一種基于雙MCU的安全光幕設(shè)計方案
摘要:介紹一種基于雙MCU的安全光幕軟硬件設(shè)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(guān)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(shè)計,采用Atmel的ATmega32型AVR芯片設(shè)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(shè)計要求。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/236083.htm關(guān)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(chǎn)品有近70%,應用于通道入口及危險周邊區(qū)域保護的產(chǎn)品有約30%。
根據(jù)EN954-1歐盟標準,將安全產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)市場上應用的安全光幕多以2級及以下產(chǎn)品為主,2級與4級產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計影響重大。本方案設(shè)計了一款基于雙MCU的光幕控制系統(tǒng),從硬件選型、軟件設(shè)計、可靠通信和結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生窄脈沖信號,使紅外發(fā)射管依次發(fā)光。通過控制器調(diào)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(jīng)過信號處理電路后進入雙控制器,判斷是否為設(shè)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(nèi),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(diào)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(jié)構(gòu),共享一個串行通道,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(shè)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。
評論