二代安全模块硬件总体方案模板简.doc

威海正棋机电技术有限公司产品名称：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32参考文档及资料33设计任务简介33.1产品名称、型号、版本号33.2硬件设计目标34硬件模块总体结构34.1硬件模块系统架构34.2功能实现原理54.3关键技术分析55硬件总体设计方案55.1硬件电气原理方案55.2工作原理55.3设备状态转换图56兼容性设计67可靠性设计68安全设计68.1可靠性设计方案68.2安全设计68.3信息安全设计79电磁兼容设计79.1电磁兼容设计方案710硬件成本分析711候选方案711设计文档提交7- 15 -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。5.2 CPU，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24V2对外输出4P间距3.81备用5V2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1GND25V324V4刹车信号15刹车信号26刹车信号37刹车信号48STO命令9相信息110相信息211相信息312相信息413STO反馈信息14GND5.7 PCB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unsigned char ch;unsigned char flag,nkey,pkey;unsigned char time,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&sto_time按键确认时间& (time-pre_time)2*按键确认时间&jiting_t