处理器升级与功能融合，带来HMI设计更多可能

身处智能时代，我们每天都会和HMI打交道。HMI作为人与机器之间传递和交换信息的媒介和对话接口，一般嵌入在机器上，然后使用者通过HMI来控制和监视机器的运作。在HMI的硬件上，有许多模块，包括处理器、显示单元、输入单元、通信接口以及数据存储单元。其中，处理器的性能很大程度上决定了HMI整体的性能。
 

 
图源：TI

 
HMI处理器挑战
 
现在可以看到的，除了数据收集、控制和显示等传统的功能之外，飞速发展的HMI在很多应用场景下展示出更加智能和友好的交互，可以实现例如手势识别、面部识别等更高级的交互行为。这无疑对处理器的处理性能提出了更高的要求。这种更智能的功能依赖于边缘人工智能，需要考虑边缘AI应用开发的工作量以及处理器的性能。
 
另一方面，HMI需要与其他设备进行通信，例如在家居安防应用里，HMI与低于1 GHz的私有网络以及2.4 GHz通用标准网络（BLE、Wi-Fi）进行无线通信；而在工业场景里，现场设备和传感器以及新兴的实时工业通信协议数量也在不断增加，而且此类通信还需要极低的延迟。这种通信协议的增加给HMI也带了不少挑战。
 

 
高级HMI设计，NXP

 
还有一点则是我们老生常谈的话题——功耗。在单个芯片上实现各类外设的高度集成肯定会影响器件功耗，尤其是在边缘AI功能完全启用的情况下，如何在性能和功耗上取得平衡，实现更高效的设计同样并不容易。
 
HMI微处理器如何兼顾AI、性能和功耗？
 
HMI应用的微处理器会经过上电测试来模拟关键应用的全天候运行，确保器件的精度、性能和功耗。在HMI智能化发展需求与日俱增的现在，HMI处理器会与微控制器和接口外设相结合，符合使用场景温度等级要求和噪声环境弹性要求。
 
 

 
TI

 
现在HMI应用的处理器一般会采用具有多个工业外设的低功耗设计，TI最近发布的Sitara AM62x系列处理器就添加了高能效边缘AI 处理功能。AM62x 系列应用处理器具有可扩展的Arm Cortex-A53性能和嵌入式功能。嵌入式系统无疑推动了单个SoC更高水平的集成，但高水平的集成导致更高的功耗，增加热系统成本，降低性能和降低电池寿命。为了克服这一弊端，SoC在嵌入目标系统前就已经根据不同程序进行了定义、架构和设计，为SoC配置正确的操作设置以获得更好的性能和功率。
 
就单个处理器来说，AM62x系列低功耗设计比上一代低30%以上的内核电压，能降低50%以上的系统功耗并实现更高的性能。应用在高级HMI中的NXP i.MX 8M Nano同样看重低功耗下的高性能处理，i.MX 8M Nano由Cortex-M7内核驱动的实时处理域通过Cortex-A内核卸载任务、优化系统级任务功耗，由此来进一步降低整体功耗。NXP i.MX 8应用处理器一直是NXP EdgeVerse边缘计算平台的一部分，在边缘AI开发上同样能节省大量时间。
 
在超高性能内核以及功耗优化的加持下，HMI处理器还有一个要考虑的地方，就是多连接。片上资源诸如UART、SPI和 I2C，这些可为常见的工业传感器或控制器提供各种连接选项，是HMI处理器必需的。像AM62x系列还会提供双以太网支持，并可提供由第三方生态支持的 EtherCAT主站功能；i.MX 8系列也有大量外围设备支持系统级连接，例如USB、MMC/SD、摄像头接口、OSPI、CAN-FD和GPMC。
 
HMI与处理器共同发展
 
HMI系统的可用性取决于其处理能力、呈现复杂和类似现实的屏幕的能力、对用户输入的快速响应时间以及其处理不同级别的操作员交互的灵活性。HMI需要动态改变图形，这反过来又需要一个高性能的解决方案可以支持不同分辨率和显示器的高刷新率。它们还必须支持多种连接和通信协议，以便在操作员与许多机器和控制系统之间进行通信。
 
在处理器往高性能、高集成以及低功耗发展的路上，HMI设计出现了更多的可能，随着AI和语音识别、手势识别等更多功能的加入，HMI的人机交互方式正在发生巨大的改变。