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用毫米波雷达实现功能安全性

2021-10-14
作者:贸泽电子Mark Patrick
来源:贸泽电子

功能安全已成为所有汽车、工业和消费产品设计的固有部分。工业制造和生产过程领域已经显著增加了电子控制系统的数量,目的是提高整体运营效率。工业 4.0 和工业物联网等举措也有助于提高现代工厂的效率和生产力。此外,工业机器人的采用以及最近引入的协作机器人加速了对可靠且强大的功能安全系统的需求,即便在许多工业过程所处的危险和具有挑战性的环境中,这些系统仍可以持续正常运行。

本文将探讨工业环境对功能安全的需求,给出一些示例应用。我们还将介绍一些术语,并解释安全完整性等级 (SIL) 的概念以及它如何会影响嵌入式工业控制系统设计。

实际应用中的功能安全

功能安全无处不在。无论是在家中,还是在工作场所,功能安全都会以超出我们意识的更多方式在生活的许多方面保护我们。例如,在宠物猫闲逛经过时,它可以防止触摸控制炉灶打开;如果操作员在设备运行过程中意外进入工作区域,则可以隔离并停止大型车床的运行;在车库门下面有人时,功能安全可防止其关闭。

在工业领域,功能安全是强制性的。通过使用正式和全面的方法来识别和分析可能发生的危险情况,可以保护工人免受伤害。例如,可能的失效、设备误用或意外的设备故障都会导致危险发生,也可能由于设备设计中的系统故障而发生危险。就识别出的每个潜在故障而论,对操作员或用户安全造成的后果和影响可通过安全完整性等级 (SIL) 来表示。总体而言,功能安全指标可以衡量机器或系统实施保护功能以避免或减轻事故发生的速度。

许多功能安全标准适用于不同类型的工业机械,其中大多数标准都与国际公认的 IEC 61508 电气、机电和电子操作机械标准有关。此外,另有一些功能安全标准则适用于特定的机械项目,例如可变速马达驱动器、可编程逻辑控制器,以及最近的工业机器人和协作机器人等。

任何功能安全机制的核心都有两个基本概念:安全功能和安全完整性。

为了防止事故或伤亡,需要使用安全功能。 这通常涉及电子系统中的传感器和控制电路,但许多简单的机械联锁装置或门销也可以提供类似的功能。

安全完整性定义了将伤害或死亡风险降低到可接受水平所需的干预程度。 IEC 61508 定义了三个安全完整性性能等级; SIL1、SIL2、SIL3。一个危险事件更频繁发生时的概率对 SIL会有影响。

功能安全不仅适用于特定操作人员使用的车床、数控刀具和工业机器人等生产设备;也适用于自动卷帘门、装货码头门和感测压力容器中的液位等等。

将功能安全集成到嵌入式工业控制器

包含有微控制器或微处理器的嵌入式系统是所有工业控制或可编程逻辑控制器系统的核心。通常,这些复杂和精密系统的任务是控制机器,并提供相关的安全功能。除了计算组件之外,传感器、电源管理和外围接口都需要考虑可能导致随机安全事件的潜在故障点。传感器是重要组件,它需要不断地将现实世界中发生的事件通知控制功能,其类型也多种多样。例如,MEMS 传感器通常检测加速度力和磁场,摄像头为计算机视觉人工智能(AI)系统提供信号,环境传感器则用来检测温度、湿度和气压等。

如果嵌入式控制器中的任何组件出现故障,它所控制的机器设备可能会运行不稳定,并且安全功能也无法运行。由于需要满足功能安全合规性,半导体和传感器供应商现在正在所提供的器件中集成自诊断程序,一旦发生故障,可以警告主机应用程序,以便可以立即停止运行。

对于嵌入式开发人员来说,选择包含内部安全功能且经过合格功能安全机构认证的组件可以节省大量设计工作。

感测功能安全隐患

将何种类型的传感器用于功能安全应用需要经过仔细考虑。例如,一个人走过正在关闭的卷帘门时,传感器对人体运动的响应速度有多快?检测的重复性可靠吗?运动传感器能否扫描行人可能通过的整个区域,而不会留下遗漏死角?然后还需要考虑环境因素。传感器是否位于室外,并会受到雨、雪和雾的影响?高温和湿度也会影响传感器性能。

对于上述卷帘门场景,通常使用安全光幕和光电开关(又叫做主动光电保护装置或 AOPD),但工程团队应审查任何潜在的操作挑战。例如,如果使用被动红外(PIR) 传感器(一种常用的 AOPD),其视野可能相对较窄,如果由于振动或安装滑动而出现轻微移动,可能会产生运行的假象,但不能完全覆盖所观察区域。此外,湿度和温度会影响 PIR 传感器的性能,并可能导致错误触发。

人工智能计算机视觉等基于摄像头的保护设备(又名基于视觉的保护设备或 VBPD)可能会提供更可靠的检测区域,能够识别运动物体本身,并确定行进速度和方向。然而,摄像头检测的可靠性同样也会受到湿度以及外部雨、雾和湿气的影响。此外,任何制造过程都可能会释放蒸汽、灰尘或其他会暂时影响运动检测的气体烟雾。同样,生产线上焊接操作产生的烟雾和火花也会影响基于视觉的运动检测。

用于功能安全的毫米波雷达

一种不受上述因素影响,且更可靠的检测方法是雷达。毫米波技术最近发展迅速,使德州仪器 (TI)等单一封装毫米波雷达片上系统IWR6843等的开发成为可能。

毫米波传感器能够提供远程物体距离、速度和角度等参数的高精度测量,适用于广泛的工业、商业和消费应用。特别是对于工业应用而言,毫米波对环境因素(包括光线不足、天气和极端温度)具有异常强大的耐受能力。图 1 展示了毫米波传感众多用例中的一些。

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图 1:TI IWR 系列毫米波雷达传感器的可能用例。(来源: TI)

TI IWR6843 IC 在单个 SoC 封装中集成了所有与雷达相关的模拟和数字功能,工作在 60 ~ 64 GHz 范围内,具有 4GHz 连续带宽(参见图 2.

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图 2:TI IWR6843 毫米波雷达 SoC 的功能框图。(来源:TI)

IWR6843 配备三个发射通道和四个接收通道。通常,该器件在 MIMO 模式下运行,但也可以同时使用所有三个 +12 dBm 发射器输出以及 6-bit 移相器来实现发射波束成形。Arm Cortex-R4F 微控制器内核控制射频/模拟前端和对象检测功能,TI TMS320C674X DSP 与集成式硬件加速器一起提供高级 FFT 和滤波信号处理功能。内部自校准处理器可在温度变化时保持工作频率恒定,而不会占用主机上的任何资源。同一处理器负责管理模拟前端的功能安全诊断。

该毫米波 SoC 已通过 TUV SUD 的 IEC 61508 认证,符合 SIL-2 规范,包含所有相关的功能安全实施文档。可以在此处查看 TUV SUD 证书。此外,该 IC 还为系统连接和集成附加应用功能提供全面的特色外设接口选项。

快速跟踪您的毫米波雷达设计

为了帮助加速毫米波雷达设计,TI还提供一系列硬件和软件工具。除了上面强调的 SIL-2 认证文档之外,TI 还设有一个功能安全资源中心,可在此处获取。

IWR6843ISK 是关于IWR6843 的一个综合毫米波独立传感器评估板,包括有板载集成天线阵列,参见图 3。

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图 3:TI IWR6843ISK 评估板包含有重要组件和集成式天线。(来源:TI)

评估板天线可提供远程探测能力,具有108 度方位角和 44 度仰角范围。为了进一步增强 IWR6843原型设计的功能,传感器板可以通过 60 针高速连接器连接到TI MMAVEBOOST 载卡。该载卡由 TI 的毫米波软件工具提供支持,如以下标注部分所示,并支持通过 USB 与主机 PC 连接进行调试和仿真。若添加一个实时数据捕获适配器DCA1000EVM(参见图 4),可允许采集原始模拟数据以进行分析和算法开发。 MMWAVEICBOOST 具有德州仪器 Launchpad 接口,可用来连接到 TI 嵌入式开发框架和 IDE。

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图 4:IWR6843ISK-ODS IWR6843 智能毫米波传感器标准天线插件模块(上),带有 MMWAVEICBOOST 毫米波传感器的载卡平台(中),以及用于雷达传感评估模块的 DCA1000EVM 实时数据采集适配器(下)。(来源:TI)

从软件的角度来看,TI网站可免费提供多个组件。

毫米波软件开发套件 (SDK) 可提供工具、程序库和驱动程序,以加快基于TI 毫米波传感器系列的应用评估和固件开发。对 SDK 相互补充的是工业工具箱,其中包括各种应用代码片段、演示例程和示例等。工业演示项目包括机器人技术、人数统计和手势识别等。

最后,还需要介绍一下mmWave Studio ,它基于微软 Windows 图形用户界面(GUI),可用来配置和控制 IWR 系列毫米波模块和评估板。工程师可以采集ADC 数据,用于射频特性的离线分析以及信号处理算法的开发和运行,也可以通过 MATLAB 对ADC数据进行后处理和可视化。

用毫米波雷达应对功能安全设计挑战

现代工业制造设施都处在繁忙且空间受限的场所,可能会给生产操作人员带来许多危险。为所有生产机械和访问设备(access equipment)提供强大的功能安全至关重要。基于毫米波技术的雷达传感器提供了一种方便、可靠和紧凑的方法,这种方法不易受到困扰其他传感器的环境和操作挑战影响。此外,德州仪器 IWR6843 传感器是第一个通过 IEC 61508 SIL-2 认证的毫米波传感器,能够极大地帮助最终产品测试和认证,以符合所需的功能安全标准要求。

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