家电操作：安全第一

　　摘要：除了让家用电器的外形更加时尚美观之外，OEM厂商还需要考虑如何满足IEC/UL 60730等安全规程的要求。

　　正文：

　　您是否曾听说过“疯狂电器”的故事?比如微波炉自动启动;烤箱不需要任何人工指令就能启动预热功能。无线电和电磁接口在我们的世界里无所不在，因此确保家用电器的安全操作已变得越来越重要，这样我们才可以确信一家人外出度假时，烤箱不会烧毁房屋。

　　IEC/UL 60730标准是由国际电工技术委员会(IEC)专门针对家电设备中的自动电气控制单元而制定的一套安全要求。该标准对家用电器的机械、电气、电子、环境耐久性、电磁兼容性(EMC)以及异常操作进行了详细介绍。如今，电器产品的大部分自动电子控制都采用了具有嵌入式存储器和输入/输出外设的单芯片微控制器(MCU)。嵌入式MCU设计人员必须要满足IEC安全标准要求。由于资格认证过程可能需要花费几个月的时间，因此许多MCU厂商均提供实时嵌入式软件和API，以帮助加快资格认证过程。

　　IEC 60730标准将家电软件分为三类：

　　• A类：与设备安全性不相关的软件控制功能。这类功能包括湿度控制、照明控制、定时器和开关。

　　• B类：用于防止对控制设备进行不安全操作的软件控制功能。例如，可能包括洗衣机中的热熔断器和门锁。

　　• C类：用于防止特殊危险情况的软件控制功能。特殊危险情况包括用于封闭不通风热水器系统的燃烧器自动控制和热断流器。

　　大部分家用电器系统(如洗衣机、洗碗机、烘干机、冰箱、冰柜和烹调器/炉子)均应归为B类。但可能会引起爆炸的电器是例外，比如燃气控制的烘干机，这类电器应归为C类。

　　根据IEC 60730-1标准，B类软件应采用以下结构之一：

　　1. 带有功能测试的单通道：在带有功能测试的单通道结构中，软件可根据需要采用单个CPU来执行功能。在应用启动后执行功能测试，以确保所有的关键功能均能可靠运行。

　　2. 带有定期自测试的单通道：在带有定期自测试的单通道结构中，软件可根据需要采用单个CPU来执行功能。测试嵌入到软件中，在软件处于执行模式下时定期进行自测试。

　　3. 无对比的双通道：在无对比的双通道结构中，软件可采用两个CPU来执行重要功能。在执行重要功能之前，这两个CPU均需要确认它们已经完成了相应的任务。

　　尽管双通道结构的实现方案比上述任一种单通道结构的可靠性都高，但它的成本也更高，因为需要使用两个CPU。此外，双通道系统设计起来也更为复杂，因为两个设备需要经常进行通信。基于上述原因，许多电器制造商都转而采用带有定期自测试实现方案的单通道结构。

　　家用电器制造商在将最终产品推向市场之前，必须将其送往美国保险商实验室(UL)进行认证。这个过程需要花费大量时间和金钱。为了简化并加快认证过程，MCU和片上系统(SoC)供应商(Microchip、Freescale、赛普拉斯、Atmel等)通常会开发一些安全特性(如IEC 60730安全库)以及应用手册，以帮助制造商更快地满足规章要求。此外，一些供应商也会通过德国电气电子和信息技术协会(VDE)来认证其产品，比如赛普拉斯的可编程片上系统(PSoC)MCU系列，并在线发布认证证书供开发人员使用。这样供应商不必自己去提交这些测试，可以减少制造过程中的开发和文档编制工作，从而节省了认证成本。无论是“库”还是“程序”集，MCU供应商均提供了源代码和应用程序接口(API)，以便在系统集成过程中进行生产优化和程序调试。

　　随着家用电器逐渐变得更加智能，它们支持的传感器种类也更加广泛。例如，洗衣机中的温度传感器允许对水温进行精确控制，而压力传感器可用于测量洗衣筒中的水位，浊度传感器可监测水的混浊度。传感器本质上就是模拟装置，因此家用电器前面板电路板上至少有一个模拟信号轨。不过考虑到工作环境的噪声等级，可能需要对这些信号进行放大或衰减、过滤、频移等操作。要调节这些信号，需要使用一些组件，例如可编程增益放大器(PGA)、多路复用器总线、混合器、比较器(CMP)以及模数转换器(ADC)等。

　　以下示例演示了如何测试ADC的安全操作。在该示例中，我们将在PSoC设备上使用10位DelSig ADC[1]。下面的函数可实施ADC值测试。如果数字化输入电压值在定义的精度范围内等于所需的参考电压值，则表示测试成功。测试成功时，函数返回0;否则它将返回1(失败)。

　　函数

　　uint8 SelfTest_ADC(void)

　　Returns: 0 No error

　　1 Error detected

　　#define ADC_TEST_ACC 10

　　// +/- ADC result value

　　在这个设计(图1)中，我们使用了两个组件。每个组件均可进行配置，且均包含使用PSoC Creator IDE构建的全套动态生成的API库。PSoC组件是嵌入式IC，在PSoC Creator软件中用一个图标来表示。它们可用于将多个IC和系统接口集成到一个PSoC中。设计人员可将它们作为图标进行拖放以构建系统。完成系统配置后，即可对固件进行编写、编译和调试。

　　在本例中，可将参考电压连接至两极，这样便可以计算ADC增益和ADC偏移。测试功能可在测试之前保存所有组件配置和非保留寄存器，并在之后恢复它们。此功能可在调用期间一次完成输入参考电压值的测量。在下次调用过程中，输入参考电压的极性会发生变化，这样就可以用新的电极进行测试。此实现方案的优势是缩短了测试执行时间。

　　在过去的十年里，消费类电子产品的用户界面设计经历了革命性的飞跃，在此期间，数十亿部机械按键被电容式触摸感应按键所取代。家用电器制造商也逐渐开始采用稳健可靠的电容式触摸感应界面。尽管电容式触摸按键外形美观时尚，但它们也对安全标准提出了更高要求，特别是在严苛或敏感的操作环境中更为如此。为了降低风险，必须对用户界面IC进行失效模式与效果分析(FMEA)。就像IEC 60730一样，IC供应商可能会为涉及FMEA[2]的电容式感应提供专用安全库。

　　最常见的故障来源有物理PCB、触摸表面以及与传感器的连接。幸运的是，这类故障在制造测试中最容易被检测到，而且在实际使用中不常发生。无论如何，一旦检测到故障，用户都必须能够以一种安全的方式从故障中恢复或将系统关闭。随着将用户界面和主系统控制器集成到一个IC中的趋势日益显现，家用电器用户也需要一个专用于电容式触摸感应的软件库。以赛普拉斯的CapSense为例，使用了IDAC、VADC、PWM 和多路复用器混合信号模块。这些元件中任何一个的不正常运行都可能会导致误判的触摸或触摸未检测到。专门针对电容式感应的专用安全库能够为家用电器制造商提供故障安全型功能。

　　随着家用电器变得越来越智能、越来越时尚，消费者的安全操作意识也在不断提高，嵌入式系统设计人员也需要跟上这一发展趋势。无论软件库是基于API或安全程序，我们都要随时保持领先，要比消费者抢先一步发现潜在的故障，防患于未然。

　　插图说明：

　　图1.(png格式)：本原理图显示了采用PSoC Creator IDE构建的IEC安全ADC测试实现方案。

　　参考资料：

　　[1] AN78175 - PSoC® 3和PSoC 5LP - IEC 60730 B类安全软件库。www.cypress.com/go/homeappliance_safety

　　[2] AN79973 - PSoC3和PSoC5 CapSense CSD - IEC 60730 B类安全软件库。www.cypress.com/go/homeappliance_safety

      作者：

　　赛普拉斯半导体公司产品经理Meng He和首席应用工程师Greg Verge，www.cypress.com

　　Meng He毕业于马凯特大学(Marquette University)，获得电气工程专业理学硕士学位，自2007年开始在赛普拉斯半导体公司担任产品经理。他的电子邮箱地址为hmi@cypress.com。

　　Greg Verge现担任赛普拉斯半导体公司的首席应用工程师，毕业于西雅图大学，拥有BSEE和MBA学位。在过去十年里，他一直致力于研究微控制器、片上系统和电机控制的混合信号设计。他的电子邮箱地址为gjv@cypress.com。