文章作者：Aleksandar Daki?原文地址：
https://magazinmehatronika.com/edatec-ed-hmi3020-070c-hmi-recenzija/Aleksandar Daki?《機電一體化》的雜志主編，同時Aleksandar 也是《機電一體化》雜志的創始人。擁有電氣工程背景，并在專業期刊工作多年，他專注于《機電一體化》雜志的重點內容，并推動多項倡議。

ED-HMI3020-070C總分：9.2分

性能: 9分

軟件支持: 10分

外圍設備和 IO: 10分

做工質量: 8分

價格: 9分

優點

• 許多網絡選項 (千兆以太網 PoE、2.4/5 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5.0)
• 軟件支持和穩定性在 SBC 領域，是無與倫比的
• 精心設計的擴展板提供了豐富的功能：SSD、用于 RTC 的不間斷電源、揚聲器和 RS232/485
• 網站上有詳細的使用說明

缺點

• 屏幕相對較小，邊框較大，且硬度為摩氏硬度 6
• 在滿負荷連續運行時需要增加主動冷卻

總結

ED-HMI3020-070C HMI 是一款完整的工業 HMI，基于 Raspberry Pi 5 設計，配備了7 英寸十點觸控 LCD 屏幕和 RS232/485 通信，已實現千兆以太網、2.4/5 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth LE。豐富的開源和商業軟件解決方案及專注的社區為這一 ARM 平臺提供了頂尖解決方案。過去,實現工業 HMI 設備曾是少數知名品牌的獨家特權。起初出現的是廉價的克隆品,其質量參差不齊,只有愛好者在自用項目中才會采用。不久之后,市場上出現了第一批高性價比的優質型號,其性能完全滿足最高標準。但它們的推廣受到了一些限制。盡管市場不斷推陳出新,但我們仍無法深入了解這些 HMI 設備的硬件和軟件。直到開源硬件的大玩家們登場。Raspberry Pi 率先證明了自家平臺在工業領域的應用價值,甚至用它實現了自己工廠的控制系統。傳統的 PLC 或工業 PC 的選擇,如今變成了 PLC、工業 PC 或 SBC 三者并立。我們或許在 2020 年還對 SBC 在工業中的應用持懷疑態度,但如今我們已無需顧慮,只需思考一個問題：您是否意識到一款搭載 Linux 操作系統的 ARM Cortex-A76 四核 2.4 GHz CPU,配備 4GB（或 8GB）LPDDR4X 內存的平臺,可以在工業過程控制和監測領域中能夠完成多少任務？如果再加上一個 7 英寸 1024x600 分辨率的觸摸 LCD 屏和 RS232/485 接口,那就是我們今天要評測的 ED-HMI3020-070C HMI 設備。

ED-HMI3020-070C HMI 硬件

ED-HMI3020-070C 設備以標準紙箱包裝,表面貼有標簽,內部用硬質海綿很好地固定。除了顯示屏,包裝中還附有幾個螺絲和金屬支架,能夠方便地安裝到面板上。HMI 設備本身十分緊湊,需要接入標準的 Raspberry Pi 或其他 5.1VDC/5A 的高質量 USB 電源供電。由于預裝了 Raspberry Pi 32 位桌面操作系統,上電后即可直接使用。盡管該顯示屏支持 10 點觸控,但并未預裝虛擬鍵盤,因此您需要使用物理鍵盤和鼠標,至少在初期使用時是如此。我們的型號采用 7 英寸顯示屏,但也有 10.1 英寸屏幕版本。兩者性能基本一致,只是 7 英寸屏略亮一些,達到 400 cd/m2,對比度為 1:800,最高分辨率為 1024×600,而 10.1 英寸屏的分辨率為 1280×800。兩款顯示屏響應時間都為 30 ms,可視角度均為 85°。有效顯示區域尺寸為 154×86 mm,周圍有 1.5 cm 寬的黑色邊框,無法用于顯示內容。這在工業領域比較普遍,不過確實不如現代手機或平板電腦的屏幕方案。該顯示屏表面硬度為 6H 級,容易被刮花,需要注意保護。

顯示屏的背面和邊緣都由金屬外殼保護,外殼周圍有2毫米厚的灰色裝飾邊框。這種金屬外殼不僅為顯示電子元件提供保護,在日常使用中也不會打開。外殼背面有兩個接口連接器,一個用于電源輸入,另一個是MIPI DSI 接口。在我們的樣機上,沒有看到MIPI CSI接口,該接口通常只出現在集成有8MP攝像頭的機型上。外殼背面還有Raspberry Pi主板的安裝支架,可以用四顆螺絲固定。外殼可以很容易地與顯示屏分離,里面是搭載相關電子元件的單板計算機。整個外殼完全由金屬制成,側面有開孔用于空氣流通,但沒有安裝任何風扇。

當我們觀察這個金屬外殼時,最引人注目的是上面的大塊黑色被動式散熱片,上面印有 Edatec 的標識。這個散熱片完全遮擋住了單板計算機,并通過熱界面材料與 CPU、內存和 R1 芯片接觸進行散熱。外殼上還有用于 MIPI CSI、MIPI DSI 和 PCIe 扁平電纜的接口孔、電池連接器、UART 接口和 PoE 引腳。側面還有 GPIO 接口,這里用于連接擴展板。由于這個型號的目標應用是工業級 HMI,因此這個 GPIO 接口主要用于連接擴展板的信號。

上海晶珩采用 CNC 加工金屬制作了這款開放式被動散熱外殼,并將其作為獨立產品銷售。我們可以將其識別為"Passive Cooling Open CNC Raspberry Pi 5 Case"。

這種外殼由兩塊金屬散熱片組成:

上面的散熱片與 Edatec ED-HMI3020-070C HMI 使用的散熱片完全相同。

下面的散熱片完全覆蓋有熱界面材料,直接貼合在 Raspberry Pi 5 主板的底部,形成夾芯結構。

這兩塊散熱片都是通過四顆長螺絲固定在一起的。該設計不需要額外的風扇,依靠開放環境中的自然對流進行散熱。

樹莓派5 CNC 開放式散熱外殼

我們從之前的測試中知道,自由的空氣流通足以保持處理器在工作溫度范圍內,但我們對這種被動解決方案在完全封閉的機箱中表現如何感到懷疑,因為機箱內還有額外的 SSD。測試結果顯示,37 分鐘后還是會出現熱量限制,溫度緩慢上升,最終達到 80°C。因此,會降低工作時鐘頻率,以阻止溫度繼續上升,因為在封閉的機箱中,這種溫度可能會危及 SSD 和其他電子元件。規定的工作環境溫度范圍是 -25°C 到 60°C。我們是在 30°C 的環境溫度下進行的加熱測試。因此我們建議按照HMI外殼上的開口充分排除機柜內的熱空氣。

在 Raspberry Pi 機箱內部, 還有一個額外的擴展板,可以擴展 Raspberry Pi 5 SBC 本身的通信功能。對于需要快速訪問大量數據的應用場景,增加 SSD 驅動器非常重要。這個 SSD 驅動器安裝在機箱的底部,隱藏在視線之外。由于 SSD 在工作時自然會發熱,而它又沒有與機箱底部接觸的熱界面層,因此其產生的熱量會直接散發到空氣中,而不會傳導到 SBC 主板底部。這款機箱支持安裝尺寸為 2242 的 M.2 NVMe SSD,也兼容 2260 和 2230 尺寸的 SSD。但常見的 2280 尺寸由于過長無法安裝。根據型號不同,內置的 SSD 容量可以是 128GB 或 256GB,也有不帶 SSD 的版本。測試顯示,內置的 SSD 質量良好,讀寫速度分別達到 469MB/s 和 404MB/s,在 PCIe Gen3 模式下讀取速度甚至高達 890MB/s,訪問延遲為 0.05ms。不過,在工業環境中是否應該完全發揮這種極高的硬件性能,這需要項目團隊在每個現場進行權衡。機箱右側還有一個黑色的塑料盒,內裝有一個 4Ω 3W 的揚聲器。在我們的樣品中,在音頻播放過程中,這個揚聲器一直存在劈啪聲。我們無法確定是硬件質量問題,還是某些線纜或連接器出現了問題。

ED-HMI3020-070C 內部

在這個擴展板上還焊接了一個以太網供電(PoE)模塊,除此之外還提供了以下功能:

• 額外的蜂鳴器
• 音頻輸入和輸出接口
• 工業級 RS232 和 RS485 連接接口

所有這些信號接口都引出到了機箱背面。在擴展板上還添加了一個超級電容(SuperCAP)以及 CR1220 備用電池支持,以確保即使主機供電斷開,實時時鐘(RTC)和系統時鐘也能持續供電保持穩定。

在機箱的左側面從左到右依次排布有以下元件:

• 4個指示燈:一個可編程的綠色ACT指示燈、一個紅色PWR電源指示燈(當HMI開機時亮起)、兩個用于可視化UART通信的綠色COM1和COM2指示燈。
• 兩個3.5mm立體聲音頻接口,一個用于音頻輸入,一個用于音頻輸出。
• 一個組合式RS232/RS485接口,帶有120Ω的終端電阻,使用Phoenix端子連接。

ED-HMI3020-070C HMI設備只有一組RS232/RS485接口,這對于HMI設備的使用已經足夠了。如果需要更多的通信接口和線路,可以考慮選擇上海晶珩的 CM4 Industrial 設備,它具有更多的端口和通信接口,但沒有內置顯示屏。

之前提到的那些連接器都是通過擴展板實現的。接下來介紹的是Raspberry Pi 5主板本身的連接器:

• 兩個USB-A 2.0接口,傳輸速度為40/3.3MB/s
• 兩個USB-A 3.0接口,傳輸速度為394/322MB/s
• 一個千兆以太網PoE接口

除此之外,Raspberry Pi 5以及這個HMI設備還集成了2.4GHz/5GHz Wi-Fi和5.0 Bluetooth LE,這使得它非常適合用于邊緣計算應用,可以無縫接入有線或無線網絡。在Raspberry Pi 5主板的另一側,有兩個micro HDMI接口和一個USB-C電源接口。micro HDMI接口可以輸出4K 60Hz的高清視頻,因此可以連接兩個大尺寸的信息顯示屏,可以在這兩個4K屏上單獨顯示桌面或者分屏顯示。不過micro HDMI接口的物理結構比較脆弱,且排布也比較緊湊,這在實際使用中可能會帶來一些不便。ED-HMI3020-070C HMI 端口在Raspberry Pi 5主板上還有一個microSD卡槽,用于插入存儲卡。我們在測試microSD卡的速度時,使用了Flexxon FxAdv II嵌入式計算機和Raspberry Pi專用的microSD卡,它在我們的測試中表現出色,具有出色的讀寫速度和安全特性。讀取速度達到93.3MB/s,寫入速度達到40MB/s,訪問延遲僅0.42ms。緊挨著microSD卡槽,還有一個用于開/關按鈕的開口。這個按鈕終于在Raspberry Pi 5型號上集成到主板上了,需要使用尖頭物品才能觸發,避免了意外觸發的問題。
在工業環境中,設備必須正確接地,這一點上海晶珩在設計這款HMI設備時是已經考慮到的。他們在金屬外殼上專門設計了一個接地觸點,這有效解決了靜電問題,確保了這款觸摸屏HMI設備的可靠性和安全性。

ED-HMI3020-070C HMI 軟件

這款HMI設備的核心是基于Raspberry Pi 5單板計算機。因此,預裝的操作系統應該是Raspberry Pi OS,可以選擇32位或64位版本,桌面或服務器版本。最佳選擇是下載64位版本的Raspberry Pi OS桌面版,基于Debian 12(bookworm),這可以最好地發揮ED-HMI3020-070C HMI的硬件性能。不過,在安裝原版Raspberry Pi OS之后,還需要額外添加驅動程序,以支持HMI設備擴展卡的所有功能。這個定制過程可以通過上海晶珩的網站上提供的詳細說明和腳本來完成。使用官方的Raspberry Pi OS有兩大好處:一是能確保系統始終保持最新,二是可以充分利用為Raspberry Pi設計的大量應用程序和軟件包。32位版本還能向后兼容更多舊版應用程序。因此"Powered by Raspberry Pi"這個標識對于這款HMI產品來說非常重要和恰當。

在工業應用方面,除了可以編寫自定義應用程序之外,還可以使用一些優秀的付費和免費軟件包。FUXA是一款開源的SCADA系統,非常適合在這個平臺上使用。還應該考慮使用openPLC作為SBC控制軟件包,用于編寫標準的梯形圖程序,以及Node-RED這個低代碼編程工具。在智能家居領域,最常用的是Home Assistant Supervised系統,它擁有大量針對不同網絡設備的現成模塊。

結論ED-HMI3020-070C HMI是一款集開放軟硬件于一體的產品,采用了現代SBC技術、強大的ARM處理器內核,并具有人工智能神經網絡的應用潛力,為工業控制帶來了新的可能。Raspberry Pi平臺已經在機械和過程自動化領域得到廣泛認可和認證。其出色的軟件支持,從早期開發到現在保持了很好的向下兼容性,催生了大量免費和商業的管理及可視化工具,成為行業標準。將工業通信標準集成到這個平臺上,不僅帶來了出色的性能,還確保了安全性和可靠性,使其完全融入到生產過程中。除了基于Raspberry Pi 4的工業PC產品線,上海晶珩還推出了基于更強大、更現代的Raspberry Pi 5平臺的HMI設備。ED-HMI3020-070C HMI產品集開放、現代、強大的硬件和軟件于一體,為工業自動化領域提供了全新的解決方案。

ED-HMI3020-070C HMI設備的價格在200美元到300美元之間,根據內存容量、集成SSD的大小以及觸摸屏尺寸的不同而有所差異。與同類產品相比,其性能和可靠性明顯更優。這個硬件平臺得到了開源社區和商業生產商的廣泛支持。比如 CODESYS 提供的"Codesys control for Raspberry Pi"軟件,使這個平臺與傳統的工業自動化和過程控制硬件產品相比肩。除了工業自動化,這種基于Raspberry Pi的HMI設備也廣泛應用于智能建筑、精準農業、監測和檢測等領域,以及嵌入式和邊緣計算解決方案。