基于雙MCU可故障檢測(cè)的安全光幕設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種基于雙MCU的安全光幕軟硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)安全光幕檢測(cè)給定區(qū)域有無(wú)物體的功能，還加入了對(duì)關(guān)鍵模塊故障檢測(cè)的功能，并采用雙路檢測(cè)與安全輸出機(jī)制，加強(qiáng)光幕工作的可靠性。該系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊、安全輸出模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)在ICCAVR及AVRStudio環(huán)境下設(shè)計(jì)，采用Atmel的ATmega32型AVR芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，可靠性高，滿足高精度、高速度、高可靠性的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：安全光幕；雙MCU；紅外發(fā)射；紅外接收；故障檢測(cè)

引言
安全光幕是一種光電類保護(hù)裝置，也稱安全保護(hù)器、紅外線保護(hù)器、沖床保護(hù)器等。安全光幕目前的應(yīng)用方式中，應(yīng)用于機(jī)械點(diǎn)保護(hù)的產(chǎn)品有近70％，應(yīng)用于通道入口及危險(xiǎn)周邊區(qū)域保護(hù)的產(chǎn)品有約30％。
根據(jù)EN954-1歐盟標(biāo)準(zhǔn)，將安全產(chǎn)品分為B、1、2、3、4共5種不同的安全等級(jí)。其安全性由B到4不斷提升。4級(jí)的安全產(chǎn)品具有最短周期的自檢功能，從檢測(cè)到輸出線路都是雙線路相互自檢，單個(gè)元件的失效不會(huì)導(dǎo)致安全功能的喪失，且安全系統(tǒng)在進(jìn)行下一步操作時(shí)或之前檢測(cè)到失效。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的安全光幕多以2級(jí)及以下產(chǎn)品為主，2級(jí)與4級(jí)產(chǎn)品的實(shí)際比例接近9：1。
影響光幕系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件選擇、安裝、制造工藝及外部的電氣干擾等，其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響重大。本方案設(shè)計(jì)了一款基于雙MCU的光幕控制系統(tǒng)，從硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、可靠通信和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)方面提高可靠性，安全等級(jí)基本達(dá)到4級(jí)，實(shí)現(xiàn)雙路檢測(cè)及雙路互檢，分辨率為14 mm，響應(yīng)速度快，是一款具有故障檢測(cè)能力和高可靠性的安全光幕系統(tǒng)。

1 安全光幕工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
安全光幕系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊及安全輸出模塊組成。

紅外發(fā)射模塊由紅外發(fā)射管、控制器及檢測(cè)電路3部分組成。發(fā)射模塊中等間距地安裝若干個(gè)紅外發(fā)射管，對(duì)應(yīng)的接收模塊也安裝有相同數(shù)量、相同順序排列的紅外接收管。以8對(duì)紅外管為例，系統(tǒng)采用水平一對(duì)一排列方式進(jìn)行工作。紅外管等間距生成光線陣列，形成一個(gè)“光幕”，以順序掃描的方式，配合控制盒及軟件，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入檢測(cè)范圍物體的監(jiān)控功能。
紅外發(fā)射模塊的控制器尋址發(fā)射50 kHz的脈沖信號(hào)，控制輸出占空比，產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，使紅外發(fā)射管依次發(fā)光。通過(guò)控制器調(diào)制紅外管發(fā)光信號(hào)，使其對(duì)環(huán)境中日光、照明等相似波長(zhǎng)的紅外線具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
紅外接收模塊由紅外接收管、信號(hào)處理電路、雙控制器、檢測(cè)電路、狀態(tài)指示電路組成?？刂破魍瓿膳c發(fā)射模塊的同步通信后，紅外發(fā)射模塊開(kāi)始順序發(fā)射紅外光，同時(shí)紅外接收模塊開(kāi)始接收信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后進(jìn)入雙控制器，判斷是否為設(shè)定紅外信號(hào)，進(jìn)行輸出控制。紅外接收模塊的雙控制器會(huì)在固定周期內(nèi)，定期協(xié)同地對(duì)安全輸出模塊及其他重要電路進(jìn)行安全檢測(cè)。當(dāng)遇到遮擋及故障時(shí)，首先控制安全輸出回路的輸出，然后通過(guò)數(shù)碼管、指示燈進(jìn)行狀態(tài)指示及警告。
1．2 雙MCU接收模塊同步工作及故障檢測(cè)
安全光幕紅外接收模塊采用雙單片機(jī)MCU1和MCU2協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光幕中輸出信號(hào)的控制及故障檢測(cè)功能，解決了接收和控制與檢測(cè)及信息回饋之間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

雙MCU系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，共享一個(gè)串行通道，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主從MCU分別提供I／O口相互連接作為它們之間的通信線，并獨(dú)立控制一路OSSD(Output Signal Switching Device)安全輸出，同時(shí)控制信號(hào)檢測(cè)輸出回路及各重要電路并進(jìn)行反饋。兩個(gè)MCU之間并行工作，無(wú)差別地接收數(shù)據(jù)，相互之間獨(dú)立工作，任何一個(gè)出現(xiàn)故障另一個(gè)都會(huì)檢測(cè)到，同時(shí)進(jìn)行安全輸出控制，保證信號(hào)的有效輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 紅外發(fā)射模塊
發(fā)射模塊中紅外發(fā)光管對(duì)工作效率的影響很大，需要根據(jù)其光度量參數(shù)、工作電流及工作電壓等參數(shù)，進(jìn)行適合的配置，提高系統(tǒng)中發(fā)光管的壽命及工作距離。
光通量全部投射到面無(wú)dS的光照度為：
式中，η為發(fā)光效率，u為發(fā)射管正向壓降，If為光電流，光源光軸與面元法線夾角為θ，r為光源S到面元dS的距離。

紅外發(fā)射管的發(fā)光效率η和正向壓降u通常是定值，由式(1)可知，當(dāng)光照度一定時(shí)，適當(dāng)減小檢測(cè)距離可以大大減小光電流。工作電流及工作電壓對(duì)發(fā)射功率起決定性作用，發(fā)射功率用輻照度表示。
其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，電流在接近最大額定值時(shí)，器件的溫度上升，使光發(fā)射功率下降，且電流過(guò)大易影響其使用壽命。電流過(guò)小，將影響其輻射功率的發(fā)揮。當(dāng)電壓越過(guò)正向閾值電壓(本系統(tǒng)所使用的約1 V左右)時(shí)，電流開(kāi)始流動(dòng)，且其工作電流對(duì)工作電壓十分敏感，因此要求工作電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。
調(diào)制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，需設(shè)置紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡量提高峰值電流Ip，使其發(fā)射距離更遠(yuǎn)。
因紅外發(fā)射管的使用壽命與其工作電流相互制約，可對(duì)其工作脈沖占空比進(jìn)行合理調(diào)整，使得其峰值電流盡量高，而平均電流比較低，符合其正常工作的功耗要求，最終經(jīng)過(guò)調(diào)試該紅外發(fā)射管工作在1：4的占空比時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。
常用的紅外發(fā)射管的發(fā)射角度有30°、45°、60°，角度越小，紅外線越集中，發(fā)射距離越遠(yuǎn)?？紤]以上因素，本系統(tǒng)選用的紅外發(fā)射管，其峰值電流可達(dá)到1 A，發(fā)射角度為34°，能很好地滿足系統(tǒng)要求。
紅外發(fā)射模塊中AVR單片機(jī)ATmega32通過(guò)PA6端口控制移位寄存器HCF4094的時(shí)鐘信號(hào)，從而控制紅外發(fā)射管導(dǎo)通的時(shí)間；PA7端口控制其數(shù)據(jù)信號(hào)，用來(lái)選通紅外發(fā)射管；PD4端口是單片機(jī)的輸出比較匹配控制口，它連接移位寄存器的使能端OE；PD4端口使用定時(shí)器PWM模式，控制紅外發(fā)射管的調(diào)制頻率。單片機(jī)控制3個(gè)端口配合，使每支管子依次發(fā)光，控制時(shí)問(wèn)為1 ms，實(shí)際發(fā)光時(shí)間為250μs，并在PD4給出的50 kHz調(diào)制頻率下，有序地進(jìn)行發(fā)射工作。
2．2 紅外接收模塊
紅外接收模塊主要任務(wù)是負(fù)責(zé)紅外發(fā)射模塊與接收模塊之間的通信、紅外接收信號(hào)的處理及安全輸出口的控制。
紅外接收管是一種光感電流源，光感電流與光通量成正比，光感電流對(duì)電容進(jìn)行充電，通過(guò)光通量變化獲得相應(yīng)的電信號(hào)。無(wú)遮擋物時(shí)，光路通暢無(wú)阻，接收紅外光，光感電流最大；有遮擋物通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，光路部分被遮擋，輸出電位升高。越有效遮光，輸出電位越高。利用該原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域是否存在異物進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而可執(zhí)行下一步的安全措施。
紅外接收模塊兩片MCU之間通過(guò)I／O口連接單穩(wěn)態(tài)雙觸發(fā)器4538，定期發(fā)送窄脈沖給觸發(fā)器，其輸出口Q端則應(yīng)在響應(yīng)時(shí)段發(fā)送高電平，若有故障則輸出低電平，信號(hào)輸入另一個(gè)單片機(jī)I／O口中，進(jìn)行電平檢測(cè)。兩單片機(jī)通過(guò)定時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相互檢測(cè)。光幕的報(bào)警輸入信
號(hào)要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，所以報(bào)警輸入與單片機(jī)的外部中斷引腳相連。整個(gè)光幕系統(tǒng)由紅外接收模塊MCU1主控，負(fù)責(zé)紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊的信號(hào)同步，并控制MCU2的工作。

在紅外發(fā)射模塊及紅外接收模塊正常通信后，紅外發(fā)射模塊開(kāi)始順序發(fā)射紅外光，同時(shí)紅外接收模塊控制的相應(yīng)的紅外接收管開(kāi)始接收紅外信號(hào)，進(jìn)行一對(duì)一的紅外光發(fā)射接收。紅外接收器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形后分別輸入給MCU1、MCU2，通過(guò)接收端的中斷服務(wù)程序處理，進(jìn)行同步操作，檢測(cè)其窄脈沖與預(yù)設(shè)的是否相同。判斷光幕是否被遮擋，信號(hào)是否有效，然后進(jìn)行有效的安全輸出控制。
2．3 安全輸出模塊
光幕的輸出電路形式一般分為繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出3種。
晶體管輸出電路相比于繼電器輸出響應(yīng)快(一般在0．2 ms以下)，適用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合；晶體管無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，比繼電器輸出電路壽命長(zhǎng)。
晶體管輸出電路的應(yīng)用局限是外接電源只能是直接電源，且其輸出驅(qū)動(dòng)能力要小于繼電器輸出，允許負(fù)載電壓一般為DC 5～30 V，允許負(fù)載電流為0．2～0．5 A。
晶體管輸出電路的形式主要有兩種：NPN和PNP型集電極開(kāi)路輸出。NPN型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，信號(hào)輸出線OUT和電源線VCC連接，公共端COM只能接外接電源的負(fù)極，相當(dāng)于輸出高電平，OSSD常態(tài)是高電平。當(dāng)光幕檢測(cè)到物體遮擋時(shí)，控制安全輸出動(dòng)作，OSSD變?yōu)榈碗娖剑幌喾吹?，PNP型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)信號(hào)輸出線OUT和0 V線連接，而PNP型的COM端只能接外接電源的正極，相當(dāng)于輸出低電平，OSSD常態(tài)是低電平，當(dāng)光幕檢測(cè)到物體遮擋時(shí)，OSSD安全輸出動(dòng)作，變?yōu)楦唠娖健?br /> 本光幕系統(tǒng)的OSSD安全輸出模塊采用的是晶體管NPN集電極開(kāi)路輸出電路。系統(tǒng)中采用雙路OSSD輸出，保證輸入信號(hào)的正確性，且兩個(gè)MCU都對(duì)安全輸出口進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，通過(guò)電路具體設(shè)置，單片機(jī)定時(shí)檢測(cè)控制該口的電平狀態(tài)，從而判斷是否為正常工作狀態(tài)。確保系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)，保證輸出信號(hào)的可靠性，從而對(duì)使用者提供有效的保護(hù)。

2．4 電源可靠性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中需要使用的電源直流電壓為24 V和5 V。外接電源為24 V的直流電源，需要對(duì)電源進(jìn)行降壓處理。

在數(shù)字系統(tǒng)中，易產(chǎn)生尖峰電流，形成瞬間的噪聲電壓。配置旁路電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，系統(tǒng)中大量濾波電容的使用也保證了各器件電源的良好性能。此外，為防止電源遭到雷擊，在外部直流電源輸入端增加可吸收較大瞬間電流的穩(wěn)壓管D1。電路中采用了屏蔽技術(shù)、信號(hào)隔離等抗干擾措施。對(duì)于電源干擾，可經(jīng)過(guò)直流、交流雙重穩(wěn)壓，多重低通濾波，雙重直流濾波穩(wěn)壓等措施排除電源干擾。
在本系統(tǒng)，單片機(jī)可對(duì)電源進(jìn)行一定程度的監(jiān)控。圖中D2為30 V穩(wěn)壓管，若兩端電壓高于30 V，則向單片機(jī)報(bào)警。報(bào)警部分的具體工作流程為：若D2上端電位為3l V，D2將吸收1 V電壓，通過(guò)電流流向R1來(lái)釋放，同時(shí)導(dǎo)通Q1，通過(guò)OVER—P向單片機(jī)報(bào)警。
2．5 使用中注意事項(xiàng)
紅外對(duì)管是決定安全光幕工作性能最重要的元件之一，對(duì)工作狀態(tài)起決定作用。對(duì)于紅外對(duì)管的選擇需要滿足以下要求：電性參數(shù)一致；光學(xué)參數(shù)一致；響應(yīng)時(shí)間與控制時(shí)間一致；管芯的幾何尺寸、形狀、位置一致。
在安裝時(shí)，要保證紅外對(duì)管的位置、方向和軸距的選取，以確保光路對(duì)稱，并可減小干擾。在安裝時(shí)，需要在管子前端安裝濾光片濾除可見(jiàn)光干擾，結(jié)構(gòu)上需要防水防塵，減少環(huán)境干擾。

3 軟件設(shè)計(jì)
本控制系統(tǒng)軟件包括發(fā)射控制程序及接收控制程序，采用C語(yǔ)言在ICCAVR環(huán)境下編寫(xiě)，程序模塊化設(shè)計(jì)，兼顧程序的可移植性、可讀性、可靠性及實(shí)時(shí)性等要求。
在軟件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是如何完成兩路移位脈沖的同步工作。發(fā)射控制器在初始化時(shí)，開(kāi)始啟動(dòng)定時(shí)器T1，保持調(diào)制頻率為50 kHz。收到開(kāi)始命令后，進(jìn)入發(fā)射控制程序模塊。每次發(fā)射一個(gè)管子，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為8時(shí)置1，表示小循環(huán)完成，小循環(huán)的次數(shù)根據(jù)總發(fā)射管的數(shù)目確定。
紅外接收模塊中，MCU1在發(fā)送完開(kāi)始命令后，根據(jù)發(fā)射管順序及時(shí)間控制管子接收，同時(shí)，對(duì)中斷接收處理過(guò)的紅外信號(hào)進(jìn)行判斷，檢查該發(fā)射管導(dǎo)通的時(shí)間段內(nèi)接收的脈沖數(shù)，保證其接收的脈寬及脈沖數(shù)符合要求。
接收控制程序具有實(shí)時(shí)多任務(wù)特征，各任務(wù)由相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性及系統(tǒng)安全性要求，設(shè)計(jì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低為：OSSD安全輸出程序、紅外信號(hào)檢測(cè)程序、通信程序、報(bào)警顯示程序。
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間快，在同步過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)軟件冗余，增加看門狗以防止進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)；且雙路檢測(cè)電路保持時(shí)序一致，發(fā)射／接收需定時(shí)進(jìn)行同步通信。

結(jié)語(yǔ)
光幕系統(tǒng)在工廠中使用，要具有較強(qiáng)的抗電磁干擾、抗環(huán)境噪聲及長(zhǎng)期抗震能力。針對(duì)該要求，本文提出基于雙MCU的安全光幕設(shè)計(jì)方案。方案特點(diǎn)是充分利用雙MCU的硬件資源和其編程的靈活性，將復(fù)雜的控制檢測(cè)電路用比較合適的方式實(shí)現(xiàn)，且使用雙路安全輸出端口，提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)及同步設(shè)計(jì)很好地解決了光路之間相互干擾的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)精度；添加了物體存在時(shí)間的計(jì)算功能；同時(shí)系統(tǒng)具有故障檢測(cè)功能，給使用人員提供最直接有效的保障。系統(tǒng)分辨率是14 mm，保護(hù)區(qū)域?yàn)? m，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間<13 ms，具有操作簡(jiǎn)單、高效、精確等特點(diǎn)，為安全的工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的保障。
審核編輯：彭菁