一种基于双MCU的安全光幕设计方案

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一种基于双MCU的安全光幕设计方案

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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