Microchip提高家电安全性的新方

ChadSolomon,MicrochipTechnology

家用电器种类繁多，不仅能够简化日常或周期性的家务活动，还能帮助用户毫无压力得持续完成这些家务。家电正常工作当然很好，然而，如果发生故障，有些家电可能会变得非常不安全，甚至引发火灾等重大安全问题。为确保在家电设计时就考虑到安全性，国际电工委员会（IEC）制定了面向机械和电气设计中功能安全的IECB级标准，并且美国保险商实验室（UL）也认可了这一标准。目前，已设计出具有内置功能安全的新型触摸屏集成电路（IC），并且经认证符合该标准，能够让灶台、灶具及洗衣机等家电为用户提供更安全的使用体验。

预防家电引发的重大安全问题

美国消防协会（NFPA）是一家非赢利性国际组织，该组织在其发布的NFPA研究报告中指出，在报告的家庭烹饪火灾中，有62%是由灶台或灶具引发的。事实上，该报告还特别指出，“烹饪时无人看管是导致烹饪火灾和人员伤亡的主要原因。”

此外，据NFPA研究，在年至年间，灶台或灶具是造成烹饪器具致人死亡的主要因素（46%）。另一份数据来自美国国土安全部联邦应急管理署（FEMA）下属的美国消防局（USFA）。根据该机构报告的年的最新数据（仅限美国），烹饪仍然是导致住宅火灾的主要原因，具体数据参见图1。

图1.年，烹饪是美国国内引发住宅火灾并造成人身伤害的主要原因。来源：美国消防局

自年引入USFA的全国火灾事件报告系统（NFIRS）以来，虽然在其他诸多领域已经取得重大技术进步，但报告的家庭烹饪火灾数量一直呈持续上升态势。显然，为减少烹饪火灾数量，解决灶台和灶具的安全问题应成为家电制造商的目标之一。

关于家电功能安全的安全规定

国际电工委员会（IEC）认识到了家电内置安全的必要性，制定了适用于“家用和类似用途电器”自动电气控制的IEC-1标准。该标准最初于年发布，之后定期进行了升级与修订，最近一次更新是在年4月。并且，美国保险商实验室（UL）也认可了该标准。

功能安全的基本理念是，所有电子和机械系统最终都将失效。由于无法通过设计确保完全不会发生故障，退而求其次，应确保系统发生故障时，能够以故障安全的方式发生。IEC/UL标准规定了三个安全分类，A类适用于不用于实现安全性的产品，C类适用于旨在预防特殊危害的产品。

IEC/ULB类产品介于两者之间，或者说，B类产品包括主要的家用电器，如炊具/炉具、洗衣机、烘干机、洗碗机、冰箱和冰柜等。B类涉及旨在防止家电发生故障时造成危险的软件和控制功能。它适用于过热切断器、自动门锁和其他功能，若出现不安全的状况，这些功能会停止烹饪和洗衣设备的运行。在美国和欧洲，所有具有自清洁功能的烹饪器具以及洗衣设备中与门自锁机构相关的控制系统都必须获得B类认证。

保障家电安全的现有方法

为解决厨房和洗衣房中家用电器的安全问题，传统的解决方案依赖于与按钮、滑块和滚轮（无论是机械式还是电容式）连接的单片机（MCU）。MCU拥有一个软件库，可用于监视电容式触摸按钮的安全性和健康状况。如今，为了符合上述标准，家用电器都使用带有独立电容式触摸按钮的电容式触摸屏，而这些按钮由具有安全库的独立MCU控制。

用户界面中的一些按钮对于确保家用电器的安全运行以及防止火灾等危险发生至关重要。例如，带自清洁功能的烹饪器具若销往美洲或欧洲，都需要支持自清洁模式的两次触摸开启、单次触摸关闭操作。务必注意，自清洁烤箱的温度可以达到非常危险的oF（oC）。在该模式下，烤箱中存放的物品可能会起火，因此IEC/ULB类标准强制要求具有该功能的家用电器必须支持两次触摸开启和单次触摸关闭操作。该要求的基本原理为，使用第二次触摸来开启自清洁模式，以便于用户再次确认启动自清洁模式是否安全。对于单次触摸操作（例如在用户闻到烟味之后），可使用停止或取消按钮来结束该模式。停止按钮的安全操作对于保证用户安全至关重要。因此，该按钮必须在所有环境中都能够可靠、准确地工作。如果无需多次触摸交互即可尽快停止自清洁模式，则有助于避免火灾的发生。

对单个模拟外设进行监视非常简单，通过MCU即可轻松完成。外设可以监视连接在一起的多个按钮。一个外设可以扫描一系列按钮。虽然该功能已内置在单片机中，但是家电制造商仍然需要开发和验证该安全功能，并对此负责。

保障家电安全的新方法

即使在家电中内置功能安全的方法已应用多年，如今仍可以通过将经典安全原理应用于现代触摸屏界面来满足这一要求。随着触摸屏的应用与升级，该方法已然成为在设计中实现B类认证的理想选择。

ATMXTUD-MAUHA1maXTouch控制器系列具有独特的安全相关功能，不再需要单独的按钮，因此现在可以通过触摸屏上任意位置的“软”按钮来完成关闭操作。由于消除了按钮、降低了成本并能维护所需功能，这些益处应足以调动家电制造商的积极性，而简化的界面应对用户更有吸引力。这种集成方案既简单又直观。由于不再使用多个单独的按钮，不仅避免了杂乱并降低了成本，操作也更为简便。甚至更为重要的是，关闭功能可以采用用户自己的语言进行更改，便于实现全球化。请参见图2。

图2.将急停功能置于触摸屏后，家电制造商可以支持用户选择自己感觉最舒服的语言来使用停止功能

烟雾探测器在数十年前就率先引入了居家安全的概念。与烟雾探测器不同，B类功能安全触摸屏既可以发出警报，也可以采取相应措施。它能够在探测到环境中的烟雾或其他异常之前提前执行这些功能，而无需人工干预。

我们通过一个具体示例来说明B类触摸屏如何解决安全隐患而无需厨师介入。如果不小心将一口很重的锅掉落在带有感应加热炉的灼热灶台上，在很多情况下，厚实的玻璃可以保护加热炉，但下面薄薄的氧化铟锡（ITO）触摸传感器会变得更加易碎并可能损坏。这种损坏可能会造成触摸屏某些区域的局部触摸功能丧失，甚至可能导致整个传感器失效。

具有B类安全功能的控制器可以自动监视触摸传感器的实时健康状况。在后台，当传感器未对触摸操作进行扫描时，IC会扫描触摸传感器本身，确定是否存在其他类型的故障。只要检测到故障（例如触摸屏传感器出现裂纹），控制器就会通知主机中央处理单元（CPU），以便CPU自动关闭加热炉。该过程无需任何人为干预，从而能够实现故障安全操作。

虽然以前也可以实现该功能，但主机必须触发或轮询触摸屏IC，以确定是否存在输入。如今，IC可以自行执行该功能，并在出现问题时将消息推送至主机。专用的I2C总线消息或IC上与系统主机CPU的中断引脚相连的通用IO（GPIO）引脚会自动提供警报，以启动关闭操作。自执行的内置安全功能提供了新的方法，有助于预防可能引发厨房火灾的一些状况。请参见图3。

图3.在典型的家电应用中，B类触摸屏控制器可轻松与主机CPU通信

为获得B类认证，对触摸屏IC进行了多项功能安全测试。关键测试之一是存储器测试。触摸屏IC具有小容量RAM和闪存，足以在应用中执行所需的功能。在嵌入式环境中，封闭系统不会运行任何客户代码。为满足B类认证标准，制定了一些用于确定存储器测试频率的规则。例如，在后台执行一系列走“1”测试和走“0”测试作为模式测试，用以检查IC中是否存在RAM故障。请参见图4。

图4.对8位存储器执行走“1”测试，依次验证各个位

该过程首先测试可用的RAM，验证其状态是否良好。由于大多数小容量存储器都填充了数据，因此会将一部分应用程序代码移入经过测试的部分，从而释放另一部分并对其进行测试。该过程持续执行，直到所有RAM均已完成测试。在运行过程中按这种方式移动应用程序代码，便于依次对所有存储器进行测试。

单独管理该测试是一个相当复杂的过程，并且是同时实时报告多点触摸事件的B类IC的一部分。在后台测试RAM和传感器的同时，IC会以高于60Hz（即60次/秒）的频率向主机报告触摸操作。执行类似的测试可以测试非易失性闪存程序存储器的存储单元。

控制器中的CPU寄存器也需要进行测试，以确保它们正常工作。测试方法为，读取和保存CPU寄存器的当前值并将数据存储在未被测试的另一个寄存器中。然后，切换CPU寄存器以确保新的设置得以保留。此后，将恢复初始值。这种检查用于确保将CPU寄存器正确地设置和复位为正确的值。

内部时钟测试用于确保时钟运行正常。IC内部有多种不同的时钟树，而测试用于确认它们已经过分频并且运行正常。本文并未详尽列出所有测试，但是介绍了IC执行的测试类型。

新型IC的另一项安全特性是，I2C总线已进行重大升级，以便于在系统主机CPU与触摸控制器之间进行通信。触摸控制器中的I2C通信使用两种机制来确保在不同器件之间传输的所有数据的完整性。第一种机制是使用序号。此外，首次将循环冗余校验（CRC）添加到总线中，用以检查是否发生了数据损坏（位错误）。由于家电可能处于电噪声环境中，因此该机制可以确保主机接收到的坐标可靠并且在传输过程中未受破坏。同时，由于已将序号添加到I2C消息中，每次向主机发送坐标时，主机都可以确定是否错过了一个或多个数据包，然后执行相应的操作。借助互联网连接，主机经过编程后，还可以将问题发送至用户的手机或智能手表，即使用户不在家中也是如此。

如前文所述，借助标准的B类安全测试，已向触摸控制器添加了更多智能功能，用以实现定期自我诊断和传感器诊断功能，从而持续监视触摸子系统的完整性。这些智能诊断功能支持可配置的心跳（“保持活动状态”）信号输出，而该输出可以通过通用IO（GPIO）输出触发信号发送至主机。

最后一项安全事项。由于触摸屏安全芯片中的功能安全已经获得认证，无需在主机CPU中编写额外的软件来管理触摸屏的安全性，因此会大大简化用户的系统级认证过程。因此，应该能够为家电制造商研究和实施这一新功能带来巨大动力。

洗衣房安全

B类触摸屏控制器能够处理厨房以外的其他安全状况。例如，NFPA称，据美国消防部门估计，每年平均处理起由干衣机或洗衣机引发的房屋结构火灾。虽然引发火灾的原因多种多样，但安全设计应能够大大减少火灾总数。

在洗衣房中，洗衣机需满足B类要求。配有高速电机的洗衣设备，特别是前置式洗衣机，需配备锁门机构，确保在工作过程中洗衣设备的门不会意外打开。自动锁门机构是一种机电装置，用于确保在机器启动后，安全功能也会启动。如果锁门机构由触摸屏控制，则无需使用单独的按钮、单片机和传感器。

手动开锁优先控制功能便于用户在洗衣机或干衣机启动后添加或取出物品，并且该功能也必须符合安全性要求。目前，美国和欧洲的法律规定洗衣设备必须获得B类认证。新的替代方案是将所有功能都置于触摸屏上，考虑到加热的问题，这也适用于洗衣机和干衣机。另外，对于前置式洗衣机，需要在开门之前对系统进行排水以防止水从洗衣机中溢出。由于安全性是人们在生活中能够掌控的一个方面，因此安全性也越来越受到人们的

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