探索树莓派5驱动的ED-HMI3020-070C工业HMI产品

性能评测
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

  • 提供多种网络选项，包括千兆以太网 PoE、2.4/5 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5.0。
  • 在单板计算机（SBC）领域，软件支持和稳定性无与伦比。
  • 设计精良的扩展板，具备丰富功能，包括SSD、不间断电源（RTC）、扬声器以及RS232/485接口。
  • 网站提供详尽的使用说明。

缺点

  • 屏幕相对较小，边框宽大，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，基于树莓派5设计，配备7英寸十点触控LCD屏幕和RS232/485通信接口，支持千兆以太网、2.4/5 GHz Wi-Fi和Bluetooth LE。多样的开源和商业软件解决方案，以及专注的社区为这一ARM平台提供了卓越的支持。过去，工业HMI设备多由知名品牌主导，廉价克隆品质量不一，主要用于个人项目。随着市场的发展，出现了一些高性价比的优质型号，逐渐满足了工业标准。尽管市场不断变化，我们仍需深入了解这些HMI设备的硬件和软件。树莓派作为开源硬件的先锋，展示了其在工业领域的应用潜力，甚至实现了自家工厂的控制系统。如今，PLC和工业PC的选择已不再单一，SBC的崛起也为工业应用带来了新的思路。

ED-HMI3020-070C HMI 硬件
ED-HMI3020-070C设备以标准纸箱包装，内部用硬质海绵固定，确保安全。除了显示屏，包装内还包括几个螺丝和金属支架，便于面板安装。该设备紧凑，需接入标准的树莓派或其他5.1VDC/5A高质量USB电源供电。预装了树莓派32位桌面操作系统，开机后即可使用。虽然屏幕支持10点触控，但未预装虚拟键盘，初期使用时需配合物理键盘和鼠标。提供7英寸和10.1英寸屏幕版本，性能相似，但7英寸屏略亮，达到400 cd/m²，分辨率为1024×600，而10.1英寸屏幕分辨率为1280×800。两款显示屏响应时间均为30ms，视角为85°。有效显示区域尺寸为154×86mm，周围有1.5cm宽的黑色边框，无法用于显示内容，虽然这在工业领域常见，但不如现代手机或平板电脑的屏幕方案。显示屏表面硬度为6H，需注意保护。

显示屏的背面和边缘由金属外壳保护，外壳周围有2毫米厚的灰色装饰边框，提供电子元件保护，日常使用中不会打开。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。我们的样机未配备MIPI CSI接口，通常只出现在集成8MP摄像头的型号上。外壳背面还可固定树莓派主板，使用四颗螺丝。外壳可轻松与显示屏分离，内部有搭载相关电子元件的单板计算机。整个外壳由金属制成，侧面开孔用于空气流通，但未安装风扇。

观察金属外壳时，上面的大型黑色被动式散热片尤为显眼，上面印有Edatec的标识。这个散热片完全覆盖单板计算机，并通过热界面材料与CPU、内存和R1芯片接触以进行散热。外壳还设有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GPIO接口主要用于连接信号扩展板。

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。此外壳由两块金属散热片组成：上面的散热片与ED-HMI3020-070C HMI使用的散热片相同，下面的散热片覆盖热界面材料，直接贴合在树莓派5主板底部，构成夹芯结构。设计无需额外风扇，依靠开放环境中的自然对流散热。

树莓派5 CNC 开放式散热外壳
我们通过之前的测试了解到，自由空气流通足以保持处理器在工作温度范围内，但对于这种被动解决方案在完全封闭的机箱中的表现仍存疑，尤其是在有额外SSD的情况下。测试显示，37分钟后出现热量限制，温度缓慢上升，最终达到80°C。因此，工作时钟频率会下降以阻止温度继续上升，以免损害SSD和其他电子元件。规定的工作环境温度范围为-25°C到60°C，我们在30°C环境温度下进行了加热测试。因此，建议根据HMI外壳上的开口有效排除机柜内的热空气。

在树莓派机箱内部，还有一个额外的扩展板，用以增强树莓派5 SBC本身的通信功能。对于需要快速访问大量数据的应用，增加SSD驱动器非常重要。该SSD驱动器隐藏在机箱底部，未与机箱底部接触的热界面层，热量会自然散发到空气中，而不会传导到SBC主板底部。此机箱支持安装尺寸为2242的M.2 NVMe SSD，兼容2260和2230尺寸，但2280尺寸因过长无法安装。根据型号不同，内置SSD容量可为128GB或256GB，也有不带SSD的版本。测试显示，内置SSD表现良好，读写速度分别达到469MB/s和404MB/s，在PCIe Gen3模式下读取速度可达890MB/s，访问延迟为0.05ms。然而，在工业环境中是否应充分利用这种极高的硬件性能，需项目团队在每个现场进行权衡。机箱右侧包含一个4Ω 3W扬声器，在音频播放过程中该扬声器存在劈啪声，具体是硬件质量问题还是线缆或连接器故障仍待确认。

在扩展板上焊接了以太网供电（PoE）模块，并提供如下功能：

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

所有信号接口均引出到机箱背面。扩展板上还添加了超级电容（SuperCAP）和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。

机箱左侧面从左到右依次排布以下元件：

  • 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（HMI开机时亮起）、两个用于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，通过Phoenix端子连接。

ED-HMI3020-070C HMI设备仅提供一组RS232/RS485接口，这对HMI设备的使用已足够。如需更多通信接口和线路，可考虑上海晶珩的CM4工业设备，虽然它没有内置显示屏。

所提到的连接器均通过扩展板实现。接下来介绍树莓派5主板的连接器：

  • 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

此外，树莓派5及该HMI设备还集成了2.4GHz/5GHz Wi-Fi和5.0 Bluetooth LE，使其非常适合边缘计算应用，可以无缝接入有线或无线网络。树莓派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接口可输出4K 60Hz高清视频，支持连接两个大尺寸信息显示屏，分别显示桌面或分屏显示。不过，micro HDMI接口的物理结构较为脆弱且排布紧凑，实际使用中可能造成不便。

在树莓派5主板上还有一个microSD卡槽，用于插入存储卡。在测试microSD卡速度时，使用Flexxon FxAdv II嵌入式计算机和树莓派专用的microSD卡，表现出色，读写速度优秀，安全特性良好。读取速度达到93.3MB/s，写入速度达到40MB/s，访问延迟仅0.42ms。紧邻microSD卡槽的开口是用于开/关按钮的设计，集成在树莓派5型号的主板上，需使用尖头物品触发，以避免意外触发的问题。

在工业环境中，设备必须正确接地，上海晶珩在设计该HMI设备时已考虑到这一点。他们在金属外壳上专门设置了接地触点，确保触摸屏HMI设备的可靠性与安全性。

ED-HMI3020-070C HMI 软件
这款HMI设备的核心基于树莓派5单板计算机，因此预装的操作系统应为树莓派OS，可选择32位或64位版本，桌面或服务器版本。最佳选择是下载64位版本的树莓派OS桌面版，基于Debian 12(bookworm)，以最充分发挥ED-HMI3020-070C HMI的硬件性能。然而，在安装原版树莓派OS之后，还需额外添加驱动程序，以支持HMI设备扩展卡的所有功能。此定制过程可通过上海晶珩网站提供的详细说明和脚本完成。使用官方的树莓派OS有两个主要优点：一是确保系统始终保持最新，二是可以充分利用为树莓派设计的大量应用程序和软件包。32位版本还能向下兼容更多旧版应用程序。因此，“Powered by Raspberry Pi”这一标识对这款HMI产品至关重要且合适。

在工业应用方面，除了可以编写自定义应用程序，用户还可利用一些优秀的付费和免费软件包。FUXA是一款适合在该平台上运行的开源SCADA系统，此外，openPLC作为SBC控制软件包用于编写标准的梯形图程序，Node-RED则是一个低代码编程工具，使得智能家居领域的应用更加便捷。

结论
ED-HMI3020-070C HMI是一款结合开放软硬件的产品，采用现代SBC技术与强大的ARM处理器内核，具备实现人工智能神经网络的潜力，为工业控制带来新的可能。树莓派平台在机械和过程自动化领域得到了广泛认可与认证，其优秀的软件支持自早期开发以来保持了良好的向下兼容性，催生了众多免费和商业管理及可视化工具，成为行业标准。将工业通信标准集成到该平台上，不仅提升了性能，还确保了安全性与可靠性，使其完全融入生产过程中。除了基于树莓派4的工业PC产品线，上海晶珩还推出了基于更强大、更现代的树莓派5平台的HMI设备。ED-HMI3020-070C HMI产品集开放、现代与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，具体价格取决于内存容量、集成SSD的大小以及触摸屏尺寸等因素。与同类产品相比，其性能和可靠性显著优越。这一硬件平台得到了开源社区和商业生产商的广泛支持。例如，CODESYS提供的“Codesys control for Raspberry Pi”软件，使该平台在工业自动化和过程控制硬件产品中占有一席之地。除了工业自动化，这种基于树莓派的HMI设备还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。