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摘要： 除了讓家用電器的外形更加時(shí)尚美觀(guān)之外，OEM廠(chǎng)商還需要考慮如何滿(mǎn)足IEC/UL 60730等安全規程的要求。 正文： 您是否曾聽(tīng)說(shuō)過(guò)“瘋狂電器”的故事?比如微波爐自動(dòng)啟動(dòng);烤箱不需要任何人工指令就能啟動(dòng)預熱功能。無(wú)線(xiàn)電和電磁接口在我們的世界里無(wú)所不在，因此確保家用電器的安全操作已變得越來(lái)越重要，這樣我們才可以確信一家人外出度假時(shí)，烤箱不會(huì )燒毀房屋。 IEC/UL 60730標準是由國際電工技術(shù)委員會(huì )(IEC)專(zhuān)門(mén)針對家電設備中的自動(dòng)電氣控制單元而制定的一套安全要求。該標準對家用電器的機械、電氣、電子、環(huán)境耐久性、電磁兼容性(EMC)以及異常操作進(jìn)行了詳細介紹。如今，電器產(chǎn)品的大部分自動(dòng)電子控制都采用了具有嵌入式存儲器和輸入/輸出外設的單芯片微控制器(MCU)。嵌入式MCU設計人員必須要滿(mǎn)足IEC安全標準要求。由于資格認證過(guò)程可能需要花費幾個(gè)月的時(shí)間，因此許多MCU廠(chǎng)商均提供實(shí)時(shí)嵌入式軟件和API，以幫助加快資格認證過(guò)程。 IEC 60730標準將家電軟件分為三類(lèi)： ? A類(lèi)：與設備安全性不相關(guān)的軟件控制功能。這類(lèi)功能包括濕度控制、照明控制、定時(shí)器和開(kāi)關(guān)。 ? B類(lèi)：用于防止對控制設備進(jìn)行不安全操作的軟件控制功能。例如，可能包括洗衣機中的熱熔斷器和門(mén)鎖。 ? C類(lèi)：用于防止特殊危險情況的軟件控制功能。特殊危險情況包括用于封閉不通風(fēng)熱水器系統的燃燒器自動(dòng)控制和熱斷流器。 大部分家用電器系統(如洗衣機、洗碗機、烘干機、冰箱、冰柜和烹調器/爐子)均應歸為B類(lèi)。但可能會(huì )引起爆炸的電器是例外，比如燃氣控制的烘干機，這類(lèi)電器應歸為C類(lèi)。 根據IEC 60730-1標準，B類(lèi)軟件應采用以下結構之一： 1. 帶有功能測試的單通道：在帶有功能測試的單通道結構中，軟件可根據需要采用單個(gè)CPU來(lái)執行功能。在應用啟動(dòng)后執行功能測試，以確保所有的關(guān)鍵功能均能可靠運行。 2. 帶有定期自測試的單通道：在帶有定期自測試的單通道結構中，軟件可根據需要采用單個(gè)CPU來(lái)執行功能。測試嵌入到軟件中，在軟件處于執行模式下時(shí)定期進(jìn)行自測試。 3. 無(wú)對比的雙通道：在無(wú)對比的雙通道結構中，軟件可采用兩個(gè)CPU來(lái)執行重要功能。在執行重要功能之前，這兩個(gè)CPU均需要確認它們已經(jīng)完成了相應的任務(wù)。 盡管雙通道結構的實(shí)現方案比上述任一種單通道結構的可靠性都高，但它的成本也更高，因為需要使用兩個(gè)CPU。此外，雙通道系統設計起來(lái)也更為復雜，因為兩個(gè)設備需要經(jīng)常進(jìn)行通信�；谏鲜鲈�，許多電器制造商都轉而采用帶有定期自測試實(shí)現方案的單通道結構。 家用電器制造商在將最終產(chǎn)品推向市場(chǎng)之前，必須將其送往美國保險商實(shí)驗室(UL)進(jìn)行認證。這個(gè)過(guò)程需要花費大量時(shí)間和金錢(qián)。為了簡(jiǎn)化并加快認證過(guò)程，MCU和片上系統(SoC)供應商(Microchip、Freescale、賽普拉斯、Atmel等)通常會(huì )開(kāi)發(fā)一些安全特性(如IEC 60730安全庫)以及應用手冊，以幫助制造商更快地滿(mǎn)足規章要求。此外，一些供應商也會(huì )通過(guò)德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì )(VDE)來(lái)認證其產(chǎn)品，比如賽普拉斯的可編程片上系統(PSoC)MCU系列，并在線(xiàn)發(fā)布認證證書(shū)供開(kāi)發(fā)人員使用。這樣供應商不必自己去提交這些測試，可以減少制造過(guò)程中的開(kāi)發(fā)和文檔編制工作，從而節省了認證成本。無(wú)論是“庫”還是“程序”集，MCU供應商均提供了源代碼和應用程序接口(API)，以便在系統集成過(guò)程中進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化和程序調試。 隨著(zhù)家用電器逐漸變得更加智能，它們支持的傳感器種類(lèi)也更加廣泛。例如，洗衣機中的溫度傳感器允許對水溫進(jìn)行精確控制，而壓力傳感器可用于測量洗衣筒中的水位，濁度傳感器可監測水的混濁度。傳感器本質(zhì)上就是模擬裝置，因此家用電器前面板電路板上至少有一個(gè)模擬信號軌。不過(guò)考慮到工作環(huán)境的噪聲等級，可能需要對這些信號進(jìn)行放大或衰減、過(guò)濾、頻移等操作。要調節這些信號，需要使用一些組件，例如可編程增益放大器(PGA)、多路復用器總線(xiàn)、混合器、比較器(CMP)以及模數轉換器(ADC)等。 以下示例演示了如何測試ADC的安全操作。在該示例中，我們將在PSoC設備上使用10位DelSig ADC[1]。下面的函數可實(shí)施ADC值測試。如果數字化輸入電壓值在定義的精度范圍內等于所需的參考電壓值，則表示測試成功。測試成功時(shí)，函數返回0;否則它將返回1(失敗)。 函數 uint8 SelfTest_ADC(void) Returns: 0 No error 1 Error detected #define ADC_TEST_ACC 10 // +/- ADC result value 在這個(gè)設計(圖1)中，我們使用了兩個(gè)組件。每個(gè)組件均可進(jìn)行配置，且均包含使用PSoC Creator IDE構建的全套動(dòng)態(tài)生成的API庫。PSoC組件是嵌入式IC，在PSoC Creator軟件中用一個(gè)圖標來(lái)表示。它們可用于將多個(gè)IC和系統接口集成到一個(gè)PSoC中。設計人員可將它們作為圖標進(jìn)行拖放以構建系統。完成系統配置后，即可對固件進(jìn)行編寫(xiě)、編譯和調試。 在本例中，可將參考電壓連接至兩極，這樣便可以計算ADC增益和ADC偏移。測試功能可在測試之前保存所有組件配置和非保留寄存器，并在之后恢復它們。此功能可在調用期間一次完成輸入參考電壓值的測量。在下次調用過(guò)程中，輸入參考電壓的極性會(huì )發(fā)生變化，這樣就可以用新的電極進(jìn)行測試。此實(shí)現方案的優(yōu)勢是縮短了測試執行時(shí)間。 在過(guò)去的十年里，消費類(lèi)電子產(chǎn)品的用戶(hù)界面設計經(jīng)歷了革命性的飛躍，在此期間，數十億部機械按鍵被電容式觸摸感應按鍵所取代。家用電器制造商也逐漸開(kāi)始采用穩健可靠的電容式觸摸感應界面。盡管電容式觸摸按鍵外形美觀(guān)時(shí)尚，但它們也對安全標準提出了更高要求，特別是在嚴苛或敏感的操作環(huán)境中更為如此。為了降低風(fēng)險，必須對用戶(hù)界面IC進(jìn)行失效模式與效果分析(FMEA)。就像IEC 60730一樣，IC供應商可能會(huì )為涉及FMEA[2]的電容式感應提供專(zhuān)用安全庫。 最常見(jiàn)的故障來(lái)源有物理PCB、觸摸表面以及與傳感器的連接。幸運的是，這類(lèi)故障在制造測試中最容易被檢測到，而且在實(shí)際使用中不常發(fā)生。無(wú)論如何，一旦檢測到故障，用戶(hù)都必須能夠以一種安全的方式從故障中恢復或將系統關(guān)閉。隨著(zhù)將用戶(hù)界面和主系統控制器集成到一個(gè)IC中的趨勢日益顯現，家用電器用戶(hù)也需要一個(gè)專(zhuān)用于電容式觸摸感應的軟件庫。以賽普拉斯的CapSense為例，使用了IDAC、VADC、PWM 和多路復用器混合信號模塊。這些元件中任何一個(gè)的不正常運行都可能會(huì )導致誤判的觸摸或觸摸未檢測到。專(zhuān)門(mén)針對電容式感應的專(zhuān)用安全庫能夠為家用電器制造商提供故障安全型功能。 隨著(zhù)家用電器變得越來(lái)越智能、越來(lái)越時(shí)尚，消費者的安全操作意識也在不斷提高，嵌入式系統設計人員也需要跟上這一發(fā)展趨勢。無(wú)論軟件庫是基于A(yíng)PI或安全程序，我們都要隨時(shí)保持領(lǐng)先，要比消費者搶先一步發(fā)現潛在的故障，防患于未然。 插圖說(shuō)明： 圖1.(png格式)：本原理圖顯示了采用PSoC Creator IDE構建的IEC安全ADC測試實(shí)現方案。 參考資料： [1] AN78175 - PSoC? 3和PSoC 5LP - IEC 60730 B類(lèi)安全軟件庫。www.cypress.com/go/homeappliance_safety [2] AN79973 - PSoC3和PSoC5 CapSense CSD - IEC 60730 B類(lèi)安全軟件庫。www.cypress.com/go/homeappliance_safety |
