基于Cortex—M3的自動扶梯安全控制器的設計

屈省源

摘要：針對近幾年自動扶梯發生的嚴重安全事故，本文按照電氣/電子/可編程電子安全相關系統功能安全標準IEC6150，研究了雙機冗余系統的硬件冗余技術和方法，提出了基于雙機熱備份的高可靠性自動扶梯安全控制器的雙CPU的系統方案，重點介紹了硬件總體設計方案，同時提出了一種典型的仲裁電路和看門狗電路的設計方案。

關鍵詞：自動扶梯 安全控制器 冗余系統

中圖分類號：TU857 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0007-01

近年來，自動扶梯系統在使用中，由于電子元器件的故障和誤動作，發生了一系列的安全事故，造成了極大的傷亡事故和財產損失。為了避免此類事故的再次發生，國家質檢總局在GB 16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》明確要求在自動扶梯和自動人行道系統中要安裝能直接監控自動扶梯和自動人行道運行的安全控制器。基于安全控制器構建的安全相關系統獨立于過程控制系統，能夠在危險事件發生之前正確地執行其安全功能，避免造成重大人員傷亡和財產損失，是保障生產安全的重要措施。

可靠性高是安全控制器的主要特點，一般采用冗余技術實現。安全控制器的冗余技術主要有軟件冗余和硬件冗余。目前硬件冗余所包含的種類主要有四種：電源的冗余、控制器冗余、通信網絡的冗余和I/O模塊的冗余。硬件冗余切換速度比較快，雖然在成本上有所增加，但是對于安全控制器而言還是可以接受的。

本文主要提出了一種基于STM32F106的具有容錯技術的雙CPU安全控制器的硬件設計方案。

1 整體設計方案

本文所提出的安全控制器的總體方案如圖1所示。

該控制器主要包含的硬件冗余技術有：（1）控制器冗余；（2）最小系統及報警裝置冗余；（3）接口模塊冗余。每個控制器都連接一個接口模塊，接口模塊都連接到總線上，控制器之間會定時發送心跳信號以確保對方是否處于正常工作狀態，每個工作周期都會進行數據傳輸，在數據的末端會添加CRC校驗符，確保數據傳輸的正確性與完整性。

當出現如下故障時控制器會切換或報警：（1）掉電；（2）控制器本身出現硬件故障；（3）接口模塊出現故障。

當備控制器與主控制器的通訊出現問題時，備控制器將通過與主控制器之間的所有連接進行最終的確認，若所有通訊方式均無效，則可以認定主控制器目前可能掉電，備控制器將報警并將相應的故障指示燈點亮。若通過檢測發現接口模塊工作正常而控制器工作不正常，則說明可能出現故障（2），此時備控制器將報警并點亮相應的故障指示燈。兩個接口模塊通訊或接口模塊檢測總線數據時，如若備用接口模塊發現主接口模塊出現問題，將通知備用控制器，備用控制器再請求主控制器做判斷。

2 仲裁電路設計

仲裁電路是冗余控制器的關鍵之一。主要確保主控制器和備用控制器的正確切換。本控制器采用的仲裁電路如圖2所示。

其中F_CPU_A和F_CPU_B分別是主、備用CPU的狀態信號。 EN_CPU_A和EN_CPU_B分別是主、備用CPU的使能信號。S是手動切換開關。由于主CPU和備用CPU是完全對稱的結構和功能，所以可以用S切換開關確定工作的CPU。

如果S接到高電平VCC，則默認是主CPU先工作。當主CPU故障時，F_CPU_A為高電平，則EN_CPU_A信號無效，EN_CPU_B使能信號有效，備用CPU工作。當2個CPU都故障時，則電路完全不工作。

3 看門狗電路設計

安全控制器中CPU是核心部件。為了能有效監測CPU的工作狀態，本控制器在電路上也做了硬件看門狗設計。硬件看門狗的結構圖如圖3所示。

本控制器采用SP706作為看門狗電路的主芯片。具有復位輸出、低電壓監測和手動復位等功能。

在上電的過程中，當Vcc達到1V，RESET將為一個穩定的邏輯低電平，一般為0.4V或者更低。當Vcc升高后，RESET將保持LOW。當Vcc超過復位閥值時，一個內部定時器將產生200ms 的RESET信號。當Vcc跌至復位閥值以下時，RESET保持低電平。如果在初始化復位的過程中產生掉電，復位脈沖將至少持續140ms。在下電的過程中，當Vcc跌至復位閥值以下，RESET將保持為LOW，并穩定在0.4V或更低，直到Vcc低于1V。

在+5V穩壓器產生壓差之前，選擇分壓比使PFI上的電壓降至1.25V以下。使用PPFO以中斷CPU，這樣可以監測CPU的工作電壓。

4 結語

采用冗余技術是保證安全控制器可靠工作的技術之一。本文主要討論了安全控制器的硬件設計方案。采用硬件看門狗技術能進一步提高控制器的工作可靠性。

參考文獻

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