全文字点滅
• スクロール機能
• 8段階の輝度レベル
• x方向、y方向にスタック可能なため、より大きなディスプレイのニーズに対応可能

図5：パラレルインターフェース搭載の英数字表示LEDディスプレイは、4文字または8文字を使用することができます。（画像提供：DigiKey）

Broadcomは、プラスチックパッケージの8文字、5mmの緑色対応 HCMS-3977 、8文字、3.8mmの赤色対応 HCMS-2912など、4、8、16文字のシリアルインタフェースLED英数字表示ディスプレイと、拡張温度範囲のガラス/セラミックパッケージの4文字、0.2インチ黄緑色対応 HCMS-2333 を提供します。これらのシリアルLEDディスプレイの特徴は以下の通りです。

• 128 ASCII、ISO 15924日本語カタカナ文字、カスタムフォント
• 最小限のデータラインで多文字表示に対応するシリアルインターフェース
• MCUとの直接インターフェースが可能なためシステム設計が容易
• 機器待機時のスリープモード
• 64段階の輝度レベル
• x方向、y方向へのスタックが可能なため文字数の多いディスプレイにも対応。

LEDドットマトリクスディスプレイ

より複雑な情報を表示するためにビジュアルLEDディスプレイが必要なアプリケーションでは、設計者はLumex Optoの LDM-6432-P3-UR-1 を使用することができます。この64 x 32ピクセルのRGBディスプレイは、LEDのピッチが3mmです（図6）。このディスプレイには、UARTインターフェース、1.5Aカレントプロテクタ付きUSBパワーソケット、BLE 4.0モジュールが搭載されています。開発者はパソコンを使用して表示ソフトを開発することができます。特長は次の通りです。

• HEXまたはArduinoのATコマンドが扱えます。
• 内蔵のフォントと基本図形
• キャラクタモードとグラフィックモードが混在した状態での動作が可能
• 複数のディスプレイモジュールを積み重ねることで、より大きなディスプレイを実現可能
• あらゆるMCUと統合可能
• ドライバやライブラリは不要
• アニメーション表示可能
• 要望に応じて、さまざまな言語に対応可能

図6：この64 x 32ピクセルのRGB LEDディスプレイは、より複雑な情報を提示するために使用することができます。（画像提供：Lumex Opto）

電子ペーパーディスプレイおよび開発ボード

EPDのメリットが得られるアプリケーションは、E Inkの ED078KC2 を利用することができます。これは、アクティブマトリックスTFT基板に反射型電気泳動EPDモジュールを搭載したものです。アクティブエリアは7.8インチで、1404 x 1872ピクセルです。このEPDは、コントローラによって、最大16段階のグレーを表示することができます（図7）。

Pervasive Displaysは、このEPDをシステムに組み込むためのEPD拡張ボード B3000MS044、ext3、 B3000MS037、ext3 giantを提供しています。基本的なext3キットは、1.54インチから12インチのEPDを駆動することができます。9.7インチから12インチまでの大型EPDでは、ext3 giantも必要です。この開発プラットフォームには、EPDアプリケーションの開発を容易にするため、駆動回路が搭載されています。さらに、Pervasive Displaysは、拡張オプション、複数のオープンソースドライブコード、デザインリソース、グラフィックおよびインタラクティブ機能のための開発ライブラリを提供します。

図7：この双安定型EPDは、7.8インチのアクティブエリアに1404×1872ピクセルを持ち、非常に低い消費電力が特徴です。（画像提供：DigiKey）

まとめ

HMIを必要とするIIoTエッジデバイスは、コンパクトで低消費電力のさまざまな技術から恩恵を受けることができます。ジェスチャ認識は、厳しい環境下でもコマンドを渡したり、コントロールを行う方法を提供します。英数字表示LEDディスプレイは頑丈で、高輝度環境でも見ることができ、スタックしてより大きな情報ニーズに対応することができます。LEDドットマトリクスディスプレイとEPDは、より複雑な情報を表示することができます。LEDドットマトリックスではRGBのカラー表示やアニメーションが、EPDではハイコントラストのグレイスケール表示が可能で、消費電力が少ないのが特徴です。