一種基于雙MCU的安全光幕設(shè)計(jì)方案

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)安全光幕檢測給定區(qū)域有無物體的功能，還加入了對(duì)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(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

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)或之前檢測到失效。國內(nèi)市場上應(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。

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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(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、檢測電路、狀態(tài)指示電路組成。控制器完成與發(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(shí)紅外接收模塊開始接收信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過信號(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。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

安全光幕紅外接收模塊采用雙單片機(jī)MCU1和MCU2協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)光幕中輸出信號(hào)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(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

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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dS的光照度為：

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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。