基于EN298：2003安全標(biāo)準(zhǔn)的自動燃氣控制器設(shè)計※

展召敏

（上海建橋?qū)W院 信息技術(shù)學(xué)院，上海201319）

引 言

由于能源的稀缺，如何使燃料資源利用更高效、更合理，已成為備受關(guān)注的民生大事。同時，燃氣安全隱患問題也亟待解決。隨著技術(shù)的進步，相關(guān)研究人員逐漸將控制理論應(yīng)用于燃燒過程控制領(lǐng)域中。目前，西方發(fā)達國家燃燒控制技術(shù)發(fā)展比較成熟，但產(chǎn)品成本較高；我國燃燒控制技術(shù)相對落后，生產(chǎn)燃燒器以及燃燒控制設(shè)備沒有明確的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)，故歐盟燃燒控制安全標(biāo)準(zhǔn)的引入具有重大意義。封裝在同一密閉殼體內(nèi)的器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使其發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收，產(chǎn)生光電流，經(jīng)進一步放大后，將電信號直接輸出，即實現(xiàn)了“電→光→電”的轉(zhuǎn)換及輸出。把光作為信號傳輸媒介，輸入端和輸出端在電氣特性上絕緣，這樣就實現(xiàn)了“電隔離”。

圖1 光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 設(shè)計規(guī)范

本設(shè)計符合EN298：2003安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鼓風(fēng)或非鼓風(fēng)燃氣燃燒器和燃氣用具的自動燃燒控制系統(tǒng)、程序控制裝置和與之相連接的火焰檢測裝置結(jié)構(gòu)、功能、測試方法和標(biāo)志要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光電耦合器隔離高低壓技術(shù)

光電耦合器是一種把發(fā)光源、受光器及信號處理電路

2.2 基于STC單片機ID的芯片加密技術(shù)

如果解密后的結(jié)果和EEPROM中的編碼相匹配，則進入正常循環(huán)；否則，使程序跑飛的同時清空所有EEPROM。此外，考慮到若加密驗證程序只放在主程序的開始執(zhí)行，則有被專業(yè)破解人員直接跳過加密驗證程序的可能，故系統(tǒng)設(shè)計時采用周期性加密驗證方式，提高系統(tǒng)保密性。

2.3 基于雙MCU的FailSafe技術(shù)

FailSafe技術(shù)要求在緊急狀況下可以立即切斷所有的危險輸出以防發(fā)生事故，即實現(xiàn)“故障導(dǎo)向安全”，也可稱作“失效安全”。燃氣控制器使用的特殊性決定了該系統(tǒng)對安全性要求比較高，本設(shè)計在采用冗余技術(shù)的前提下實現(xiàn)了FailSafe。冗余技術(shù)又稱為儲備技術(shù)，其核心理念是利用系統(tǒng)并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性，一般分為工作冗余和后備冗余。本設(shè)計中采用前者，即多單元平均負擔(dān)工作，工作能力有一定冗余。

系統(tǒng)工作過程中，電磁閥對火焰的控制是影響安全的重要因素。當(dāng)電磁閥打開時即有燃氣釋放，若沒有火焰存在是十分危險的，故需確保在沒有火焰時電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

如表1所列，設(shè)計使用兩個MCU對電磁閥和火焰的狀態(tài)進行檢測和控制。在認為兩個MCU同時出現(xiàn)故障的可能性非常低的前提下，當(dāng)有一個MCU或相關(guān)器件出現(xiàn)故障時，會在另一個MCU的控制下關(guān)閉電磁閥，并切斷所有的危險輸出，如燃氣釋放。假設(shè)每個MCU及相關(guān)部件出現(xiàn)故障的幾率是1%，雙MCU控制時出現(xiàn)故障的幾率僅為0.01%，即通過雙MCU控制實現(xiàn)了FailSafe。

表1 雙MCU控制下電磁閥工作狀態(tài)判定表

3 系統(tǒng)設(shè)計

功能設(shè)計要求略——編者注。

3.1 系統(tǒng)工作流程

燃氣控制器的系統(tǒng)運行流程如圖2所示，虛線框內(nèi)的各模塊是控制器中實際包含的模塊，而左側(cè)矩形框內(nèi)表示該控制器所要檢測和控制的外圍設(shè)備及相關(guān)電路。

圖中編號與燃燒控制系統(tǒng)工作流程相對應(yīng)：

①系統(tǒng)運行過程中，外圍輸入信號通過接口電路被控制系統(tǒng)的輸入模塊接收；

②經(jīng)過輸入模塊處理后的信號被中央處理模塊所接收；

③中央處理模塊中的兩個MCU對輸入信號進行分析和處理；

④通過故障處理模塊對系統(tǒng)運行故障進行檢測和處理，并將處理結(jié)果反饋給中央處理模塊；

圖2 燃氣控制器運行流程圖

⑤中央處理模塊將分析和處理后的信號傳輸給輸出控制模塊；

⑥輸出控制模塊將低壓控制信號通過繼電器來控制高壓信號，最后通過接口電路對外圍設(shè)備運行進行自動化控制。

在以上各模塊工作的過程中，均由電源管理模塊提供適當(dāng)電壓。

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)硬件電路

燃氣控制器硬件框圖如圖3所示，主要包括主控制器STC12C5204、輔助控制器STC12C5201、MCU同步電路、電源電路、輸入電路、輸出控制電路等幾個部分。圖3中出現(xiàn)的英文縮寫含義略——編者注。

圖3 燃氣控制器硬件框圖

3.2.2 系統(tǒng)輸入電路

（1）火焰檢測電路

圖4為燃氣控制器火焰檢測電路圖，主要利用火焰的導(dǎo)電性和整流效應(yīng)而設(shè)計。火焰檢測對系統(tǒng)來說非常重要，故探測點Fire同時連接到了MCU1和MCU2的I/O口上。

圖4 火焰檢測電路

圖4中FE為火焰探測器，電阻R46、R22和電容C4構(gòu)成低通濾波器。電阻R47和R14組成L型衰減器，使J10與N之間得到10.67 V交流電壓。電容C3起到交流耦合作用，使FE端得到純凈的交流信號。在FE點火時，1 mm內(nèi)約產(chǎn)生兩萬伏高壓脈沖，故電路中采用大功率電阻R46與R22，可以盡量拉開火焰探頭與檢測電路中比較器及光耦的距離，以保護電路。

無火焰存在時，F(xiàn)E端直流分量為零，在上拉電阻R17作用下，LM393同相輸入端INA＋電壓為＋0.7 V，比較器輸出為邏輯1，光耦不導(dǎo)通，F(xiàn)ire為低電平；有火焰存在時，燃氣燃燒器產(chǎn)生離子體，當(dāng)電源提供的交流電信號接觸到火焰探針時，可在火焰上形成通路，相當(dāng)于J10與零線之間接入一個二極管，具有單向?qū)ㄌ匦裕骱蟛ㄐ稳鐖D5所示，此時直流分量為負值。比較器同相輸入端INA＋為DC-0.7V，比較器的輸出為邏輯0，光耦導(dǎo)通，F(xiàn)ire為高電平。

圖5 有火焰存在時FE端信號波形圖

（2）低壓檢測電路

如圖6所示，為燃氣控制器低壓檢測電路圖。由于電壓不足時會影響系統(tǒng)的正常運行，因此，需要對系統(tǒng)電壓進行實時監(jiān)測。

低壓檢測通過比較器和低壓檢測電路共同完成。圖6中LOWVOLT是低壓檢測點，與主控MCU的I/O口相連接，高電平表示檢測電壓偏低，低電平表示電壓正常。網(wǎng)絡(luò)點5V1比零線電壓高5 V，經(jīng)分壓，反相輸入端INB-的電壓為1.875 V，同相輸入端INB＋的電壓為30 kΩ/（30 kΩ＋3 MΩ）×待測電壓

圖6 低壓檢測電路

臨界值為181.8 V，若同相輸入端的電壓低于反相輸入端，即供電電壓低于預(yù)設(shè)值，則光耦導(dǎo)通，LOWVOLT檢測到上升沿。

3.2.3 系統(tǒng)輸出控制電路

系統(tǒng)輸出控制電路邏輯如圖7所示，故障報警燈和風(fēng)機連在干路上，其他電路包括兩個燃氣控制閥門、點火裝置以及執(zhí)行器均需接受風(fēng)機的總控制，即只有在風(fēng)機打開的前提下，系統(tǒng)才允許進行輸氣、點火等動作。

圖7 系統(tǒng)輸出電路控制圖

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖8為燃氣控制器軟件架構(gòu)圖，顯示了軟件的主要組成部分及其嵌套關(guān)系。

圖8 燃氣控制器軟件架構(gòu)圖

3.3.2 主控MCU芯片加密及加密驗證軟件設(shè)計

主控MCU加密基礎(chǔ)是STC12C5201AD系列芯片的每一個單片機在出廠時都具有全球唯一的序列號（ID號），可以在單片機上電后通過相關(guān)指令從內(nèi)部RAM單元F1 H～F7H中存儲的連續(xù)7個單元值來獲取該單片機的ID號，利用其唯一性對MCU進行加密。此時，再燒錄流程控制程序則只能匹配當(dāng)前芯片。加密軟件流程、密碼驗證軟件流程如圖9、圖10所示。

圖9 加密軟件流程

圖10 密碼驗證軟件流程

3.3.3 系統(tǒng)流程控制軟件設(shè)計

結(jié)合系統(tǒng)功能要求及被測參數(shù)的相關(guān)性，確定各任務(wù)如下：

TASK＃1：開機檢測（鎖存錯誤檢測，火焰檢測，低壓檢測），重復(fù)檢測7次。

TASK＃2：CPI檢測，重復(fù)檢測20次。

TASK＃3：開機前LP檢測，重復(fù)檢測20次。

TASK＃4：打開風(fēng)機，兩個周期后進行風(fēng)機電平檢測。

圖11 主程序流程

TASK＃5：打開SA，進行火焰檢測和RWtest檢測，重復(fù)檢測40次。

TASK＃6：關(guān)閉SA，進行火焰檢測和RWtest檢測，重復(fù)檢測60次。

TASK＃7：打開BV2，4個周期后進行火焰檢測。

TASK＃8：關(guān)閉IG點火器，進行RWtest檢測，LP檢測，重復(fù)檢測14次。

TASK＃9：打開BV2，進行火焰檢測，RWtest檢測，LP檢測，重復(fù)檢測24小時。

根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行順序，畫出如圖11所示系統(tǒng)主程序流程圖，以及圖12所示sEOS系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程圖。系統(tǒng)運行時，首先進行密碼驗證，驗證通過后進行系統(tǒng)初始化，包括I/O口輸入輸出模式初始化、系統(tǒng)輸出控制模塊初始化、定時器初始化及任務(wù)切換時任務(wù)狀態(tài)值初始化。由于STC芯片內(nèi)置R/C振蕩器隨著溫度變化，其提供的頻率會有一定溫漂，加上制造工藝方面的誤差，導(dǎo)致內(nèi)部R/C振蕩器不夠敏感，因此燃氣控制器初始化完成后，需要根據(jù)工頻交流電頻率（50 Hz）來獲取校正后的芯片頻率，以此來保證系統(tǒng)運行控制的精度。產(chǎn)生中斷間隔（一個“Clock Tick”）為20 ms，根據(jù)系統(tǒng)功能對時間精度的需求，sEOS任務(wù)調(diào)度和切換周期定為0.5 s，即每隔0.5 s系統(tǒng)查詢一下任務(wù)狀態(tài)當(dāng)前值，根據(jù)該值決定任務(wù)的調(diào)度。

圖12 sEOS系統(tǒng)調(diào)度流程

結(jié) 語

本設(shè)計中參照EN298：2003標(biāo)準(zhǔn)，對燃氣控制器進行了系統(tǒng)設(shè)計，能夠有效減少國內(nèi)燃燒控制設(shè)備因缺乏明確的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)而存在的安全隱患；同時，由于國內(nèi)勞動力資源和電子元器件成本相對低廉，使該設(shè)計兼具了國外產(chǎn)品的高質(zhì)量和國內(nèi)產(chǎn)品的低成本這兩項優(yōu)點，希望能在一定程度上推動國內(nèi)燃燒控制行業(yè)的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案也可以給業(yè)界同行一個很好的借鑒。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]BS EN298-2003.鼓風(fēng)或非鼓風(fēng)燃燒器和燃氣具的自動燃氣控制器[S].

[2]任克強，劉暉.單片機系統(tǒng)硬件及軟件加密技術(shù)[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2003（7）.

[3]Michael J Pont.Embedded C[M].London：Pearson Education Limited，2002：143-203.