摘要：介绍一种依据双MCU的安全光幕软硬件规划计划，完结了传统安全光幕检测给定区域有无物体的功用，还加入了对要害模块毛病检测的功用，并选用双路检测与安全输出机制，加强光幕作业的牢靠性。该体系主要由红外发射模块、红外接纳模块、安全输出模块组成。整个体系在ICCAVR及AVRStudio环境下规划，选用Atmel的ATmega32型AVR芯片规划完结，体系呼应时刻快，牢靠性高，满意高精度、高速度、高牢靠性的规划要求。
要害词：安全光幕；双MCU；红外发射；红外接纳；毛病检测
导言
安全光幕是一种光电类维护装置，也称安全维护器、红外线维护器、冲床维护器等。安全光幕现在的运用方法中，运用于机械点维护的产品有近70％，运用于通道进口及风险周边区域维护的产品有约30％。
依据EN954-1欧盟规范，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不断进步。4级的安全产品具有最短周期的自检功用，从检测到输出线路都是双线路彼此自检，单个元件的失效不会导致安全功用的损失，且安全体系在进行下一步操作时或之前检测到失效。国内市场上运用的安全光幕多以2级及以下产品为主，2级与4级产品的实践份额挨近9：1。
影响光幕体系牢靠安全运转的主要要素有体系结构规划、元件挑选、装置、制作工艺及外部的电气搅扰等，其间，体系结构规划影响严重。本计划规划了一款依据双MCU的光幕操控体系，从硬件选型、软件规划、牢靠通讯和结构规划等各个方面进步牢靠性，安全等级根本到达4级，完结双路检测及双路互检，分辨率为14 mm，呼应速度快，是一款具有毛病检测才能和高牢靠性的安全光幕体系。
1 安全光幕作业原理
1．1 体系组成
安全光幕体系主要由红外发射模块、红外接纳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、操控器及检测电路3部分组成。发射模块中等间隔地装置若干个红外发射管，对应的接纳模块也装置有相同数量、相同次序摆放的红外接纳管。以8对红外管为例，体系选用水平1对1摆放方法进行作业。红外管等间隔生成光线阵列，构成一个“光幕”，以次序扫描的方法，合作操控盒及软件，完结进入检测规模物体的监控功用。
红外发射模块的操控器寻址发射50 kHz的脉冲信号，操控输出占空比，发生窄脉冲信号，使红外发射管顺次发光。经过操控器调制红外管发光信号，使其对环境中日光、照明等类似波长的红外线具有很强的抗搅扰才能。
红外接纳模块由红外接纳管、信号处理电路、双操控器、检测电路、状况指示电路组成。操控器完结与发射模块的同步通讯后，红外发射模块开端次序发射红外光，一起红外接纳模块开端接纳信号，该信号经过信号处理电路后进入双操控器，判别是否为设定红外信号，进行输出操控。红外接纳模块的双操控器会在固定周期内，守时协同地对安全输出模块及其他重要电路进行安全检测。当遇到遮挡及毛病时，首要操控安全输出回路的输出，然后经过数码管、指示灯进行状况指示及正告。
1．2 双MCU接纳模块同步作业及毛病检测
安全光幕红外接纳模块选用双单片机MCU1和MCU2和谐操控来完结对光幕中输出信号的操控及毛病检测功用，处理了接纳和操控与检测及信息回馈之间的对立，然后进步了体系的实时性和安稳性。
双MCU体系选用主从式结构，同享一个串行通道，结构如图2所示。主从MCU别离供给I／O口彼此衔接作为它们之间的通讯线，并独立操控一路OSSD(Output Signal Switching Device)安全输出，一起操控信号检测输出回路及各重要电路并进行反应。两个MCU之间并行作业，无差别地接纳数据，彼此之间独立作业，任何一个呈现毛病另一个都会检测到，一起进行安全输出操控，保证信号的有用输出。
2 硬件规划
2．1 红外发射模块
发射模块中红外发光管对作业功率的影响很大，需求依据其光衡量参数、作业电流及作业电压等参数，进行适宜的装备，进步体系中发光管的寿数及作业间隔。
光通量悉数投射到面无dS的光照度为：
式中，η为发光功率，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的间隔。
红外发射管的发光功率η和正向压降u通常是定值，由式(1)可知，当光照度一守时，恰当减小检测间隔能够大大减小光电流。作业电流及作业电压对发射功率起决议性作用，发射功率用辐照度表明。
其红外辐射功率与正向作业电流成正比，电流在挨近最大额定值时，器材的温度上升，使光发射功率下降，且电流过大易影响其运用寿数。电流过小，将影响其辐射功率的发挥。当电压跳过正向阈值电压(本体系所运用的约1 V左右)时，电流开端活动，且其作业电流对作业电压非常灵敏，因而要求作业电压准确、安稳，不然影响辐射功率的发挥及其牢靠性。
调制光的有用传送间隔与脉冲的峰值电流成正比，需设置红外发射管作业于脉冲状况，在电路规划时，需求尽量进步峰值电流Ip，使其发射间隔更远。
因红外发射管的运用寿数与其作业电流彼此限制，可对其作业脉冲占空比进行合理调整，使得其峰值电流尽量高，而均匀电流比较低，契合其正常作业的功耗要求，终究经过调试该红外发射管作业在1：4的占空比时，试验作用最佳。
常用的红外发射管的发射视点有30°、45°、60°，视点越小，红外线越会集，发射间隔越远。考虑以上要素，本体系选用的红外发射管，其峰值电流可到达1 A，发射视点为34°，能很好地满意体系要求。
红外发射模块中AVR单片机ATmega32经过PA6端口操控移位寄存器HCF4094的时钟信号，然后操控红外发射管导通的时刻；PA7端口操控其数据信号，用来选通红外发射管；PD4端口是单片机的输出比较匹配操控口，它衔接移位寄存器的使能端OE；PD4端口运用守时器PWM方法，操控红外发射管的调制频率。单片机操控3个端口合作，使每支管子顺次发光，操控时问为1 ms，实践发光时刻为250μs，并在PD4给出的50 kHz调制频率下，有序地进行发射作业。
2．2 红外接纳模块
红外接纳模块主要使命是担任红外发射模块与接纳模块之间的通讯、红外接纳信号的处理及安全输出口的操控。
红外接纳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，经过光通量改变取得相应的电信号。无遮挡物时，光路通畅无阻，接纳红外光，光感电流最大；有遮挡物经过检测区域时，光路部分被遮挡，输出电位升高。越有用遮光，输出电位越高。运用该原理能够完结对检测区域是否存在异物进行测定，然后可执行下一步的安全办法。
红外接纳模块两片MCU之间经过I／O口衔接单稳态双触发器4538，守时发送窄脉冲给触发器，其输出口Q端则应在呼应时段发送高电平，若有毛病则输出低电平，信号输入另一个单片机I／O口中，进行电平检测。两单片机经过守时监测，完结实时彼此检测。光幕的报警输入信
号要求体系能够及时呼应，所以报警输入与单片机的外部中止引脚相连。整个光幕体系由红外接纳模块MCU1主控，担任红外发射模块、红外接纳模块的信号同步，并操控MCU2的作业。接纳模块体系框图如图3所示。
在红外发射模块及红外接纳模块正常通讯后，红外发射模块开端次序发射红外光，一起红外接纳模块操控的相应的红外接纳管开端接纳红外信号，进行1对1的红外光发射接纳。红外接纳器将接纳到的光信号转化为电信号，经过滤波、扩大、整形后别离输入给MCU1、MCU2，经过接纳端的中止服务程序处理，进行同步操作，检测其窄脉冲与预设的是否相同。判别光幕是否被遮挡，信号是否有用，然后进行有用的安全输出操控。
2．3 安全输出模块
光幕的输出电路方法一般分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种。
晶体管输出电路比较于继电器输出呼应快(一般在0．2 ms以下)，适用于要求快速呼应的场合；晶体管无机械触点，比继电器输出电路寿数长。
晶体管输出电路的运用限制是外接电源只能是直接电源，且其输出驱动才能要小于继电器输出，答应负载电压一般为DC 5～30 V，答应负载电流为0．2～0．5 A。
晶体管输出电路的方法主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。NPN型操控输出在体系触发时，信号输出线OUT和电源线VCC衔接，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，操控安全输出动作，OSSD变为低电平；相反地，PNP型操控输出在体系触发时信号输出线OUT和0 V线衔接，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。
本光幕体系的OSSD安全输出模块选用的是晶体管NPN集电极开路输出电路。体系中选用双路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功用监测，经过电路详细设置，单片机守时检测操控该口的电平状况，然后判别是否为正常作业状况。保证体系处于正常的作业状况，保证输出信号的牢靠性，然后对运用者供给有用的维护。
2．4 电源牢靠性规划
体系中需求运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，需求对电源进行降压处理。电源电路如图4所示。
在数字体系中，易发生尖峰电流，构成瞬间的噪声电压。装备旁路电容能够按捺因负载改变而发生的噪声，体系中很多滤波%&&&&&%的运用也保证了各器材电源的杰出功用。此外，为避免电源遭到雷击，在外部直流电源输入端添加可吸收较大瞬间电流的稳压管D1。电路中选用了屏蔽技能、信号阻隔等抗搅扰办法。关于电源搅扰，可经过直流、沟通两层稳压，多重低通滤波，两层直流滤波稳压等办法扫除电源搅扰。
在本体系，单片机可对电源进行必定程度的监控。图中D2为30 V稳压管，若两头电压高于30 V，则向单片机报警。报警部分的详细作业流程为：若D2上端电位为3l V，D2将吸收1 V电压，经过电流流向R1来开释，一起导通Q1，经过OVER—P向单片机报警。
2．5 运用中注意事项
红外对管是决议安全光幕作业功用最重要的元件之一，对作业状况起决议作用。关于红外对管的挑选需求满意以下要求：电性参数共同；光学参数共同；呼应时刻与操控时刻共同；管芯的几许尺度、形状、方位共同。
在装置时，要保证红外对管的方位、方向和轴距的选取，以保证光路对称，并可减小搅扰。在装置时，需求在管子前端装置滤光片滤除可见光搅扰，结构上需求防水防尘，削减环境搅扰。
3 软件规划
本操控体系软件包含发射操控程序及接纳操控程序，选用C言语在%&&&&&%CAVR环境下编写，程序模块化规划，统筹程序的可移植性、可读性、牢靠性及实时性等要求。
在软件规划中最要害的是怎么完结两路移位脉冲的同步作业。发射操控器在初始化时，开端发动守时器T1，坚持调制频率为50 kHz。收到开端指令后，进入发射操控程序模块。每次发射一个管子，计数器加1，当计数器为8时置1，表明小循环完结，小循环的次数依据总发射管的数目确认。
红外接纳模块中，MCU1在发送完开端指令后，依据发射管次序及时刻操控管子接纳，一起，对中止接纳处理过的红外信号进行判别，查看该发射管导通的时刻段内接纳的脉冲数，保证其接纳的脉宽及脉冲数契合要求。
接纳操控程序具有实时多使命特征，各使命由相应的子程序完结。依据各使命的实时性及体系安全性要求，规划使命优先级从高到低为：OSSD安全输出程序、红外信号检测程序、通讯程序、报警显现程序。
软件体系规划呼应时刻快，在同步过程中要完结软件冗余，添加看门狗以避免进入死循环状况；且双路检测电路坚持时序共同，发射／接纳需守时进行同步通讯。软件体系流程如图5所示。
结语
光幕体系在工厂中运用，要具有较强的抗电磁搅扰、抗环境噪声及长时刻抗震才能。针对该要求，本文提出依据双MCU的安全光幕规划计划。计划特色是充分运用双MCU的硬件资源和其编程的灵活性，将杂乱的操控检测电路用比较适宜的方法完结，且运用双路安全输出端口，进步了体系的安全性。体系的光路规划及同步规划很好地处理了光路之间彼此搅扰的问题，进步了体系精度；添加了物体存在时刻的核算功用；一起体系具有毛病检测功用，给运用人员供给最直接有用的保证。体系分辨率是14 mm，维护区域为4 m，体系反应时刻13 ms，具有操作简略、高效、准确等特色，为安全的工业生产供给了牢靠的保证。
