看看人家都用树莓派5做了什么产品？

文章作者：Aleksandar Daki?原文地址：
https://magazinmehatronika.com/edatec-ed-hmi3020-070c-hmi-recenzija/Aleksandar Daki?《机电一体化》的杂志主编，同时Aleksandar 也是《机电一体化》杂志的创始人。拥有电气工程背景，并在专业期刊工作多年，他专注于《机电一体化》杂志的重点内容，并推动多项倡议。

ED-HMI3020-070C总分：9.2分

性能: 9分

软件支持: 10分

外围设备和 IO: 10分

做工质量: 8分

价格: 9分

优点

• 许多网络选项 (千兆以太网 PoE、2.4/5 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5.0)
• 软件支持和稳定性在 SBC 领域，是无与伦比的
• 精心设计的扩展板提供了丰富的功能：SSD、用于 RTC 的不间断电源、扬声器和 RS232/485
• 网站上有详细的使用说明

缺点

• 屏幕相对较小，边框较大，且硬度为摩氏硬度 6
• 在满负荷连续运行时需要增加主动冷却

总结

ED-HMI3020-070C HMI 是一款完整的工业 HMI，基于 Raspberry Pi 5 设计，配备了7 英寸十点触控 LCD 屏幕和 RS232/485 通信，已实现千兆以太网、2.4/5 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth LE。丰富的开源和商业软件解决方案及专注的社区为这一 ARM 平台提供了顶尖解决方案。过去,实现工业 HMI 设备曾是少数知名品牌的独家特权。起初出现的是廉价的克隆品,其质量参差不齐,只有爱好者在自用项目中才会采用。不久之后,市场上出现了第一批高性价比的优质型号,其性能完全满足最高标准。但它们的推广受到了一些限制。尽管市场不断推陈出新,但我们仍无法深入了解这些 HMI 设备的硬件和软件。直到开源硬件的大玩家们登场。Raspberry Pi 率先证明了自家平台在工业领域的应用价值,甚至用它实现了自己工厂的控制系统。传统的 PLC 或工业 PC 的选择,如今变成了 PLC、工业 PC 或 SBC 三者并立。我们或许在 2020 年还对 SBC 在工业中的应用持怀疑态度,但如今我们已无需顾虑,只需思考一个问题：您是否意识到一款搭载 Linux 操作系统的 ARM Cortex-A76 四核 2.4 GHz CPU,配备 4GB（或 8GB）LPDDR4X 内存的平台,可以在工业过程控制和监测领域中能够完成多少任务？如果再加上一个 7 英寸 1024x600 分辨率的触摸 LCD 屏和 RS232/485 接口,那就是我们今天要评测的 ED-HMI3020-070C HMI 设备。

ED-HMI3020-070C HMI 硬件

ED-HMI3020-070C 设备以标准纸箱包装,表面贴有标签,内部用硬质海绵很好地固定。除了显示屏,包装中还附有几个螺丝和金属支架,能够方便地安装到面板上。HMI 设备本身十分紧凑,需要接入标准的 Raspberry Pi 或其他 5.1VDC/5A 的高质量 USB 电源供电。由于预装了 Raspberry Pi 32 位桌面操作系统,上电后即可直接使用。尽管该显示屏支持 10 点触控,但并未预装虚拟键盘,因此您需要使用物理键盘和鼠标,至少在初期使用时是如此。我们的型号采用 7 英寸显示屏,但也有 10.1 英寸屏幕版本。两者性能基本一致,只是 7 英寸屏略亮一些,达到 400 cd/m2,对比度为 1:800,最高分辨率为 1024×600,而 10.1 英寸屏的分辨率为 1280×800。两款显示屏响应时间都为 30 ms,可视角度均为 85°。有效显示区域尺寸为 154×86 mm,周围有 1.5 cm 宽的黑色边框,无法用于显示内容。这在工业领域比较普遍,不过确实不如现代手机或平板电脑的屏幕方案。该显示屏表面硬度为 6H 级,容易被刮花,需要注意保护。

显示屏的背面和边缘都由金属外壳保护,外壳周围有2毫米厚的灰色装饰边框。这种金属外壳不仅为显示电子元件提供保护,在日常使用中也不会打开。外壳背面有两个接口连接器,一个用于电源输入,另一个是MIPI DSI 接口。在我们的样机上,没有看到MIPI CSI接口,该接口通常只出现在集成有8MP摄像头的机型上。外壳背面还有Raspberry Pi主板的安装支架,可以用四颗螺丝固定。外壳可以很容易地与显示屏分离,里面是搭载相关电子元件的单板计算机。整个外壳完全由金属制成,侧面有开孔用于空气流通,但没有安装任何风扇。

当我们观察这个金属外壳时,最引人注目的是上面的大块黑色被动式散热片,上面印有 Edatec 的标识。这个散热片完全遮挡住了单板计算机,并通过热界面材料与 CPU、内存和 R1 芯片接触进行散热。外壳上还有用于 MIPI CSI、MIPI DSI 和 PCIe 扁平电缆的接口孔、电池连接器、UART 接口和 PoE 引脚。侧面还有 GPIO 接口,这里用于连接扩展板。由于这个型号的目标应用是工业级 HMI,因此这个 GPIO 接口主要用于连接扩展板的信号。

上海晶珩采用 CNC 加工金属制作了这款开放式被动散热外壳,并将其作为独立产品销售。我们可以将其识别为"Passive Cooling Open CNC Raspberry Pi 5 Case"。

这种外壳由两块金属散热片组成:

上面的散热片与 Edatec ED-HMI3020-070C HMI 使用的散热片完全相同。

下面的散热片完全覆盖有热界面材料,直接贴合在 Raspberry Pi 5 主板的底部,形成夹芯结构。

这两块散热片都是通过四颗长螺丝固定在一起的。该设计不需要额外的风扇,依靠开放环境中的自然对流进行散热。

树莓派5 CNC 开放式散热外壳

我们从之前的测试中知道,自由的空气流通足以保持处理器在工作温度范围内,但我们对这种被动解决方案在完全封闭的机箱中表现如何感到怀疑,因为机箱内还有额外的 SSD。测试结果显示,37 分钟后还是会出现热量限制,温度缓慢上升,最终达到 80°C。因此,会降低工作时钟频率,以阻止温度继续上升,因为在封闭的机箱中,这种温度可能会危及 SSD 和其他电子元件。规定的工作环境温度范围是 -25°C 到 60°C。我们是在 30°C 的环境温度下进行的加热测试。因此我们建议按照HMI外壳上的开口充分排除机柜内的热空气。

在 Raspberry Pi 机箱内部, 还有一个额外的扩展板,可以扩展 Raspberry Pi 5 SBC 本身的通信功能。对于需要快速访问大量数据的应用场景,增加 SSD 驱动器非常重要。这个 SSD 驱动器安装在机箱的底部,隐藏在视线之外。由于 SSD 在工作时自然会发热,而它又没有与机箱底部接触的热界面层,因此其产生的热量会直接散发到空气中,而不会传导到 SBC 主板底部。这款机箱支持安装尺寸为 2242 的 M.2 NVMe SSD,也兼容 2260 和 2230 尺寸的 SSD。但常见的 2280 尺寸由于过长无法安装。根据型号不同,内置的 SSD 容量可以是 128GB 或 256GB,也有不带 SSD 的版本。测试显示,内置的 SSD 质量良好,读写速度分别达到 469MB/s 和 404MB/s,在 PCIe Gen3 模式下读取速度甚至高达 890MB/s,访问延迟为 0.05ms。不过,在工业环境中是否应该完全发挥这种极高的硬件性能,这需要项目团队在每个现场进行权衡。机箱右侧还有一个黑色的塑料盒,内装有一个 4Ω 3W 的扬声器。在我们的样品中,在音频播放过程中,这个扬声器一直存在劈啪声。我们无法确定是硬件质量问题,还是某些线缆或连接器出现了问题。

ED-HMI3020-070C 内部

在这个扩展板上还焊接了一个以太网供电(PoE)模块,除此之外还提供了以下功能:

• 额外的蜂鸣器
• 音频输入和输出接口
• 工业级 RS232 和 RS485 连接接口

所有这些信号接口都引出到了机箱背面。在扩展板上还添加了一个超级电容(SuperCAP)以及 CR1220 备用电池支持,以确保即使主机供电断开,实时时钟(RTC)和系统时钟也能持续供电保持稳定。

在机箱的左侧面从左到右依次排布有以下元件:

• 4个指示灯:一个可编程的绿色ACT指示灯、一个红色PWR电源指示灯(当HMI开机时亮起)、两个用于可视化UART通信的绿色COM1和COM2指示灯。
• 两个3.5mm立体声音频接口,一个用于音频输入,一个用于音频输出。
• 一个组合式RS232/RS485接口,带有120Ω的终端电阻,使用Phoenix端子连接。

ED-HMI3020-070C HMI设备只有一组RS232/RS485接口,这对于HMI设备的使用已经足够了。如果需要更多的通信接口和线路,可以考虑选择上海晶珩的 CM4 Industrial 设备,它具有更多的端口和通信接口,但没有内置显示屏。

之前提到的那些连接器都是通过扩展板实现的。接下来介绍的是Raspberry Pi 5主板本身的连接器:

• 两个USB-A 2.0接口,传输速度为40/3.3MB/s
• 两个USB-A 3.0接口,传输速度为394/322MB/s
• 一个千兆以太网PoE接口

除此之外,Raspberry Pi 5以及这个HMI设备还集成了2.4GHz/5GHz Wi-Fi和5.0 Bluetooth LE,这使得它非常适合用于边缘计算应用,可以无缝接入有线或无线网络。在Raspberry Pi 5主板的另一侧,有两个micro HDMI接口和一个USB-C电源接口。micro HDMI接口可以输出4K 60Hz的高清视频,因此可以连接两个大尺寸的信息显示屏,可以在这两个4K屏上单独显示桌面或者分屏显示。不过micro HDMI接口的物理结构比较脆弱,且排布也比较紧凑,这在实际使用中可能会带来一些不便。ED-HMI3020-070C HMI 端口在Raspberry Pi 5主板上还有一个microSD卡槽,用于插入存储卡。我们在测试microSD卡的速度时,使用了Flexxon FxAdv II嵌入式计算机和Raspberry Pi专用的microSD卡,它在我们的测试中表现出色,具有出色的读写速度和安全特性。读取速度达到93.3MB/s,写入速度达到40MB/s,访问延迟仅0.42ms。紧挨着microSD卡槽,还有一个用于开/关按钮的开口。这个按钮终于在Raspberry Pi 5型号上集成到主板上了,需要使用尖头物品才能触发,避免了意外触发的问题。
在工业环境中,设备必须正确接地,这一点上海晶珩在设计这款HMI设备时是已经考虑到的。他们在金属外壳上专门设计了一个接地触点,这有效解决了静电问题,确保了这款触摸屏HMI设备的可靠性和安全性。

ED-HMI3020-070C HMI 软件

这款HMI设备的核心是基于Raspberry Pi 5单板计算机。因此,预装的操作系统应该是Raspberry Pi OS,可以选择32位或64位版本,桌面或服务器版本。最佳选择是下载64位版本的Raspberry Pi OS桌面版,基于Debian 12(bookworm),这可以最好地发挥ED-HMI3020-070C HMI的硬件性能。不过,在安装原版Raspberry Pi OS之后,还需要额外添加驱动程序,以支持HMI设备扩展卡的所有功能。这个定制过程可以通过上海晶珩的网站上提供的详细说明和脚本来完成。使用官方的Raspberry Pi OS有两大好处:一是能确保系统始终保持最新,二是可以充分利用为Raspberry Pi设计的大量应用程序和软件包。32位版本还能向后兼容更多旧版应用程序。因此"Powered by Raspberry Pi"这个标识对于这款HMI产品来说非常重要和恰当。

在工业应用方面,除了可以编写自定义应用程序之外,还可以使用一些优秀的付费和免费软件包。FUXA是一款开源的SCADA系统,非常适合在这个平台上使用。还应该考虑使用openPLC作为SBC控制软件包,用于编写标准的梯形图程序,以及Node-RED这个低代码编程工具。在智能家居领域,最常用的是Home Assistant Supervised系统,它拥有大量针对不同网络设备的现成模块。

结论ED-HMI3020-070C HMI是一款集开放软硬件于一体的产品,采用了现代SBC技术、强大的ARM处理器内核,并具有人工智能神经网络的应用潜力,为工业控制带来了新的可能。Raspberry Pi平台已经在机械和过程自动化领域得到广泛认可和认证。其出色的软件支持,从早期开发到现在保持了很好的向下兼容性,催生了大量免费和商业的管理及可视化工具,成为行业标准。将工业通信标准集成到这个平台上,不仅带来了出色的性能,还确保了安全性和可靠性,使其完全融入到生产过程中。除了基于Raspberry Pi 4的工业PC产品线,上海晶珩还推出了基于更强大、更现代的Raspberry Pi 5平台的HMI设备。ED-HMI3020-070C HMI产品集开放、现代、强大的硬件和软件于一体,为工业自动化领域提供了全新的解决方案。

ED-HMI3020-070C HMI设备的价格在200美元到300美元之间,根据内存容量、集成SSD的大小以及触摸屏尺寸的不同而有所差异。与同类产品相比,其性能和可靠性明显更优。这个硬件平台得到了开源社区和商业生产商的广泛支持。比如 CODESYS 提供的"Codesys control for Raspberry Pi"软件,使这个平台与传统的工业自动化和过程控制硬件产品相比肩。除了工业自动化,这种基于Raspberry Pi的HMI设备也广泛应用于智能建筑、精准农业、监测和检测等领域,以及嵌入式和边缘计算解决方案。