基于双MCU可故障检测的安全光幕设计

摘要：介绍一种基于双MCU的安全光幕软硬件设计方案，实现了传统安全光幕检测给定区域有无物体的功能，还加入了对关键模块故障检测的功能，并采用双路检测与安全输出机制，加强光幕工作的可靠性。该系统主要由红外发射模块、红外接收模块、安全输出模块组成。整个系统在ICCAVR及AVRStudio环境下设计，采用Atmel的ATmega32型AVR芯片设计实现，系统响应时间快，可靠性高，满足高精度、高速度、高可靠性的设计要求。
关键词：安全光幕；双MCU；红外发射；红外接收；故障检测

引言
    安全光幕是一种光电类保护装置，也称安全保护器、红外线保护器、冲床保护器等。安全光幕目前的应用方式中，应用于机械点保护的产品有近70％，应用于通道入口及危险周边区域保护的产品有约30％。
    根据EN954-1欧盟标准，将安全产品分为B、1、2、3、4共5种不同的安全等级。其安全性由B到4不断提升。4级的安全产品具有最短周期的自检功能，从检测到输出线路都是双线路相互自检，单个元件的失效不会导致安全功能的丧失，且安全系统在进行下一步操作时或之前检测到失效。国内市场上应用的安全光幕多以2级及以下产品为主，2级与4级产品的实际比例接近9：1。
    影响光幕系统可靠安全运行的主要因素有系统结构设计、元件选择、安装、制造工艺及外部的电气干扰等，其中，系统结构设计影响重大。本方案设计了一款基于双MCU的光幕控制系统，从硬件选型、软件设计、可靠通信和结构设计等各个方面提高可靠性，安全等级基本达到4级，实现双路检测及双路互检，分辨率为14 mm，响应速度快，是一款具有故障检测能力和高可靠性的安全光幕系统。

1 安全光幕工作原理
1．1 系统组成
    安全光幕系统主要由红外发射模块、红外接收模块及安全输出模块组成，如图1所示。

    红外发射模块由红外发射管、控制器及检测电路3部分组成。发射模块中等间距地安装若干个红外发射管，对应的接收模块也安装有相同数量、相同顺序排列的红外接收管。以8对红外管为例，系统采用水平一对一排列方式进行工作。红外管等间距生成光线阵列，形成一个“光幕”，以顺序扫描的方式，配合控制盒及软件，实现进入检测范围物体的监控功能。
    红外发射模块的控制器寻址发射50 kHz的脉冲信号，控制输出占空比，产生窄脉冲信号，使红外发射管依次发光。通过控制器调制红外管发光信号，使其对环境中日光、照明等相似波长的红外线具有很强的抗干扰能力。
    红外接收模块由红外接收管、信号处理电路、双控制器、检测电路、状态指示电路组成。控制器完成与发射模块的同步通信后，红外发射模块开始顺序发射红外光，同时红外接收模块开始接收信号，该信号经过信号处理电路后进入双控制器，判断是否为设定红外信号，进行输出控制。红外接收模块的双控制器会在固定周期内，定期协同地对安全输出模块及其他重要电路进行安全检测。当遇到遮挡及故障时，首先控制安全输出回路的输出，然后通过数码管、指示灯进行状态指示及警告。
1．2 双MCU接收模块同步工作及故障检测
    安全光幕红外接收模块采用双单片机MCU1和MCU2协调控制来实现对光幕中输出信号的控制及故障检测功能，解决了接收和控制与检测及信息回馈之间的矛盾，从而提高了系统的实时性和稳定性。

    双MCU系统采用主从式结构，共享一个串行通道，结构如图2所示。主从MCU分别提供I／O口相互连接作为它们之间的通信线，并独立控制一路OSSD(Output Signal Switching Device)安全输出，同时控制信号检测输出回路及各重要电路并进行反馈。两个MCU之间并行工作，无差别地接收数据，相互之间独立工作，任何一个出现故障另一个都会检测到，同时进行安全输出控制，保证信号的有效输出。

2 硬件设计
2．1 红外发射模块
    发射模块中红外发光管对工作效率的影响很大，需要根据其光度量参数、工作电流及工作电压等参数，进行适合的配置，提高系统中发光管的寿命及工作距离。
    光通量全部投射到面无dS的光照度为：
   
    式中，η为发光效率，u为发射管正向压降，If为光电流，光源光轴与面元法线夹角为θ，r为光源S到面元dS的距离。
    红外发射管的发光效率η和正向压降u通常是定值，由式(1)可知，当光照度一定时，适当减小检测距离可以大大减小光电流。工作电流及工作电压对发射功率起决定性作用，发射功率用辐照度表示。
    其红外辐射功率与正向工作电流成正比，电流在接近最大额定值时，器件的温度上升，使光发射功率下降，且电流过大易影响其使用寿命。电流过小，将影响其辐射功率的发挥。当电压越过正向阈值电压(本系统所使用的约1 V左右)时，电流开始流动，且其工作电流对工作电压十分敏感，因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。
    调制光的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，需设置红外发射管工作于脉冲状态，在电路设计时，需要尽量提高峰值电流Ip，使其发射距离更远。
    因红外发射管的使用寿命与其工作电流相互制约，可对其工作脉冲占空比进行合理调整，使得其峰值电流尽量高，而平均电流比较低，符合其正常工作的功耗要求，最终经过调试该红外发射管工作在1：4的占空比时，实验效果最佳。
    常用的红外发射管的发射角度有30°、45°、60°，角度越小，红外线越集中，发射距离越远。考虑以上因素，本系统选用的红外发射管，其峰值电流可达到1 A，发射角度为34°，能很好地满足系统要求。
    红外发射模块中AVR单片机ATmega32通过PA6端口控制移位寄存器HCF4094的时钟信号，从而控制红外发射管导通的时间；PA7端口控制其数据信号，用来选通红外发射管；PD4端口是单片机的输出比较匹配控制口，它连接移位寄存器的使能端OE；PD4端口使用定时器PWM模式，控制红外发射管的调制频率。单片机控制3个端口配合，使每支管子依次发光，控制时问为1 ms，实际发光时间为250μs，并在PD4给出的50 kHz调制频率下，有序地进行发射工作。
2．2 红外接收模块
    红外接收模块主要任务是负责红外发射模块与接收模块之间的通信、红外接收信号的处理及安全输出口的控制。
    红外接收管是一种光感电流源，光感电流与光通量成正比，光感电流对电容进行充电，通过光通量变化获得相应的电信号。无遮挡物时，光路通畅无阻，接收红外光，光感电流最大；有遮挡物通过检测区域时，光路部分被遮挡，输出电位升高。越有效遮光，输出电位越高。利用该原理可以实现对检测区域是否存在异物进行测定，进而可执行下一步的安全措施。
    红外接收模块两片MCU之间通过I／O口连接单稳态双触发器4538，定期发送窄脉冲给触发器，其输出口Q端则应在响应时段发送高电平，若有故障则输出低电平，信号输入另一个单片机I／O口中，进行电平检测。两单片机通过定时监测，实现实时相互检测。光幕的报警输入信
号要求系统能够及时响应，所以报警输入与单片机的外部中断引脚相连。整个光幕系统由红外接收模块MCU1主控，负责红外发射模块、红外接收模块的信号同步，并控制MCU2的工作。接收模块系统框图如图3所示。

    在红外发射模块及红外接收模块正常通信后，红外发射模块开始顺序发射红外光，同时红外接收模块控制的相应的红外接收管开始接收红外信号，进行一对一的红外光发射接收。红外接收器将接收到的光信号转化为电信号，经过滤波、放大、整形后分别输入给MCU1、MCU2，通过接收端的中断服务程序处理，进行同步操作，检测其窄脉冲与预设的是否相同。判断光幕是否被遮挡，信号是否有效，然后进行有效的安全输出控制。
2．3 安全输出模块
    光幕的输出电路形式一般分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种。
    晶体管输出电路相比于继电器输出响应快(一般在0．2 ms以下)，适用于要求快速响应的场合；晶体管无机械触点，比继电器输出电路寿命长。
    晶体管输出电路的应用局限是外接电源只能是直接电源，且其输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC 5～30 V，允许负载电流为0．2～0．5 A。
    晶体管输出电路的形式主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。NPN型控制输出在系统触发时，信号输出线OUT和电源线VCC连接，公共端COM只能接外接电源的负极，相当于输出高电平，OSSD常态是高电平。当光幕检测到物体遮挡时，控制安全输出动作，OSSD变为低电平；相反地，PNP型控制输出在系统触发时信号输出线OUT和0 V线连接，而PNP型的COM端只能接外接电源的正极，相当于输出低电平，OSSD常态是低电平，当光幕检测到物体遮挡时，OSSD安全输出动作，变为高电平。
    本光幕系统的OSSD安全输出模块采用的是晶体管NPN集电极开路输出电路。系统中采用双路OSSD输出，保证输入信号的正确性，且两个MCU都对安全输出口进行性能监测，通过电路具体设置，单片机定时检测控制该口的电平状态，从而判断是否为正常工作状态。确保系统处于正常的工作状态，保证输出信号的可靠性，从而对使用者提供有效的保护。
2．4 电源可靠性设计
    系统中需要使用的电源直流电压为24 V和5 V。外接电源为24 V的直流电源，需要对电源进行降压处理。电源电路如图4所示。

    在数字系统中，易产生尖峰电流，形成瞬间的噪声电压。配置旁路电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，系统中大量滤波电容的使用也保证了各器件电源的良好性能。此外，为防止电源遭到雷击，在外部直流电源输入端增加可吸收较大瞬间电流的稳压管D1。电路中采用了屏蔽技术、信号隔离等抗干扰措施。对于电源干扰，可经过直流、交流双重稳压，多重低通滤波，双重直流滤波稳压等措施排除电源干扰。
    在本系统，单片机可对电源进行一定程度的监控。图中D2为30 V稳压管，若两端电压高于30 V，则向单片机报警。报警部分的具体工作流程为：若D2上端电位为3l V，D2将吸收1 V电压，通过电流流向R1来释放，同时导通Q1，通过OVER—P向单片机报警。
2．5 使用中注意事项
    红外对管是决定安全光幕工作性能最重要的元件之一，对工作状态起决定作用。对于红外对管的选择需要满足以下要求：电性参数一致；光学参数一致；响应时间与控制时间一致；管芯的几何尺寸、形状、位置一致。
    在安装时，要保证红外对管的位置、方向和轴距的选取，以确保光路对称，并可减小干扰。在安装时，需要在管子前端安装滤光片滤除可见光干扰，结构上需要防水防尘，减少环境干扰。

3 软件设计
    本控制系统软件包括发射控制程序及接收控制程序，采用C语言在ICCAVR环境下编写，程序模块化设计，兼顾程序的可移植性、可读性、可靠性及实时性等要求。
    在软件设计中最关键的是如何完成两路移位脉冲的同步工作。发射控制器在初始化时，开始启动定时器T1，保持调制频率为50 kHz。收到开始命令后，进入发射控制程序模块。每次发射一个管子，计数器加1，当计数器为8时置1，表示小循环完成，小循环的次数根据总发射管的数目确定。
    红外接收模块中，MCU1在发送完开始命令后，根据发射管顺序及时间控制管子接收，同时，对中断接收处理过的红外信号进行判断，检查该发射管导通的时间段内接收的脉冲数，保证其接收的脉宽及脉冲数符合要求。
    接收控制程序具有实时多任务特征，各任务由相应的子程序实现。根据各任务的实时性及系统安全性要求，设计任务优先级从高到低为：OSSD安全输出程序、红外信号检测程序、通信程序、报警显示程序。
    软件系统设计响应时间快，在同步过程中要实现软件冗余，增加看门狗以防止进入死循环状态；且双路检测电路保持时序一致，发射／接收需定时进行同步通信。软件系统流程如图5所示。

结语
    光幕系统在工厂中使用，要具有较强的抗电磁干扰、抗环境噪声及长期抗震能力。针对该要求，本文提出基于双MCU的安全光幕设计方案。方案特点是充分利用双MCU的硬件资源和其编程的灵活性，将复杂的控制检测电路用比较合适的方式实现，且使用双路安全输出端口，提高了系统的安全性。系统的光路设计及同步设计很好地解决了光路之间相互干扰的问题，提高了系统精度；添加了物体存在时间的计算功能；同时系统具有故障检测功能，给使用人员提供最直接有效的保障。系统分辨率是14 mm，保护区域为4 m，系统反应时间<13 ms，具有操作简单、高效、精确等特点，为安全的工业生产提供了可靠的保障。