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一種基于雙MCU的安全光幕設(shè)計(jì)方案

作者: 時(shí)間:2014-04-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(cè)給定區(qū)域有無(wú)物體的功能,還加入了對(duì)關(guān)鍵模塊故障檢測(cè)的功能,并采用雙路檢測(cè)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(mǎn)足高精度、高速度、高可靠性的設(shè)計(jì)要求。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/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(cè)

引言

安全光幕是一種光電類(lèi)保護(hù)裝置,也稱(chēng)安全保護(hù)器、紅外線(xiàn)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(cè)到輸出線(xiàn)路都是雙線(xiàn)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(cè)到失效。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(xiàn)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(cè)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(guò)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(zhǎng)的紅外線(xiàn)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(cè)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(kāi)始順序發(fā)射紅外光,同時(shí)紅外接收模塊開(kāi)始接收信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)。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(guò)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(cè)

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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光幕中輸出信號(hào)的控制及故障檢測(cè)功能,解決了接收和控制與檢測(cè)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(xiàn),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(cè)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(wú)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(cè)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(wú)dS的光照度為:

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c.jpg

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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(xiàn)夾角為θ,r為光源S到面元dS的距離。


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