二代安全模块硬件总体方案模板简.docx
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二代安全模块硬件总体方案模板简.docx
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二代安全模块硬件总体方案模板简
产品名称:
安全模块
产品型号:
ZQSFM-4J
硬件总体方案书
拟制:
日期:
2013.11
审核:
日期:
批准:
日期:
目录
1前言3
2参考文档及资料3
3设计任务简介3
3.1产品名称、型号、版本号3
3.2硬件设计目标3
4硬件模块总体结构3
4.1硬件模块系统架构3
4.2功能实现原理5
4.3关键技术分析5
5硬件总体设计方案5
5.1硬件电气原理方案5
5.2工作原理5
5.3设备状态转换图5
6兼容性设计6
7可靠性设计6
8安全设计6
8.1可靠性设计方案6
8.2安全设计6
8.3信息安全设计7
9电磁兼容设计7
9.1电磁兼容设计方案7
10硬件成本分析7
11候选方案7
11设计文档提交7
硬件总体方案书
1前言
本硬件项目的来源:
机器人运动过程中需要有足够的安全逻辑。
为此,设计一个模块,只对机器人的安全运行负责。
目的:
对机器人运行时的安全负责,出现问题及时上报主站,然后停止机器人的运行。
设计该模块是为了升级原版安全模块,作为第二种选择。
意义:
一是确保机器人的安全运行,二是升级原模块。
模块使用简单可靠,可用于三相四线,也可用于普通市电220V,可用于四轴机器人,也可用于五轴机器人。
2参考文档及资料
缺
3设计任务简介
3.1产品名称、型号、版本号
安全模块二代
3.2硬件设计目标
设计出来的安全模块要完美兼容目前的控制柜,功能和尺寸。
并完美复制第一版的功能,并做相关升级
4硬件模块总体结构
4.1硬件模块系统架构
如下图,该安全模块的总体架构如下图所示,主要包括电源的输入和输出,控制单元,开关与按键,安全接口,与主站的通讯,指示信息模块。
电源的输入与输出:
五线,三根线为功率电,两根线为控制电,功率电允许三相,也允许两相。
24V输入是由控制柜中电源模块输出的24V。
控制单元:
使用STM32F103VCT6(TQFP100封装)作为主控芯片,将外设的各种信号收集起来并处理。
开关和按键:
将外部的开关与按键通过光耦隔离后输入主控芯片的IO引脚,实时检测各个开关按键的状态。
安全接口:
通过光耦隔离,直接连接到主控芯片的IO口,实时检测安全接口的状态。
内部STO接口:
触发STO机制后,驱动内部STO接口向下级驱动器传递STO信号,使用继电器做稳定隔离
与主站通讯:
前期使用232通讯,后期改为使用EtherCAT通讯
指示信息代码:
LED的亮与灭直接显示安全模块的实时信息。
LCD则显示各种状态,包括错误代码等等。
工作原理:
各模块的作用单一,独立性较强,主要是电源供电,安全模块国祚,实时检测外设的状态,并将各个状态上报给主站。
4.2功能实现原理
主控芯片实时检测各个IO口的信息,并根据状态机做判断,然后实时将信息上传给主站,同时接受主站发送的命令,做出相应的响应。
4.3关键技术分析
硬件部分的稳定性,包括对信号的隔离,硬件逻辑部分的可靠性。
EtherCAT通信方式的实现,并保证稳定性。
5硬件总体设计方案
5.1硬件电气原理方案
电源的输入与输出:
24V输入电流至少0.16*3+0.025*35+0.025*22/4.8/0.3=1.55A。
理论上至少需要1.55A电流,故选用开关电源2-3A即可,选用Ti公司的3A输出的DC-DC满足要求
系统需要5V电源,3.3V电源,均使用TPS54331进行稳压。
控制单元:
使用STM32F103VCT6(TQFP100封装)作为主控芯片,有80个IO可以使用,本系统理论上需要57个IO口
开关和按键:
使用具有双路的开关按键,确保某一路出现问题,另一路额可以正常工作。
急停,模式,选择三种按钮均选择Rafi公司生产的Rafix22型面板开关。
安全接口:
用户自己扩展的接口,内部使用光耦进行隔离
与主站通讯:
前期使用232通讯,后期改为使用EtherCAT通讯,以切合新的系统。
指示信息代码:
主控芯片将安全模块自身的相关情况通过LED与LCD显示出来,常用于检修时。
5.2CPU,存储器
CPU中主要使用的是IO口的普通功能,即输入输出功能;只有三组使用复用功能,一组是下载线,一组是232通讯,另一组是EtherCAT通讯。
直接使用普通功能时,都加入了光耦进行隔离,确保CPU的安全性。
5.3电源、电池供电充电方案
电源使用控制柜中的电源模块输出的24V,该电源输出的是24V,2.7A
使用Supu电子生产的接插件。
5.4按键,液晶,告警指示等电路方案
急停按钮,功率按键,钥匙开关等都是使用Rifix公司的,一常闭,一常开,双路确保了可靠性。
液晶使用了并行的1602,及时将告警信息或者别的代码或者运行状态显示出来,由主控芯片直接进行控制。
5.5电路原理概述图
5.6接口电路方案
5.6.1接口统计:
表1:
强电板接口部分电路
接口名称
接口数
接口类型
接插件选择
三相四线交流输入
5
对外输入
5P间距5.08
5P间距5.08
三相四线功率输出
5
对外输出
19P接口
19
对外输入
23mm,19p圆形接插件
弱点板接口
14
板内连接
牛角头
安全接口
6
对外输出
6p间距3.81
风扇电源
2
对外输出
2p间距3.81
刹车控制
5
对外输出
5p间距3.81
备用24V
2
对外输出
4P间距3.81
备用5V
2
对外输出
与上一项共用
5.08接插件选择supu458类型的接插件
3.81的接插件选择MC-RJ3.81类型接插件
表2:
弱电板接口部分电路
接口名称
接口数
接口类型
接插件选择
串口通讯线
3
对外双向
3P间距3.81
强电板接口
14
板内连接
牛角座
EtherCAT模块接口
2组
板内连接
排座
表3:
强电弱电接口列表
编号
定义
编号
定义
1
GND
2
5V
3
24V
4
刹车信号1
5
刹车信号2
6
刹车信号3
7
刹车信号4
8
STO命令
9
相信息1
10
相信息2
11
相信息3
12
相信息4
13
STO反馈信息
14
GND
5.7PCB布板方案
5.8状态机
见附录
6兼容性设计
兼容三相四线,单相电,四轴控制柜和五轴控制柜。
对于其他产品,可以单独更换该模块。
可靠性设计
安全信号全部使用双路设计,一路失效,另一路仍旧起作用,确保安全信号正确传达到主控芯片。
外设均使用光耦进行隔离,确保电气上的隔离,保护主控部分不会受到干扰。
通讯使用比较成熟的RS232通讯和EtherCAT通讯,保证通讯的准确性和实效性。
7安全设计
7.1可靠性设计方案
选用电源为台湾明伟开关电源,其有质量保证,并且通过多种检验标准。
按钮使用RAFI公司生产的直接板连接RAFIX22系列,该公司专业生产开关和按钮。
连接器选用Supu公司生产的连接器。
PCB布线间距为0.3mm,对于大电流处,间距增大到2-3mm。
7.2安全设计
结合总体结构论述安全设计控制,目的是通过对国内外同类产品比较,以及以往前代产品的数据收集,来分析确定现设计产品的安全设计要点,保证产品符合相应的安全要求。
下面给出了部分设计要点:
根据产品的市场定位,确定产品需要通过哪些认证,进而确定产品中使用的安全关键件需要通过哪些认证:
国内CCC认证要求关键件通过CCC或CQC认证;欧盟CE认证要求关键件通过CE、VDE等认证;北美UL认证要求关键件也要通过UL认证。
目前我们使用的器件中属于安全关键件的大概包括以下这些:
电源模块、电源线、电源开关、电源插座、安规电容、保险、变压器、印制板基材、塑料外壳等
7.3信息安全设计
结合产品的应用领域论述产品信息安全设计,包括所遵从的国际标准、国家标准、行业标准及地方法规,如涉及信息安全问题须给出规避方案。
8电磁兼容设计
8.1电磁兼容设计方案
结合总体结构论述电磁兼容设计控制,目的是通过对同类产品比较,以及以往前代产品的数据收集,来分析确定现设计产品的电磁兼容设计要点,保证产品符合相应的要求。
9硬件成本分析
10候选方案
11设计文档提交
技术文件名称
是否需要提交
备注
原理图设计文件
√
Pcb工程文件、外协加工文件、贴片数据文件
√
底层程序
√
连接线设计图纸
√
Bom元件明细
√
附一:
流程图
附二:
暂定状态机状态
#define 按键确认时间
unsignedcharch;
unsignedcharflag,nkey,pkey;
unsignedchartime,pre_time,sto_time,jiting_time,key1_time,key2_time,key3_time;
Case(ch)
状态
相应操作
1
上电自检失败,通信自检成功
显示上电自检失败(LED或LCD),循环进行上电自检,直至上电自检成功,ch状态变为4。
2
上电自检成功,通信自检失败
显示通信自检失败(LED或LCD),循环进行通信自检,直至通信自检成功,ch状态变为4。
3
上电自检和通信自检均失败
显示上电自检失败、通信自检失败(LED或LCD),循环交替进行上电自检和通信自检。
若通信自检成功,ch状态变为1;若上电自检成功,ch状态变为2。
4
上电自检和通信自检均成功
等待使能,若使能成功,ch状态变为6;若使能失败,ch状态变为5。
5
使能失败,等待重使能
等待使能,若使能成功,ch状态变为6;若使能失败,ch状态变为5。
6
使能成功
进入CPU资源检测状态
Case(flag)
状态
相应操作
0
状态正常,没有检测到信号变化
循环检测IO的信号变化,time++,
1
初次检测到STO键被按下
记下当前time为pre_time,sto_time++(当sto_time加满一定值时,确认为STO按键被按下,flag状态变为2)
2
检测到STO键被按下&&sto_time>按键确认时间 &&(time-pre_time)<2*按键确认时间
断开功率电,上传状态到上位机,等待上位机改变flag状态进行下一步工作(同时sto_time清零)
3
(Time-pre_time)>2*按键确认时间 &&sto_time<按键确认时间
没有认为STO键被按下,只是认为是信号的抖动,flag状态变为0(同时sto_time清零)
4
初次检测到急停键被按下
记下当前time为pre_time,jiting_time++(当jiting_time加满一定值时,确认为急停按键被按下,flag状态变为5)
5
(检测到急停键被按下 &&jiting_time>按键确认时间 &&(time-pre_time)<2*按键确认时间
断开功率电,全部急停信号发出,上传状态到上位机,等待上位机改变flag状态进行下一步工作(同时jiting_time清零)
6
(Time-pre_time)>2*按键确认时间 &&jiting_time<按键确认时间
没有认为急停键被按下,只是认为是信号的抖动,flag状态变为0(同时jiting_time清零)
7
初次检测到钥匙方向停在方向一上 &&nkey!
=pkey
记下当前time为pre_time,key1_time++(当key1_time加满一定值时,确认为钥匙方向停在方向一,flag状态变为8)
8
检测到钥匙方向停在方向一上&&nkey!
=pkey&&key1_time>按键确认时间 &&(time-pre_time)<2*按键确认时间
执行钥匙方向停在方向一上的对应程序方案,上传状态到上位机(同时key1_time清零)(同时将nkey赋值为1)
9
(Time-pre_time)>2*按键确认时间 &&key2_time<按键确认时间
没有认为钥匙方向停在方向一上,只是认为是信号的抖动,flag状态变为0(同时key1_time清零)
10
初次检测到钥匙方向停在方向二上 &&nkey!
=pkey
记下当前time为pre_time,key2_time++(当key2_time加满一定值时,确认为钥匙方向停在方向二,flag状态变为11)
11
检测到钥匙方向停在方向二上&&nkey!
=pkey&&key2_time>按键确认时间 &&(time-pre_time)<2*按键确认时间
执行钥匙方向停在方向二上的对应程序方案,上传状态到上位机(同时key2_time清零)(同时将nkey赋值为2)
12
(Time-pre_time)>2*按键确认时间 &&key2_time<按键确认时间
没有认为钥匙方向停在方向二上,只是认为是信号的抖动,flag状态变为0(同时key2_time清零)
13
初次检测到钥匙方向停在方向三上 &&nkey!
=pkey
记下当前time为pre_time,key3_time++(当key3_time加满一定值时,确认为钥匙方向停在方向三,flag状态变为14)
14
检测到钥匙方向停在方向三上&&nkey!
=pkey&&key3_time>按键确认时间 &&(time-pre_time)<2*按键确认时间
执行钥匙方向停在方向三上的对应程序方案,上传状态到上位机(同时key3_time清零)(同时将nkey赋值为3)
15
(Time-pre_time)>2*按键确认时间 &&key2_time<按键确认时间
没有认为钥匙方向停在方向三上,只是认为是信号的抖动,flag状态变为0(同时key3_time清零)
16
检测接收到暂停信号
......
17
检测接收到停止信号
......
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