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基于双MCU可故障检测的安全光幕设计

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基于双MCU可故障检测的安全光幕设计

    感谢广东工业大学信息工程学院的科研工作者在安全光栅安全光幕领域所做的技术探索,为初学者提供一种设计思路和方法,上海驭云向他们的无私奉献致敬!以下内容来自网络。



林俊彬,唐露新,张智

广东工业大学信息工程学院,广510006

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
中图分类号: TN791文献标识码: A

Safety Light Curtain Based on Double MCU Fault Detection
Lin Junbin, Tang Luxin, Zhang Zhi
College of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China
Abstract: This paper introduces a software and hardware design of safety light curtain based on double MCU and realizes function which can detect whether objects exist in a given area. Fault detection function for key modules is added. Dual way detection and safety output mechanism are used to ensure reliability of the curtain. The system is mainly composed of infrared transmitting module, infrared receiving module and safety output module and is designed in ICCAVR and AVRStudio environment. It is designed and implemented with Atmel ATmega32 AVR chip. The system has fast response time and high reliability, meets the design requirements of high precision, high speed and high reliability.
Key words: safety light curtain; double MCU; infrared transmitting; infrared  receiving; fault detection




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%[1]。
  根据EN9541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[2]。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[3]。

  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。


安全光幕安全光栅系统图

图1 系统原理框图


  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[4],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。


安全光栅安全光幕系统设计简图

图2 主从式MCU系统设计简图


  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:


img3

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[5]。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,控制时间为1 ms,实际发光时间为250 μs,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[67]。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。


 安全光栅安全光幕红外接收模块系统框图

图3 红外接收模块控制系统框图


   img5

图4 电源电路


  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[8]。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[9] 。
  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31 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OVERP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[10]。
  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[11]。


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。


  安全光栅安全光幕软件流程图

图5 光幕软件系统流程图


结语
  安全光栅安全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。






2018年6月25日 20:30
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