根据 IEC 标准提高家用电器安全

本文探讨了 IEC 60730 B 类功能安全标准，以解决电器中的机械和电气设计问题。了解标准的含义以及帮助满足这些标准的控制者。

许多电器简化了家中的日常或定期活动，并帮助用户始终如一地以最小的压力执行这些活动。当他们正常工作时，他们很棒。然而，如果发生故障，一些电器会变得非常不安全，并导致包括火灾在内的重大问题。

为确保电器设计安全，国际电工委员会 (IEC) 制定了 IEC 60730 B 级功能安全标准，以解决美国保险商实验室也已批准的机械和电气设计。为炉灶和炉灶面以及洗衣设备等提供更安全的用户体验，新设计的触摸屏集成电路 (IC) 具有内置功能安全性，已通过认证符合该标准。

预防严重的设备问题

国际非营利组织美国国家防火协会 (NFPA) 在其 NFPA 研究报告中指出，62% 的家庭烹饪火灾涉及炉灶或灶具。事实上，该报告特别指出，“无人看管的烹饪是造成烹饪火灾和人员伤亡的主要原因。”

此外，根据 NFPA Research，炉灶或灶具是 2013 年至 2017 年烹饪设备造成死亡的主要原因 (46%)。另一个来源，美国消防局 (USFA)，隶属于美国国土安全部联邦紧急事务部管理机构 (FEMA) 报告了 2018 年的最新数据（仅针对美国），但烹饪仍然是住宅火灾的主要原因，见图 1。

图 1。 烹饪是 2018 年美国住宅楼火灾造成人员受伤的主要原因。 资料来源：美国消防局。

自 USFA 的国家火灾事故报告系统 (NFIRS) 于 1999 年推出以来，尽管在许多其他领域取得了重大技术进步，但报告的家庭烹饪火灾一直在稳步上升。显然，解决炉灶和炉灶面的安全问题应该是家电制造商帮助减少这些数字的目标。

电器功能安全的安全规定

国际电工委员会 (IEC) 认识到对电器内置安全的需求，制定了 IEC 60730-1，该标准适用于“用于、用于或与家用和类似用途的设备相关联的”自动电气控制。虽然最初于 1986 年发布，但该文件已定期升级和修订，最近一次发生在 2020 年 4 月。美国保险商实验室 (UL) 也已对该标准进行了批准。

功能安全背后的基本原理是所有电子和机械系统最终都会出现故障。由于无法设计出故障，因此下一个最好的事情是确保当某事发生故障时，它以故障安全的方式发生故障。 IEC/UL 60730 中确定了三个安全等级，A 类用于不打算在安全方面依赖的产品，C 类用于防止特殊危险的产品。

在这两者之间，IEC/UL 60730 B 类或简称 B 类包括主要家用电器，例如炊具/炉灶、洗衣机、干衣机、洗碗机、冰箱和冰柜。 B 类涉及旨在防止设备发生故障时发生危险的软件和控制功能。它适用于热熔断器、自动门锁和其他在出现不安全情况时停止烹饪和洗衣设备运行的功能。在美国和欧洲，现在所有具有自清洁功能的炊具以及与门自动锁定机制相关的控制装置的洗衣设备都必须获得 B 级认证。

现有设备的安全方法

为了解决厨房和洗衣房电器的安全问题，以往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）接口的微控制器 (MCU)。 MCU 有一个软件库来监控电容式触摸按钮的安全和健康。今天，为了满足这些标准，电器使用带有单独电容式触摸按钮的电容式触摸屏，该按钮由带有安全库的单独 MCU 控制。

作为用户界面一部分的一些按钮对于实现设备的安全操作和防止房屋火灾等危险尤为重要。例如，运往美洲或欧洲的具有自洁功能的炊具需要支持自洁模式的两触开和一触关操作。需要注意的是，自洁式烤箱会达到 900oF (500oC) 的危险高温。存放在烤箱中的物品在此模式下可能会着火，因此 IEC/UL 60730 B 类要求具有此功能的电器必须支持两键开启和一键关闭操作。

此要求背后的基本原理是使用第二次触摸打开自清洁模式以鼓励用户仔细检查自清洁模式是否可以安全启动。例如，在用户闻到烟味后，只需轻轻一按，就可以使用停止或取消按钮来结束此模式。停止按钮的安全操作对用户的安全至关重要。因此，按钮必须在所有环境中都能可靠、准确地发挥作用。通过帮助尽快结束自清洁模式，无需多次触摸交互，可以避免危险的火灾。

监控单个模拟外设相当简单，并且由 MCU 轻松完成。外围设备监视几个复用在一起的按钮。一个外围设备可以扫描一系列按钮。虽然此功能内置于微控制器中，但设备制造商仍需开发和验证安全功能，并对此负责。

设备安全的新方法

尽管功能安全已在电器中实施多年，但现在可以通过将经典安全原则应用于现代触摸屏界面来满足这一要求。随着触摸屏的实施或升级，这是获得 B 类设计认证的理想方式。

ATMXT336UD-MAUHA1 maXTouch 控制器系列具有独特的安全相关功能，无需单独的按钮，因此现在可以通过触摸屏上任何位置的“软”按钮完成关闭。虽然消除按钮、降低成本和保持所需功能的能力应该足以激励家电制造商，但简化的界面也应该对用户更具吸引力。集成方法更简单、更直观。它也更方便，因为它消除了单独按钮的混乱和成本。也许更重要的是，可以在用户的​​自然语言中更改关闭功能以实现全球化。见图2。

图 2。 通过在触摸屏上设置紧急停止功能，电器制造商可以让用户选择他们最熟悉的停止功能语言。

几十年前，烟雾探测器开创了家庭安全的先河。与烟雾探测器不同，B 类功能安全触摸屏既可以发出警报，也可以采取行动。它在感知烟雾或环境中的某些东西之前执行这些主动功能，而无需人工干预。

让我们看一个安全问题的例子，B 类触摸屏可以在不涉及厨师的情况下解决这个问题。如果一个沉重的锅不小心掉在带有感应燃烧器的热炉上，在许多情况下，厚玻璃会保护燃烧器，但下面的薄氧化铟锡 (ITO) 触摸传感器更脆弱，可能会破裂。这种破损可能会导致触摸屏某个区域的局部触摸功能丧失，甚至更糟的是，整个传感器可能会出现故障。

B 类控制器自动实时监控触摸传感器的健康状况。在后台，当传感器未扫描触摸时，IC 会扫描触摸传感器本身，寻找不同类型的故障。一旦检测到故障，例如触摸屏传感器破裂，控制器就会通知主机中央处理器 (CPU)，以便它可以自动关闭燃烧器。这将在不需要任何人为干预提供故障安全操作的情况下发生。

虽然以前可以实现此类功能，但主机必须触发或轮询触摸屏 IC 以获取输入。现在，IC 自己执行此功能，并在出现问题时将消息推送到主机。连接到系统主机 CPU 上的中断引脚的 IC 上的特殊 I2C 总线消息或通用 IO (GPIO) 引脚会自动提供警报以启动关闭。内置和自动执行的安全功能提供了防止可能导致厨房火灾的一些条件的方法。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连接到主机 CPU。

为了通过 B 类认证，触摸屏 IC 需要执行多项功能安全测试。其中一项关键测试是内存测试。触摸屏 IC 具有少量 RAM 和闪存，足以执行应用程序中所需的功能。在嵌入式环境中，封闭系统不运行任何客户代码。为了满足 B 类认证，有一些规则决定了内存测试的运行频率。例如，在后台运行一系列步行 1 和步行 0 作为模式测试，以检查 IC 上的 RAM 故障。见图4。

图 4。 对 8 位内存的步行 1s 测试依次验证每一位。

该过程从测试可用 RAM 开始，验证它是否良好。由于大部分少量内存都填充了数据，因此将一部分应用程序代码移入测试部分以释放另一部分并对其进行测试。该过程一直持续到所有 RAM 都经过测试。应用程序代码在运行时的这种改组允许使用顺序测试来测试所有内存。

单独管理此测试是一个相当复杂的过程，它是同时实时报告多指触摸事件的 B 类 IC 的一部分。在大于 60 Hz，每秒 60 次时，IC 在测试 RAM 和在后台测试传感器时向主机报告触摸。对非易失性闪存程序代码存储单元进行类似测试。

需要测试控制器中的 CPU 寄存器以确保它们正常运行。这是通过读取和保存 CPU 寄存器的当前值并将数据存储在另一个未被测试的寄存器中来实现的。然后，切换 CPU 寄存器以确保新设置保持不变。此后，将恢复初始值。这会检查以确保 CPU 寄存器可以正确设置和重置为正确的值。

内部时钟测试确保时钟正常运行。 IC内部有各种时钟树，测试确认它们被划分并正常运行。这不是一个详尽的测试列表，但提供了 IC 执行的测试类型的概念。

新 IC 的另一个安全方面是 I2C 总线对系统主机 CPU 和触摸控制器之间的通信进行了重大升级。触摸控制器上的 I2C 通信使用两种机制来确保发送到设备和从设备发送的任何数据的完整性。第一种机制使用序列号。此外，首次在总线上添加了循环冗余校验（CRC），以检查数据是否损坏（位错误）。

由于设备可能是一个电噪声环境，因此这可确保主机接收的坐标可靠且在传输过程中未损坏。此外，由于已将序列号添加到 I2C 消息中，现在，每次将坐标发送到主机时，主机都可以确定是否错过了一个或多个数据包并采取适当的措施。通过互联网连接，主机甚至可以通过编程来通知用户的手机或智能手表出现问题，即使用户不在家。

如前所述，通过标准 B 类安全测试，触控控制器增加了额外的智能，以启用定期自我诊断和传感器诊断功能，以持续监控触控子系统的完整性。这些智能诊断功能支持可配置的心跳（“保持活动”）信号输出，可以使用通用 IO (GPIO) 输出触发器将其发送到主机。

最后一个安全项目。由于触摸屏安全芯片已通过功能安全认证，用户的系统级认证过程大大简化，因为无需在主机 CPU 上编写额外的软件来管理触摸屏的安全性。这将为家电制造商研究和实施这一新功能提供重要动力。

洗衣房安全

B 类触摸屏控制器可以处理厨房以外的其他安全情况。例如，NFPA 指出，美国消防部门估计每年平均发生 15,970 起涉及干衣机或洗衣机的家庭结构火灾。虽然造成这些火灾的原因有多种，但安全设计应能显着减少火灾总数。

在洗衣房，洗衣机有B级要求。配备高速电机的洗衣设备，尤其是前置式洗衣机，有一个锁定机构，因此机器运行时门不会意外打开。自动锁定机构是一种机电装置，可确保在机器开启时启动安全功能。如果锁定机制由触摸屏控制，则可以取消单独的按钮、微控制器和传感器。

手动门解锁覆盖允许在洗衣机或烘干机启动后添加或移除物品，并且还需要符合安全要求。这是目前美国和欧洲的洗衣设备法律，在这些地方需要 B 级认证。新的替代方案将所有内容都放在触摸屏上 - 由于加热方面的原因，它适用于洗衣机和烘干机。此外，在前开式洗衣机中，系统需要在门打开之前排空以防止进水。由于这是他们可以控制的生活的一方面，人们越来越关注安全。

虽然特定地区可能需要特定产品的 B 类认证，但一旦电器制造商满足该要求，它将向世界其他地区销售具有该功能/能力的产品，并将触摸屏安全功能作为竞争优势进行推广。这在过去被证明是非常有效的。这种方法为欧洲、美洲和世界其他地区提供了一种全球模式，因此制造商只需制造一种此类电器。

走向更安全的设备

在领先电器供应商的投入下，由客户发起的 B 类触摸屏控制器的设计和开发历时数年才将概念变为现实。它在整个过程中获得了客户反馈，以微调 B 类功能。虽然这肯定是供应商想要提供的功能，客户也希望在高端电器中拥有它，但一些电器制造商已经在考虑将 B 级安全用于入门级设计，因为所有客户都应该获得最高级别的安全性。

一旦电器制造商熟悉这种新功能及其相关的成本降低，并且已经认证了一个或多个电器符合 B 类标准，他们可能会考虑将该技术应用于机器/电器，而这些机器/电器不是强制性的以获得营销优势以及面向安全意识消费者的整个安全意识电器产品线的品牌差异化。为了安全地将电器与人连接，B 类触摸屏控制器是烤箱、炉灶、洗衣机和烘干机以及洗碗机、冰箱、微波炉/对流烤箱组合甚至抽油烟机的安全选择。

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