基于双MCU可故障检测的安全光幕设计

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。