家電操作：安全第一

　　摘要：除了讓家用電器的外形更加時尚美觀之外，OEM廠商還需要考慮如何滿足IEC/UL 60730等安全規(guī)程的要求。

　　正文：

　　您是否曾聽說過“瘋狂電器”的故事?比如微波爐自動啟動;烤箱不需要任何人工指令就能啟動預熱功能。無線電和電磁接口在我們的世界里無所不在，因此確保家用電器的安全操作已變得越來越重要，這樣我們才可以確信一家人外出度假時，烤箱不會燒毀房屋。

　　IEC/UL 60730標準是由國際電工技術(shù)委員會(IEC)專門針對家電設(shè)備中的自動電氣控制單元而制定的一套安全要求。該標準對家用電器的機械、電氣、電子、環(huán)境耐久性、電磁兼容性(EMC)以及異常操作進行了詳細介紹。如今，電器產(chǎn)品的大部分自動電子控制都采用了具有嵌入式存儲器和輸入/輸出外設(shè)的單芯片微控制器(MCU)。嵌入式MCU設(shè)計人員必須要滿足IEC安全標準要求。由于資格認證過程可能需要花費幾個月的時間，因此許多MCU廠商均提供實時嵌入式軟件和API，以幫助加快資格認證過程。

　　IEC 60730標準將家電軟件分為三類：

　　? A類：與設(shè)備安全性不相關(guān)的軟件控制功能。這類功能包括濕度控制、照明控制、定時器和開關(guān)。

　　? B類：用于防止對控制設(shè)備進行不安全操作的軟件控制功能。例如，可能包括洗衣機中的熱熔斷器和門鎖。

　　? C類：用于防止特殊危險情況的軟件控制功能。特殊危險情況包括用于封閉不通風熱水器系統(tǒng)的燃燒器自動控制和熱斷流器。

　　大部分家用電器系統(tǒng)(如洗衣機、洗碗機、烘干機、冰箱、冰柜和烹調(diào)器/爐子)均應(yīng)歸為B類。但可能會引起爆炸的電器是例外，比如燃氣控制的烘干機，這類電器應(yīng)歸為C類。

　　根據(jù)IEC 60730-1標準，B類軟件應(yīng)采用以下結(jié)構(gòu)之一：

　　1. 帶有功能測試的單通道：在帶有功能測試的單通道結(jié)構(gòu)中，軟件可根據(jù)需要采用單個CPU來執(zhí)行功能。在應(yīng)用啟動后執(zhí)行功能測試，以確保所有的關(guān)鍵功能均能可靠運行。

　　2. 帶有定期自測試的單通道：在帶有定期自測試的單通道結(jié)構(gòu)中，軟件可根據(jù)需要采用單個CPU來執(zhí)行功能。測試嵌入到軟件中，在軟件處于執(zhí)行模式下時定期進行自測試。

　　3. 無對比的雙通道：在無對比的雙通道結(jié)構(gòu)中，軟件可采用兩個CPU來執(zhí)行重要功能。在執(zhí)行重要功能之前，這兩個CPU均需要確認它們已經(jīng)完成了相應(yīng)的任務(wù)。

　　盡管雙通道結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方案比上述任一種單通道結(jié)構(gòu)的可靠性都高，但它的成本也更高，因為需要使用兩個CPU。此外，雙通道系統(tǒng)設(shè)計起來也更為復雜，因為兩個設(shè)備需要經(jīng)常進行通信?；谏鲜鲈?，許多電器制造商都轉(zhuǎn)而采用帶有定期自測試實現(xiàn)方案的單通道結(jié)構(gòu)。

　　家用電器制造商在將最終產(chǎn)品推向市場之前，必須將其送往美國保險商實驗室(UL)進行認證。這個過程需要花費大量時間和金錢。為了簡化并加快認證過程，MCU和片上系統(tǒng)(SoC)供應(yīng)商(Microchip、Freescale、賽普拉斯、Atmel等)通常會開發(fā)一些安全特性(如IEC 60730安全庫)以及應(yīng)用手冊，以幫助制造商更快地滿足規(guī)章要求。此外，一些供應(yīng)商也會通過德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(VDE)來認證其產(chǎn)品，比如賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)MCU系列，并在線發(fā)布認證證書供開發(fā)人員使用。這樣供應(yīng)商不必自己去提交這些測試，可以減少制造過程中的開發(fā)和文檔編制工作，從而節(jié)省了認證成本。無論是“庫”還是“程序”集，MCU供應(yīng)商均提供了源代碼和應(yīng)用程序接口(API)，以便在系統(tǒng)集成過程中進行生產(chǎn)優(yōu)化和程序調(diào)試。

　　隨著家用電器逐漸變得更加智能，它們支持的傳感器種類也更加廣泛。例如，洗衣機中的溫度傳感器允許對水溫進行精確控制，而壓力傳感器可用于測量洗衣筒中的水位，濁度傳感器可監(jiān)測水的混濁度。傳感器本質(zhì)上就是模擬裝置，因此家用電器前面板電路板上至少有一個模擬信號軌。不過考慮到工作環(huán)境的噪聲等級，可能需要對這些信號進行放大或衰減、過濾、頻移等操作。要調(diào)節(jié)這些信號，需要使用一些組件，例如可編程增益放大器(PGA)、多路復用器總線、混合器、比較器(CMP)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等。

　　以下示例演示了如何測試ADC的安全操作。在該示例中，我們將在PSoC設(shè)備上使用10位DelSig ADC[1]。下面的函數(shù)可實施ADC值測試。如果數(shù)字化輸入電壓值在定義的精度范圍內(nèi)等于所需的參考電壓值，則表示測試成功。測試成功時，函數(shù)返回0;否則它將返回1(失敗)。

　　函數(shù)

　　uint8 SelfTest_ADC(void)

　　Returns: 0 No error

　　1 Error detected

　　#define ADC_TEST_ACC 10

　　// +/- ADC result value

　　在這個設(shè)計(圖1)中，我們使用了兩個組件。每個組件均可進行配置，且均包含使用PSoC Creator IDE構(gòu)建的全套動態(tài)生成的API庫。PSoC組件是嵌入式IC，在PSoC Creator軟件中用一個圖標來表示。它們可用于將多個IC和系統(tǒng)接口集成到一個PSoC中。設(shè)計人員可將它們作為圖標進行拖放以構(gòu)建系統(tǒng)。完成系統(tǒng)配置后，即可對固件進行編寫、編譯和調(diào)試。

　　在本例中，可將參考電壓連接至兩極，這樣便可以計算ADC增益和ADC偏移。測試功能可在測試之前保存所有組件配置和非保留寄存器，并在之后恢復它們。此功能可在調(diào)用期間一次完成輸入?yún)⒖茧妷褐档臏y量。在下次調(diào)用過程中，輸入?yún)⒖茧妷旱臉O性會發(fā)生變化，這樣就可以用新的電極進行測試。此實現(xiàn)方案的優(yōu)勢是縮短了測試執(zhí)行時間。

　　在過去的十年里，消費類電子產(chǎn)品的用戶界面設(shè)計經(jīng)歷了革命性的飛躍，在此期間，數(shù)十億部機械按鍵被電容式觸摸感應(yīng)按鍵所取代。家用電器制造商也逐漸開始采用穩(wěn)健可靠的電容式觸摸感應(yīng)界面。盡管電容式觸摸按鍵外形美觀時尚，但它們也對安全標準提出了更高要求，特別是在嚴苛或敏感的操作環(huán)境中更為如此。為了降低風險，必須對用戶界面IC進行失效模式與效果分析(FMEA)。就像IEC 60730一樣，IC供應(yīng)商可能會為涉及FMEA[2]的電容式感應(yīng)提供專用安全庫。

　　最常見的故障來源有物理PCB、觸摸表面以及與傳感器的連接。幸運的是，這類故障在制造測試中最容易被檢測到，而且在實際使用中不常發(fā)生。無論如何，一旦檢測到故障，用戶都必須能夠以一種安全的方式從故障中恢復或?qū)⑾到y(tǒng)關(guān)閉。隨著將用戶界面和主系統(tǒng)控制器集成到一個IC中的趨勢日益顯現(xiàn)，家用電器用戶也需要一個專用于電容式觸摸感應(yīng)的軟件庫。以賽普拉斯的CapSense為例，使用了IDAC、VADC、PWM 和多路復用器混合信號模塊。這些元件中任何一個的不正常運行都可能會導致誤判的觸摸或觸摸未檢測到。專門針對電容式感應(yīng)的專用安全庫能夠為家用電器制造商提供故障安全型功能。

　　隨著家用電器變得越來越智能、越來越時尚，消費者的安全操作意識也在不斷提高，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員也需要跟上這一發(fā)展趨勢。無論軟件庫是基于API或安全程序，我們都要隨時保持領(lǐng)先，要比消費者搶先一步發(fā)現(xiàn)潛在的故障，防患于未然。

　　插圖說明：

　　圖1.(png格式)：本原理圖顯示了采用PSoC Creator IDE構(gòu)建的IEC安全ADC測試實現(xiàn)方案。

　　參考資料：

　　[1] AN78175 - PSoC? 3和PSoC 5LP - IEC 60730 B類安全軟件庫。www.cypress.com/go/homeappliance_safety

　　[2] AN79973 - PSoC3和PSoC5 CapSense CSD - IEC 60730 B類安全軟件庫。www.cypress.com/go/homeappliance_safety

      作者：

　　賽普拉斯半導體公司產(chǎn)品經(jīng)理Meng He和首席應(yīng)用工程師Greg Verge，www.cypress.com

　　Meng He畢業(yè)于馬凱特大學(Marquette University)，獲得電氣工程專業(yè)理學碩士學位，自2007年開始在賽普拉斯半導體公司擔任產(chǎn)品經(jīng)理。他的電子郵箱地址為hmi@cypress.com。

　　Greg Verge現(xiàn)擔任賽普拉斯半導體公司的首席應(yīng)用工程師，畢業(yè)于西雅圖大學，擁有BSEE和MBA學位。在過去十年里，他一直致力于研究微控制器、片上系統(tǒng)和電機控制的混合信號設(shè)計。他的電子郵箱地址為gjv@cypress.com。