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。