基于雙MCU可故障檢測的安全光幕設計

摘要：介紹一種基于雙MCU的安全光幕軟硬件設計方案，實現(xiàn)了傳統(tǒng)安全光幕檢測給定區(qū)域有無物體的功能，還加入了對關鍵模塊故障檢測的功能，并采用雙路檢測與安全輸出機制，加強光幕工作的可靠性。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。整個系統(tǒng)在ICCAVR及AVRStudio環(huán)境下設計，采用Atmel的ATmega32型AVR芯片設計實現(xiàn)，系統(tǒng)響應時間快，可靠性高，滿足高精度、高速度、高可靠性的設計要求。
關鍵詞：安全光幕；雙MCU；紅外發(fā)射；紅外接收；故障檢測

引言
安全光幕是一種光電類保護裝置，也稱安全保護器、紅外線保護器、沖床保護器等。安全光幕目前的應用方式中，應用于機械點保護的產品有近70％，應用于通道入口及危險周邊區(qū)域保護的產品有約30％。
根據(jù)EN954-1歐盟標準，將安全產品分為B、1、2、3、4共5種不同的安全等級。其安全性由B到4不斷提升。4級的安全產品具有最短周期的自檢功能，從檢測到輸出線路都是雙線路相互自檢，單個元件的失效不會導致安全功能的喪失，且安全系統(tǒng)在進行下一步操作時或之前檢測到失效。國內市場上應用的安全光幕多以2級及以下產品為主，2級與4級產品的實際比例接近9：1。
影響光幕系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素有系統(tǒng)結構設計、元件選擇、安裝、制造工藝及外部的電氣干擾等，其中，系統(tǒng)結構設計影響重大。本方案設計了一款基于雙MCU的光幕控制系統(tǒng)，從硬件選型、軟件設計、可靠通信和結構設計等各個方面提高可靠性，安全等級基本達到4級，實現(xiàn)雙路檢測及雙路互檢，分辨率為14 mm，響應速度快，是一款具有故障檢測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，如圖1所示。

紅外發(fā)射模塊由紅外發(fā)射管、控制器及檢測電路3部分組成。發(fā)射模塊中等間距地安裝若干個紅外發(fā)射管，對應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對紅外管為例，系統(tǒng)采用水平一對一排列方式進行工作。紅外管等間距生成光線陣列，形成一個“光幕”，以順序掃描的方式，配合控制盒及軟件，實現(xiàn)進入檢測范圍物體的監(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，控制輸出占空比，產生窄脈沖信號，使紅外發(fā)射管依次發(fā)光。通過控制器調制紅外管發(fā)光信號，使其對環(huán)境中日光、照明等相似波長的紅外線具有很強的抗干擾能力。
紅外接收模塊由紅外接收管、信號處理電路、雙控制器、檢測電路、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)射模塊開始順序發(fā)射紅外光，同時紅外接收模塊開始接收信號，該信號經過信號處理電路后進入雙控制器，判斷是否為設定紅外信號，進行輸出控制。紅外接收模塊的雙控制器會在固定周期內，定期協(xié)同地對安全輸出模塊及其他重要電路進行安全檢測。當遇到遮擋及故障時，首先控制安全輸出回路的輸出，然后通過數(shù)碼管、指示燈進行狀態(tài)指示及警告。
1．2 雙MCU接收模塊同步工作及故障檢測
安全光幕紅外接收模塊采用雙單片機MCU1和MCU2協(xié)調控制來實現(xiàn)對光幕中輸出信號的控制及故障檢測功能，解決了接收和控制與檢測及信息回饋之間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

雙MCU系統(tǒng)采用主從式結構，共享一個串行通道，結構如圖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，并獨立控制一路OSSD(Output Signal Switching Device)安全輸出，同時控制信號檢測輸出回路及各重要電路并進行反饋。兩個MCU之間并行工作，無差別地接收數(shù)據(jù)，相互之間獨立工作，任何一個出現(xiàn)故障另一個都會檢測到，同時進行安全輸出控制，保證信號的有效輸出。

2 硬件設計
2．1 紅外發(fā)射模塊
發(fā)射模塊中紅外發(fā)光管對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，當光照度一定時，適當減小檢測距離可以大大減小光電流。工作電流及工作電壓對發(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，器件的溫度上升，使光發(fā)射功率下降，且電流過大易影響其使用壽命。電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮。當電壓越過正向閾值電壓(本系統(tǒng)所使用的約1 V左右)時，電流開始流動，且其工作電流對工作電壓十分敏感，因此要求工作電壓準確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。
調制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，需設置紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，在電路設計時，需要盡量提高峰值電流Ip，使其發(fā)射距離更遠。
因紅外發(fā)射管的使用壽命與其工作電流相互制約，可對其工作脈沖占空比進行合理調整，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，最終經過調試該紅外發(fā)射管工作在1：4的占空比時，實驗效果最佳。
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。考慮以上因素，本系統(tǒng)選用的紅外發(fā)射管，其峰值電流可達到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ATmega32通過PA6端口控制移位寄存器HCF4094的時鐘信號，從而控制紅外發(fā)射管導通的時間；PA7端口控制其數(shù)據(jù)信號，用來選通紅外發(fā)射管；PD4端口是單片機的輸出比較匹配控制口，它連接移位寄存器的使能端OE；PD4端口使用定時器PWM模式，控制紅外發(fā)射管的調制頻率。單片機控制3個端口配合，使每支管子依次發(fā)光，控制時問為1 ms，實際發(fā)光時間為250μs，并在PD4給出的50 kHz調制頻率下，有序地進行發(fā)射工作。
2．2 紅外接收模塊
紅外接收模塊主要任務是負責紅外發(fā)射模塊與接收模塊之間的通信、紅外接收信號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，光感電流對電容進行充電，通過光通量變化獲得相應的電信號。無遮擋物時，光路通暢無阻，接收紅外光，光感電流最大；有遮擋物通過檢測區(qū)域時，光路部分被遮擋，輸出電位升高。越有效遮光，輸出電位越高。利用該原理可以實現(xiàn)對檢測區(qū)域是否存在異物進行測定，進而可執(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端則應在響應時段發(fā)送高電平，若有故障則輸出低電平，信號輸入另一個單片機I／O口中，進行電平檢測。兩單片機通過定時監(jiān)測，實現(xiàn)實時相互檢測。光幕的報警輸入信
號要求系統(tǒng)能夠及時響應，所以報警輸入與單片機的外部中斷引腳相連。整個光幕系統(tǒng)由紅外接收模塊MCU1主控，負責紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊的信號同步，并控制MCU2的工作。接收模塊系統(tǒng)框圖如圖3所示。

在紅外發(fā)射模塊及紅外接收模塊正常通信后，紅外發(fā)射模塊開始順序發(fā)射紅外光，同時紅外接收模塊控制的相應的紅外接收管開始接收紅外信號，進行一對一的紅外光發(fā)射接收。紅外接收器將接收到的光信號轉化為電信號，經過濾波、放大、整形后分別輸入給MCU1、MCU2，通過接收端的中斷服務程序處理，進行同步操作，檢測其窄脈沖與預設的是否相同。判斷光幕是否被遮擋，信號是否有效，然后進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快(一般在0．2 ms以下)，適用于要求快速響應的場合；晶體管無機械觸點，比繼電器輸出電路壽命長。
晶體管輸出電路的應用局限是外接電源只能是直接電源，且其輸出驅動能力要小于繼電器輸出，允許負載電壓一般為DC 5～30 V，允許負載電流為0．2～0．5 A。
晶體管輸出電路的形式主要有兩種：NPN和PNP型集電極開路輸出。NPN型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時，信號輸出線OUT和電源線VCC連接，公共端COM只能接外接電源的負極，相當于輸出高電平，OSSD常態(tài)是高電平。當光幕檢測到物體遮擋時，控制安全輸出動作，OSSD變?yōu)榈碗娖剑幌喾吹?，PNP型控制輸出在系統(tǒng)觸發(fā)時信號輸出線OUT和0 V線連接，而PNP型的COM端只能接外接電源的正極，相當于輸出低電平，OSSD常態(tài)是低電平，當光幕檢測到物體遮擋時，OSSD安全輸出動作，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集電極開路輸出電路。系統(tǒng)中采用雙路OSSD輸出，保證輸入信號的正確性，且兩個MCU都對安全輸出口進行性能監(jiān)測，通過電路具體設置，單片機定時檢測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)，保證輸出信號的可靠性，從而對使用者提供有效的保護。
2．4 電源可靠性設計
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，需要對電源進行降壓處理。電源電路如圖4所示。

在數(shù)字系統(tǒng)中，易產生尖峰電流，形成瞬間的噪聲電壓。配置旁路電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲，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、信號隔離等抗干擾措施。對于電源干擾，可經過直流、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)，單片機可對電源進行一定程度的監(jiān)控。圖中D2為30 V穩(wěn)壓管，若兩端電壓高于30 V，則向單片機報警。報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，通過電流流向R1來釋放，同時導通Q1，通過OVER—P向單片機報警。
2．5 使用中注意事項
紅外對管是決定安全光幕工作性能最重要的元件之一，對工作狀態(tài)起決定作用。對于紅外對管的選擇需要滿足以下要求：電性參數(shù)一致；光學參數(shù)一致；響應時間與控制時間一致；管芯的幾何尺寸、形狀、位置一致。
在安裝時，要保證紅外對管的位置、方向和軸距的選取，以確保光路對稱，并可減小干擾。在安裝時，需要在管子前端安裝濾光片濾除可見光干擾，結構上需要防水防塵，減少環(huán)境干擾。

3 軟件設計
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語言在ICCAVR環(huán)境下編寫，程序模塊化設計，兼顧程序的可移植性、可讀性、可靠性及實時性等要求。
在軟件設計中最關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，開始啟動定時器T1，保持調制頻率為50 kHz。收到開始命令后，進入發(fā)射控制程序模塊。每次發(fā)射一個管子，計數(shù)器加1，當計數(shù)器為8時置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)送完開始命令后，根據(jù)發(fā)射管順序及時間控制管子接收，同時，對中斷接收處理過的紅外信號進行判斷，檢查該發(fā)射管導通的時間段內接收的脈沖數(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時多任務特征，各任務由相應的子程序實現(xiàn)。根據(jù)各任務的實時性及系統(tǒng)安全性要求，設計任務優(yōu)先級從高到低為：OSSD安全輸出程序、紅外信號檢測程序、通信程序、報警顯示程序。
軟件系統(tǒng)設計響應時間快，在同步過程中要實現(xiàn)軟件冗余，增加看門狗以防止進入死循環(huán)狀態(tài)；且雙路檢測電路保持時序一致，發(fā)射／接收需定時進行同步通信。軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。

結語
光幕系統(tǒng)在工廠中使用，要具有較強的抗電磁干擾、抗環(huán)境噪聲及長期抗震能力。針對該要求，本文提出基于雙MCU的安全光幕設計方案。方案特點是充分利用雙MCU的硬件資源和其編程的靈活性，將復雜的控制檢測電路用比較合適的方式實現(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)的光路設計及同步設計很好地解決了光路之間相互干擾的問題，提高了系統(tǒng)精度；添加了物體存在時間的計算功能；同時系統(tǒng)具有故障檢測功能，給使用人員提供最直接有效的保障。系統(tǒng)分辨率是14 mm，保護區(qū)域為4 m，系統(tǒng)反應時間13 ms，具有操作簡單、高效、精確等特點，為安全的工業(yè)生產提供了可靠的保障。