功能安全已成為所有汽車、工業(yè)和消費產(chǎn)品設(shè)計的固有部分。工業(yè)制造和生產(chǎn)過程領(lǐng)域已經(jīng)顯著增加了電子控制系統(tǒng)的數(shù)量，目的是提高整體運營效率。工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等舉措也有助于提高現(xiàn)代工廠的效率和生產(chǎn)力。此外，工業(yè)機器人的采用以及最近引入的協(xié)作機器人加速了對可靠且強大的功能安全系統(tǒng)的需求，即便在許多工業(yè)過程所處的危險和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，這些系統(tǒng)仍可以持續(xù)正常運行。
本文將探討工業(yè)環(huán)境對功能安全的需求，給出一些示例應(yīng)用。我們還將介紹一些術(shù)語，并解釋安全完整性等級 (SIL) 的概念以及它如何會影響嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計。
實際應(yīng)用中的功能安全
功能安全無處不在。無論是在家中，還是在工作場所，功能安全都會以超出我們意識的更多方式在生活的許多方面保護(hù)我們。例如，在寵物貓閑逛經(jīng)過時，它可以防止觸摸控制爐灶打開；如果操作員在設(shè)備運行過程中意外進(jìn)入工作區(qū)域，則可以隔離并停止大型車床的運行；在車庫門下面有人時，功能安全可防止其關(guān)閉。
在工業(yè)領(lǐng)域，功能安全是強制性的。通過使用正式和全面的方法來識別和分析可能發(fā)生的危險情況，可以保護(hù)工人免受傷害。例如，可能的失效、設(shè)備誤用或意外的設(shè)備故障都會導(dǎo)致危險發(fā)生，也可能由于設(shè)備設(shè)計中的系統(tǒng)故障而發(fā)生危險。就識別出的每個潛在故障而論，對操作員或用戶安全造成的后果和影響可通過安全完整性等級 (SIL) 來表示?？傮w而言，功能安全指標(biāo)可以衡量機器或系統(tǒng)實施保護(hù)功能以避免或減輕事故發(fā)生的速度。
許多功能安全標(biāo)準(zhǔn)適用于不同類型的工業(yè)機械，其中大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都與國際公認(rèn)的 IEC 61508 電氣、機電和電子操作機械標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。此外，另有一些功能安全標(biāo)準(zhǔn)則適用于特定的機械項目，例如可變速馬達(dá)驅(qū)動器、可編程邏輯控制器，以及最近的工業(yè)機器人和協(xié)作機器人等。
任何功能安全機制的核心都有兩個基本概念：安全功能和安全完整性。
為了防止事故或傷亡，需要使用安全功能。 這通常涉及電子系統(tǒng)中的傳感器和控制電路，但許多簡單的機械聯(lián)鎖裝置或門銷也可以提供類似的功能。
安全完整性定義了將傷害或死亡風(fēng)險降低到可接受水平所需的干預(yù)程度。 IEC 61508 定義了三個安全完整性性能等級； SIL1、SIL2、SIL3。一個危險事件更頻繁發(fā)生時的概率對 SIL會有影響。
功能安全不僅適用于特定操作人員使用的車床、數(shù)控刀具和工業(yè)機器人等生產(chǎn)設(shè)備；也適用于自動卷簾門、裝貨碼頭門和感測壓力容器中的液位等等。
將功能安全集成到嵌入式工業(yè)控制器
包含有微控制器或微處理器的嵌入式系統(tǒng)是所有工業(yè)控制或可編程邏輯控制器系統(tǒng)的核心。通常，這些復(fù)雜和精密系統(tǒng)的任務(wù)是控制機器，并提供相關(guān)的安全功能。除了計算組件之外，傳感器、電源管理和外圍接口都需要考慮可能導(dǎo)致隨機安全事件的潛在故障點。傳感器是重要組件，它需要不斷地將現(xiàn)實世界中發(fā)生的事件通知控制功能，其類型也多種多樣。例如，MEMS 傳感器通常檢測加速度力和磁場，攝像頭為計算機視覺人工智能（AI）系統(tǒng)提供信號，環(huán)境傳感器則用來檢測溫度、濕度和氣壓等。
如果嵌入式控制器中的任何組件出現(xiàn)故障，它所控制的機器設(shè)備可能會運行不穩(wěn)定，并且安全功能也無法運行。由于需要滿足功能安全合規(guī)性，半導(dǎo)體和傳感器供應(yīng)商現(xiàn)在正在所提供的器件中集成自診斷程序，一旦發(fā)生故障，可以警告主機應(yīng)用程序，以便可以立即停止運行。
對于嵌入式開發(fā)人員來說，選擇包含內(nèi)部安全功能且經(jīng)過合格功能安全機構(gòu)認(rèn)證的組件可以節(jié)省大量設(shè)計工作。
感測功能安全隱患
將何種類型的傳感器用于功能安全應(yīng)用需要經(jīng)過仔細(xì)考慮。例如，一個人走過正在關(guān)閉的卷簾門時，傳感器對人體運動的響應(yīng)速度有多快？檢測的重復(fù)性可靠嗎？運動傳感器能否掃描行人可能通過的整個區(qū)域，而不會留下遺漏死角？然后還需要考慮環(huán)境因素。傳感器是否位于室外，并會受到雨、雪和霧的影響？高溫和濕度也會影響傳感器性能。
對于上述卷簾門場景，通常使用安全光幕和光電開關(guān)（又叫做主動光電保護(hù)裝置或 AOPD），但工程團(tuán)隊?wèi)?yīng)審查任何潛在的操作挑戰(zhàn)。例如，如果使用被動紅外（PIR） 傳感器（一種常用的 AOPD），其視野可能相對較窄，如果由于振動或安裝滑動而出現(xiàn)輕微移動，可能會產(chǎn)生運行的假象，但不能完全覆蓋所觀察區(qū)域。此外，濕度和溫度會影響 PIR 傳感器的性能，并可能導(dǎo)致錯誤觸發(fā)。
人工智能計算機視覺等基于攝像頭的保護(hù)設(shè)備（又名基于視覺的保護(hù)設(shè)備或 VBPD）可能會提供更可靠的檢測區(qū)域，能夠識別運動物體本身，并確定行進(jìn)速度和方向。然而，攝像頭檢測的可靠性同樣也會受到濕度以及外部雨、霧和濕氣的影響。此外，任何制造過程都可能會釋放蒸汽、灰塵或其他會暫時影響運動檢測的氣體煙霧。同樣，生產(chǎn)線上焊接操作產(chǎn)生的煙霧和火花也會影響基于視覺的運動檢測。
用于功能安全的毫米波雷達(dá)
一種不受上述因素影響，且更可靠的檢測方法是雷達(dá)。毫米波技術(shù)最近發(fā)展迅速，使德州儀器 (TI)等單一封裝毫米波雷達(dá)片上系統(tǒng)IWR6843等的開發(fā)成為可能。
毫米波傳感器能夠提供遠(yuǎn)程物體距離、速度和角度等參數(shù)的高精度測量，適用于廣泛的工業(yè)、商業(yè)和消費應(yīng)用。特別是對于工業(yè)應(yīng)用而言，毫米波對環(huán)境因素（包括光線不足、天氣和極端溫度）具有異常強大的耐受能力。圖 1 展示了毫米波傳感眾多用例中的一些。
圖 1：TI IWR 系列毫米波雷達(dá)傳感器的可能用例。（來源： TI）
TI IWR6843 IC 在單個 SoC 封裝中集成了所有與雷達(dá)相關(guān)的模擬和數(shù)字功能，工作在 60 ～ 64 GHz 范圍內(nèi)，具有 4GHz 連續(xù)帶寬（參見圖 2.
圖 2：TI IWR6843 毫米波雷達(dá) SoC 的功能框圖。（來源：TI）
IWR6843 配備三個發(fā)射通道和四個接收通道。通常，該器件在 MIMO 模式下運行，但也可以同時使用所有三個 +12 dBm 發(fā)射器輸出以及 6-bit 移相器來實現(xiàn)發(fā)射波束成形。Arm Cortex-R4F 微控制器內(nèi)核控制射頻/模擬前端和對象檢測功能，TI TMS320C674X DSP 與集成式硬件加速器一起提供高級 FFT 和濾波信號處理功能。內(nèi)部自校準(zhǔn)處理器可在溫度變化時保持工作頻率恒定，而不會占用主機上的任何資源。同一處理器負(fù)責(zé)管理模擬前端的功能安全診斷。
該毫米波 SoC 已通過 TUV SUD 的 IEC 61508 認(rèn)證，符合 SIL-2 規(guī)范，包含所有相關(guān)的功能安全實施文檔?？梢栽诖颂幉榭?TUV SUD 證書。此外，該 IC 還為系統(tǒng)連接和集成附加應(yīng)用功能提供全面的特色外設(shè)接口選項。
快速跟蹤您的毫米波雷達(dá)設(shè)計
為了幫助加速毫米波雷達(dá)設(shè)計，TI還提供一系列硬件和軟件工具。除了上面強調(diào)的 SIL-2 認(rèn)證文檔之外，TI 還設(shè)有一個功能安全資源中心，可在此處獲取。
IWR6843ISK 是關(guān)于IWR6843 的一個綜合毫米波獨立傳感器評估板，包括有板載集成天線陣列，參見圖 3。
圖 3：TI IWR6843ISK 評估板包含有重要組件和集成式天線。（來源：TI）
評估板天線可提供遠(yuǎn)程探測能力，具有108 度方位角和 44 度仰角范圍。為了進(jìn)一步增強 IWR6843原型設(shè)計的功能，傳感器板可以通過 60 針高速連接器連接到TI MMAVEBOOST 載卡。該載卡由 TI 的毫米波軟件工具提供支持，如以下標(biāo)注部分所示，并支持通過 USB 與主機 PC 連接進(jìn)行調(diào)試和仿真。若添加一個實時數(shù)據(jù)捕獲適配器DCA1000EVM（參見圖 4），可允許采集原始模擬數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析和算法開發(fā)。 MMWAVEICBOOST 具有德州儀器 Launchpad 接口，可用來連接到 TI 嵌入式開發(fā)框架和 IDE。
圖 4：IWR6843ISK-ODS IWR6843 智能毫米波傳感器標(biāo)準(zhǔn)天線插件模塊（上），帶有 MMWAVEICBOOST 毫米波傳感器的載卡平臺（中），以及用于雷達(dá)傳感評估模塊的 DCA1000EVM 實時數(shù)據(jù)采集適配器（下）。（來源：TI）
從軟件的角度來看，TI網(wǎng)站可免費提供多個組件。
毫米波軟件開發(fā)套件 (SDK) 可提供工具、程序庫和驅(qū)動程序，以加快基于TI 毫米波傳感器系列的應(yīng)用評估和固件開發(fā)。對 SDK 相互補充的是工業(yè)工具箱，其中包括各種應(yīng)用代碼片段、演示例程和示例等。工業(yè)演示項目包括機器人技術(shù)、人數(shù)統(tǒng)計和手勢識別等。
最后，還需要介紹一下mmWave Studio ，它基于微軟 Windows 圖形用戶界面（GUI），可用來配置和控制 IWR 系列毫米波模塊和評估板。工程師可以采集ADC 數(shù)據(jù)，用于射頻特性的離線分析以及信號處理算法的開發(fā)和運行，也可以通過 MATLAB 對ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和可視化。
用毫米波雷達(dá)應(yīng)對功能安全設(shè)計挑戰(zhàn)
現(xiàn)代工業(yè)制造設(shè)施都處在繁忙且空間受限的場所，可能會給生產(chǎn)操作人員帶來許多危險。為所有生產(chǎn)機械和訪問設(shè)備（access equipment）提供強大的功能安全至關(guān)重要。基于毫米波技術(shù)的雷達(dá)傳感器提供了一種方便、可靠和緊湊的方法，這種方法不易受到困擾其他傳感器的環(huán)境和操作挑戰(zhàn)影響。此外，德州儀器 IWR6843 傳感器是第一個通過 IEC 61508 SIL-2 認(rèn)證的毫米波傳感器，能夠極大地幫助最終產(chǎn)品測試和認(rèn)證，以符合所需的功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求。
