一種基于雙MCU的安全光幕設計方案

摘要：介紹一種基于雙MCU的安全光幕軟硬件設計方案，實現了傳統安全光幕檢測給定區域有無物體的功能，還加入了對關鍵模塊故障檢測的功能，并采用雙路檢測與安全輸出機制，加強光幕工作的可靠性。該系統主要由紅外發射模塊、紅外接收模塊、安全輸出模塊組成。整個系統在ICCAVR及AVRStudio環境下設計，采用Atmel的ATmega32型AVR芯片設計實現，系統響應時間快，可靠性高，滿足高精度、高速度、高可靠性的設計要求。

關鍵詞：安全光幕;雙MCU;紅外發射;紅外接收;故障檢測

引言

安全光幕是一種光電類保護裝置，也稱安全保護器、紅外線保護器、沖床保護器等。安全光幕目前的應用方式中，應用于機械點保護的產品有近70%，應用于通道入口及危險周邊區域保護的產品有約30%。

根據EN954-1歐盟標準，將安全產品分為B、1、2、3、4共5種不同的安全等級。其安全性由B到4不斷提升。4級的安全產品具有最短周期的自檢功能，從檢測到輸出線路都是雙線路相互自檢，單個元件的失效不會導致安全功能的喪失，且安全系統在進行下一步操作時或之前檢測到失效。國內市場上應用的安全光幕多以2級及以下產品為主，2級與4級產品的實際比例接近9：1。

影響光幕系統可靠安全運行的主要因素有系統結構設計、元件選擇、安裝、制造工藝及外部的電氣干擾等，其中，系統結構設計影響重大。本方案設計了一款基于雙MCU的光幕控制系統，從硬件選型、軟件設計、可靠通信和結構設計等各個方面提高可靠性，安全等級基本達到4級，實現雙路檢測及雙路互檢，分辨率為14 mm，響應速度快，是一款具有故障檢測能力和高可靠性的安全光幕系統。

1 安全光幕工作原理

1.1 系統組成

安全光幕系統主要由紅外發射模塊、紅外接收模塊及安全輸出模塊組成，如圖1所示。

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紅外發射模塊由紅外發射管、控制器及檢測電路3部分組成。發射模塊中等間距地安裝若干個紅外發射管，對應的接收模塊也安裝有相同數量、相同順序排列的紅外接收管。以8對紅外管為例，系統采用水平一對一排列方式進行工作。紅外管等間距生成光線陣列，形成一個“光幕”，以順序掃描的方式，配合控制盒及軟件，實現進入檢測范圍物體的監控功能。

紅外發射模塊的控制器尋址發射50 kHz的脈沖信號，控制輸出占空比，產生窄脈沖信號，使紅外發射管依次發光。通過控制器調制紅外管發光信號，使其對環境中日光、照明等相似波長的紅外線具有很強的抗干擾能力。

紅外接收模塊由紅外接收管、信號處理電路、雙控制器、檢測電路、狀態指示電路組成。控制器完成與發射模塊的同步通信后，紅外發射模塊開始順序發射紅外光，同時紅外接收模塊開始接收信號，該信號經過信號處理電路后進入雙控制器，判斷是否為設定紅外信號，進行輸出控制。紅外接收模塊的雙控制器會在固定周期內，定期協同地對安全輸出模塊及其他重要電路進行安全檢測。當遇到遮擋及故障時，首先控制安全輸出回路的輸出，然后通過數碼管、指示燈進行狀態指示及警告。

1.2 雙MCU接收模塊同步工作及故障檢測

安全光幕紅外接收模塊采用雙單片機MCU1和MCU2協調控制來實現對光幕中輸出信號的控制及故障檢測功能，解決了接收和控制與檢測及信息回饋之間的矛盾，從而提高了系統的實時性和穩定性。

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雙MCU系統采用主從式結構，共享一個串行通道，結構如圖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，并獨立控制一路OSSD(Output Signal Switching Device)安全輸出，同時控制信號檢測輸出回路及各重要電路并進行反饋。兩個MCU之間并行工作，無差別地接收數據，相互之間獨立工作，任何一個出現故障另一個都會檢測到，同時進行安全輸出控制，保證信號的有效輸出。

2 硬件設計

2.1 紅外發射模塊

發射模塊中紅外發光管對工作效率的影響很大，需要根據其光度量參數、工作電流及工作電壓等參數，進行適合的配置，提高系統中發光管的壽命及工作距離。

光通量全部投射到面無dS的光照度為：

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式中，η為發光效率，u為發射管正向壓降，If為光電流，光源光軸與面元法線夾角為θ，r為光源S到面元dS的距離。