使用IEC标准改善家用设备安全

许多设备简化了家庭中的日常活动或定期活动，并帮助用户始终如一，压力很小。当他们正常工作时，它们很棒。但是，如果发生故障，某些电器可能会变得非常不安全，并引起包括火灾在内的主要问题。

为了确保将安全性设计成电器，国际电力技术委员会（IEC）创建了IEC 60730 B级功能安全标准，以解决承销商实验室也批准的机械和电气设计。为范围和灶台提供更安全的用户体验，以及洗衣设备等等，新的触摸屏集成电路（IC）的设计具有内置功能安全性，已经过认证以符合此标准。

防止严重的设备问题

国际非营利组织国家防火协会（NFPA）在其NFPA研究报告中指出，范围或灶具涉及据报道的家庭烹饪大火的62％。实际上，该报告专门确定：“无人看管的烹饪是烹饪火灾和伤亡的主要原因。”

Also, according to NFPA Research, ranges or cooktops are the leading cause (46%) of deaths caused by cooking equipment from 2013 to 2017. Another source, the U.S. Fire Administration (USFA), part of the U.S. Department of Homeland Security’s Federal Emergency Management Agency (FEMA), reports newer data from 2018 (only for the U.S) but still has cooking as the leading cause of residential fires, see Figure 1.

图1。烹饪是造成住宅建筑火灾的主要原因，导致2018年美国受伤。资料来源：美国消防局。

自从1999年引入USFA的国家消防事件报告系统（NFIRS）以来，据报道，尽管在许多其他领域取得了重大的技术进步，但家庭烹饪大火仍在稳步上升。显然，解决范围和灶台的安全方面应该是设备制造商的目标，以帮助减少这些数字。

设备功能安全性的安全法规

国际电力技术委员会（IEC）意识到需要内置安全性，因此开发了IEC 60730-1，该委员会适用于自动电气控件，“供“用于家庭和类似用途的设备一起使用，ON或与使用”。该文件最初于1986年发行，但已定期进行了定期升级和修正案，最新的发生在2020年4月。承保人实验室（UL）也将其批准印章也符合标准。

功能安全背后的理由是所有电子和机械系统最终都将失败。由于无法设计故障，因此下一个最好的事情是确保当某些事情失败时，它会以故障的方式失败。IEC/UL 60730在A类中确定了三个安全类别，这些产品对于那些旨在防止特殊危害的产品而言不依赖于安全方面和C类。

在这之间，IEC/UL 60730 B类或简单的B类分类包括主要的家用电器，例如炊具/炉灶，洗衣机，烘干机，洗碗机，冰箱和冰柜。如果设备中发生故障，则B级解决了旨在防止危害的软件和控制功能。它适用于热切口，自动门锁和其他功能，这些功能会停止烹饪和洗衣电器，如果不安全的情况下会运行。现在，在美国和欧洲，B级认证现在是必不可少的，在所有具有自我清洁功能的烹饪设备上，以及用于与门自动锁定机制相关的控件的洗衣设备。

现有的设备安全方法

为了解决厨房和洗衣房设备的安全问题，历史解决方案依赖于与按钮，滑块和车轮连接的微控制器（MCU），无论它们是机械的还是电容的。MCU有一个软件库来监视电容触摸按钮的安全性和健康状况。如今，为了符合这些标准，设备使用电容触摸屏和一个单独的电容触摸按钮，该触摸按钮由单独的MCU控制，上面有安全库。

某些是用户界面一部分的按钮对于实现设备安全操作并防止危险（例如房屋火灾）特别重要。例如，需要向美洲或欧洲运输的自我清洁功能的烹饪设备必须支持两触触，并单触摸自我清洁模式的操作。重要的是要注意，自我清洁的烤箱达到900OF（500oC）的危险高温。存储在烤箱中的物品可以在此模式下着火，因此IEC/UL 60730 B类要求具有此功能的设备必须支持两触式操作，并单触摸操作。

此要求背后的理由是，使用第二个触摸来打开自我清洁模式来鼓励用户仔细检查自我清洁模式可以安全启动。例如，在用户闻到烟雾之后，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于用户的安全至关重要。结果，该按钮必须在所有环境中可靠，准确地发挥作用。可以通过在没有多次触摸互动的情况下尽快结束自我清洁模式来避免危险的火灾。

监测单个模拟外围的外围物相当简单，很容易由MCU完成。外围监视一些多路复用的按钮。一个外围可以扫描一系列按钮。尽管此功能是在微控制器中内置的，但设备制造商仍必须开发和限定安全功能，并有责任这样做。

设备安全的新方法

尽管已经在电器中实施了多年的功能安全性，但现在可以通过将经典的安全原理应用于现代触摸屏接口来满足这一要求。随着触摸屏的实现或升级，这是设计B类认证的理想方式。

具有其独特安全相关功能的ATMXT336UD-MAUHA1 MAXTOUCH控制器家族无需单独的按钮，因此现在可以通过触摸屏上任何地方的“软”按钮来完成关闭。虽然消除按钮并降低成本并保持所需功能的能力应足以激励设备制造商，但简化的界面也应该对用户更具吸引力。综合方法更简单，更直观。它也更方便，因为它可以消除单独的按钮的杂物和成本。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进行全球化。见图2。

图2。通过将紧急停止功能放在触摸屏上，设备制造商可以允许用户选择最适合停止功能的语言。

几十年前，烟雾探测器开创了家庭安全。与烟雾探测器不同，B级功能安全触摸屏既可以提醒又采取行动。它在不需要人类相互作用的情况下感觉到烟雾或环境中的某些东西之前执行这些主动的功能。

让我们来看看一个安全问题的示例，即B类触摸屏可以解决的情况下无需涉及厨师。如果将重锅意外地放在带有感应燃烧器的热炉上，则在许多情况下，厚玻璃可以保护燃烧器，但是下面的薄IDIUM氧化锡（ITO）触摸传感器更脆弱，可能会破裂。这种断裂可能会导致触摸屏某个区域或更糟的局部触摸功能的损失，或者整个传感器可能会失败。

带有B类的控制器，实时监视触摸传感器的健康。在背景中，当传感器没有扫描触摸时，IC会扫描触摸传感器本身，以寻找不同类型的故障。一旦检测到故障，例如触摸屏传感器中的裂纹，控制器就会通知主机中央处理单元（CPU），因此它可以自动关闭燃烧器。这将发生这种情况，而无需任何人类干预提供故障安全操作。

尽管此类型的功能以前是可能的，但主机必须触发或轮询输入的触摸屏IC。现在，IC执行此功能本身，并在问题发生时将消息推向主机。在系统主机上绑在IC上的IC上的特殊I2C总线消息或通用IO（GPIO）引脚自动提供警报以启动关闭。内置和自我施加的安全功能提供了防止可能导致厨房大火的某些条件的方法。见图3。

图3。在典型的设备应用程序中，B类触摸屏控制器很容易将其界定到主机CPU。

为了通过B类认证，触摸屏IC执行了几项功能安全测试。关键测试之一是内存测试。触摸屏IC具有少量的RAM和闪存，足以在应用程序中执行所需的功能。在嵌入式环境中，封闭的系统不会运行任何客户代码。为了符合B类认证，有一些规则可以确定必须运行内存测试的频率。例如，一系列的步行1和步行0s在后台运行，作为模式测试，以检查IC上的RAM故障。见图4。

图4。进行8位存储器的步行1S测试会顺序验证每个位。

该过程首先测试自由RAM，并验证其很好。由于大多数少数内存都充满了数据，因此一部分应用程序代码被移至测试部分以释放另一部分并进行测试。该过程一直持续到所有RAM进行测试。应用程序代码运行时的这种改组允许通过顺序测试对所有内存进行测试。

仅管理此测试是一个相当复杂的过程，它是B级的所有一部分，它同时实时报告多指触摸事件。在大于60 Hz，每秒60次时，IC报告在测试RAM并在后台测试传感器时触及主机。进行类似的测试以测试非挥发性闪存程序代码存储存储单元。

需要对控制器中的CPU寄存器进行测试，以确保它们正确运行。这是通过阅读和保存CPU寄存器的当前值并将数据存储在未进行测试的另一个寄存器中来完成的。然后，切换CPU寄存器以确保新设置停留。此后，恢复初始值。这将检查以确保可以将CPU寄存器设置并正确重置为正确的值。

内部时钟测试确保时钟正常运行。IC内部有各种时钟树，测试证实它们正在正确地划分并正确运行。这不是详尽的测试列表，而是对IC执行的测试类型的想法。

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通信利用两种机制来确保从设备发送和从设备发送的任何数据的完整性。第一个机制使用序列编号。此外，首次将循环冗余检查（CRC）添加到总线上，以检查数据损坏（一些位错误）尚未发生。

由于设备可以是电气嘈杂的环境，因此确保主机收到的坐标是可靠的，并且没有在运输中损坏。另外，由于序列号已添加到I2C消息中，现在，每次将坐标发送到主机时，主机都可以确定它是否错过了数据包或数据包并采取适当的操作。借助Internet连接，即使用户不在家里，也可以对主机进行编程以通知用户的手机或智能手表。

如前所述，通过标准B类安全性测试，已在触摸控制器中添加了额外的智能，以启用定期的自我和传感器诊断功能，以不断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（“保持生命”）信号输出，该信号输出可以使用通用IO（GPIO）输出触发器发送到主机。

最终的安全项目。由于功能安全性已经在触摸屏安全芯片中获得资格，因此用户的系统级资格过程大大简化了，因为不必在主机CPU上写入其他软件来管理触摸屏的安全性。这应该为设备制造商进行重大动力，以调查和实施这一新能力。

洗衣房安全

B类触摸屏控制器可以处理厨房外的其他安全情况。例如，NFPA指出，美国消防部门对每年涉及干衣机或洗衣机的15,970次家庭结构大火的平均响应。尽管这些火灾有多种原因，但安全的设计应该在总数中引起重大凹痕。

在洗衣房中，洗衣机有B级要求。带有高速电动机的洗衣设备，尤其是前装载机，具有锁定机构，因此在机器运行时，门不会无意间打开。自动锁定机制是一种机电设备，可确保当机器打开时，启动安全功能。如果锁定机构由触摸屏控制，则可以消除单独的按钮，微控制器和传感器。

洗衣机或干衣机启动后，手动门解锁允许添加或去除物品，并且还需要符合安全性。目前，这是美国和欧洲的洗衣电器法律，需要B级认证。新的替代方案将所有东西都放在触摸屏上 - 由于加热方面，它适用于洗衣机和干衣机。同样，在前装载垫圈中，在打开门之前需要排干系统以防止洪水。由于他们可以对自己的生活进行一些控制是他们生活的一个方面，因此人们越来越关注安全。

虽然特定区域可能需要特定产品的B类认证，但是一旦设备制造商满足了这一要求，它将以该功能/能力将产品出售给世界其他地区，并促进触摸屏安全功能作为竞争优势。事实证明，这在过去非常有效。该方法使欧洲，美洲和世界其他地区的全球模型可以使制造商只需制造一种类型的设备。

朝更安全的电器

由领先的设备供应商的投入发起，客户发起的B类触摸屏控制器的设计和开发需要几个男子年才能实现概念。在整个过程中，它具有客户反馈，以微调B类功能。虽然这当然是供应商想要提供的功能，并且客户希望在高端设备中拥有一些功能，但一些设备制造商已经在考虑用于入门级设计的B级安全，因为所有客户都应获得可用的最高安全性。

一旦设备制造商熟悉了这种新功能，其相关成本降低并已经认证了符合B级标准的设备或设备，他们可能会寻求考虑将技术应用于机器/电器，而该技术并非强制性地获得营销优势。和品牌差异化，用于整个具有安全意识消费者的安全意识电器阵容。对于将电器安全接口到人类，B类触摸屏控制器是烤箱，范围，洗衣机和烘干机，以及洗碗机，冰箱，微波炉/对流烤箱组合，甚至系列烟雾罩的安全选择。

行业文章是一种内容形式，它允许行业合作伙伴与所有有关电路读者的信息，以社论内容不适合的方式共享有用的新闻，消息和技术。所有行业文章都遵守严格的编辑准则，目的是为读者提供有用的新闻，技术专长或故事。行业文章中表达的观点和观点是合作伙伴的观点和观点，而不一定是有关电路或其作家的观点和观点。