Melhorando a segurança de eletrodomésticos com os padrões IEC

Este artigo explora o padrão IEC 60730 Classe B para segurança funcional para abordar projetos mecânicos e elétricos em aparelhos. Aprenda o que o padrão envolve e os controladores para ajudar a atender a esses padrões.

Vários aparelhos simplificam as atividades diárias ou periódicas da casa e ajudam os usuários a executá-las de maneira consistente e com o mínimo de estresse. Quando estão funcionando corretamente, eles são ótimos. No entanto, se ocorrer uma falha, alguns aparelhos podem se tornar bastante inseguros e causar grandes problemas, incluindo incêndios.

Para garantir que a segurança seja projetada para os aparelhos, a International Electrotechnical Commission (IEC) criou o padrão IEC 60730 Classe B para segurança funcional para abordar os projetos mecânico e elétrico que o Underwriters Laboratories também aprovou. Fornecendo uma experiência de usuário mais segura para fogões e cooktops, bem como equipamentos de lavanderia e muito mais, um novo circuito integrado de tela sensível ao toque (IC) foi projetado com segurança funcional embutida que foi certificado para atender a esse padrão.

Prevenção de problemas sérios de eletrodomésticos

A National Fire Prevention Association (NFPA), uma organização internacional sem fins lucrativos, em seu relatório de pesquisa da NFPA afirma que fogões ou cooktops estiveram envolvidos em 62% dos incêndios em cozinhas caseiros relatados. Na verdade, o relatório identifica especificamente:“Cozinhar sem supervisão foi a principal causa de incêndios e mortes em cozinhas”.

Além disso, de acordo com a NFPA Research, fogões ou cooktops são a principal causa (46%) das mortes causadas por equipamentos de cozinha de 2013 a 2017. Outra fonte, a US Fire Administration (USFA), parte da Emergência Federal do Departamento de Segurança Interna dos EUA Agência de Gestão (FEMA), relata dados mais recentes de 2018 (apenas para os EUA), mas ainda tem cozinha como a principal causa de incêndios residenciais, consulte a Figura 1.

Figura 1. Cozinhar foi a principal causa de incêndios em edifícios residenciais, resultando em ferimentos nos EUA em 2018. Fonte:U.S. Fire Administration.

Desde que o Sistema Nacional de Relatórios de Incidentes de Incêndio (NFIRS) do USFA foi introduzido em 1999, os incêndios relatados em cozinhas caseiras aumentaram de forma constante, apesar dos avanços técnicos significativos que foram feitos em várias outras áreas. Claramente, abordar os aspectos de segurança de fogões e cooktops deve ser uma meta dos fabricantes de eletrodomésticos para ajudar a reduzir esses números.

Regulamentos de segurança para segurança funcional em aparelhos

Reconhecendo a necessidade de segurança embutida nos aparelhos, a International Electrotechnical Commission (IEC) desenvolveu o IEC 60730-1 que se aplica aos controles elétricos automáticos "para uso em, em ou em associação com equipamentos para uso doméstico e semelhante." Embora inicialmente lançado em 1986, o documento passou por atualizações e emendas periódicas, com as mais recentes ocorrendo em abril de 2020. Underwriters Laboratories (UL) também colocou seu selo de aprovação no padrão.

A razão por trás da segurança funcional é que todos os sistemas eletrônicos e mecânicos irão falhar. Uma vez que as falhas não podem ser eliminadas, a próxima melhor coisa é garantir que, quando algo falhar, ele falhe de uma maneira à prova de falhas. Três classes de segurança são identificadas em IEC / UL 60730 com Classe A para os produtos que não devem ser considerados quanto aos aspectos de segurança e Classe C para aqueles que têm como objetivo evitar riscos especiais.

Entre eles, a classificação IEC / UL 60730 Classe B ou simplesmente Classe B inclui os principais eletrodomésticos, como fogões / fogões, máquinas de lavar, secadoras, lava-louças, geladeiras e freezers. A Classe B aborda o software e a função de controle destinada a evitar perigos se ocorrer uma falha no aparelho. Aplica-se a cortes térmicos, fechaduras automáticas de portas e outras funções que impedem o funcionamento dos aparelhos de cozinha e roupa se surgirem condições inseguras. Tanto nos EUA quanto na Europa, a certificação Classe B agora é obrigatória em todos os aparelhos de cozinha com função de autolimpeza e em equipamentos de lavanderia para controles associados a mecanismos de travamento automático das portas.

Abordagem de dispositivo existente para segurança

Para atender às questões de segurança em eletrodomésticos tanto na cozinha quanto na lavanderia, as soluções históricas contavam com o microcontrolador (MCU) que fazia interface com botões, controles deslizantes e rodas, sejam eles mecânicos ou capacitivos. O MCU tinha uma biblioteca de software para monitorar a segurança e a integridade dos botões de toque capacitivos. Hoje, para atender a esses padrões, os aparelhos usam telas de toque capacitivas com um botão de toque capacitivo separado controlado por um MCU separado com uma biblioteca de segurança nele.

Alguns botões que fazem parte da interface do usuário são particularmente críticos para permitir a operação segura do aparelho e para evitar perigos, como incêndios domésticos. Por exemplo, aparelhos de cozinha com função de autolimpeza enviados para as Américas ou Europa devem oferecer suporte à operação de dois toques para ligar e um toque para desligar do modo de autolimpeza. É importante observar que os fornos autolimpantes atingem temperaturas perigosamente altas de 900oF (500oC). Os itens armazenados no forno podem pegar fogo durante este modo, portanto, a IEC / UL 60730 Classe B exige que os aparelhos com este recurso suportem a operação com dois toques e um toque para desligar.

A lógica por trás desse requisito é que um segundo toque para ativar o modo de autolimpeza é usado para encorajar o usuário a verificar se o modo de autolimpeza pode ser iniciado com segurança. Com um único toque, por exemplo, após o usuário sentir o cheiro de fumaça, o botão parar ou cancelar é usado para encerrar este modo. A operação segura do botão de parada é crítica para a segurança do usuário. Como resultado, o botão deve funcionar de forma confiável e precisa em todos os ambientes. Incêndios perigosos podem ser evitados ajudando a encerrar o modo de autolimpeza o mais rápido possível, sem múltiplas interações de toque.

O monitoramento de um único periférico analógico é bastante simples e fácil de ser feito pelo MCU. O periférico monitora alguns botões que são multiplexados juntos. Um periférico pode digitalizar uma série de botões. Embora essa funcionalidade seja integrada ao microcontrolador, o fabricante do aparelho ainda precisa desenvolver e qualificar a função de segurança e é responsável por isso.

Uma nova abordagem para a segurança de aparelhos

Embora a segurança funcional tenha sido implementada em aparelhos por muitos anos, existe uma opção para satisfazer esse requisito agora, aplicando os princípios clássicos de segurança a uma interface de tela de toque moderna. Conforme as telas sensíveis ao toque são implementadas ou atualizadas, esta é uma forma ideal de certificação Classe B.

A família de controladores ATMXT336UD-MAUHA1 maXTouch com seus recursos exclusivos relacionados à segurança elimina a necessidade de um botão separado, portanto, o desligamento agora pode ser realizado por um botão "soft" em qualquer lugar da tela sensível ao toque. Embora a capacidade de eliminar o botão e reduzir custos e manter a funcionalidade necessária deva ser um incentivo suficiente para os fabricantes de eletrodomésticos, a interface simplificada também deve ser mais atraente para os usuários. A abordagem integrada é simples e mais intuitiva. Também é mais conveniente, pois elimina a desordem e o custo dos botões separados. Talvez ainda mais importante, a função de desligamento pode ser alterada na linguagem natural do usuário para a globalização. Veja a Figura 2.

Figura 2. Ao colocar a função de parada de emergência na tela sensível ao toque, o fabricante do aparelho pode permitir que o usuário selecione o idioma com o qual se sente mais confortável para a função de parada.

O detector de fumaça foi pioneiro na segurança doméstica há décadas. Ao contrário do detector de fumaça, a tela de toque de segurança funcional Classe B pode alertar e agir. Ele executa essas funções proativas antes de sentir fumaça ou algo no ambiente, sem a necessidade de interação humana.

Vejamos um exemplo de preocupação com a segurança que a tela sensível ao toque Classe B pode resolver sem envolver o cozinheiro. Se uma panela pesada cair acidentalmente em um fogão quente com queimadores indutivos, em muitos casos, o vidro grosso protegeria os queimadores, mas o sensor de toque de óxido de índio e estanho (ITO) embaixo é mais frágil e pode quebrar. Essa quebra pode causar uma perda da funcionalidade de toque localizada em uma determinada região da tela sensível ao toque ou, pior ainda, todo o sensor pode falhar.

O controlador com Classe B monitora, em tempo real, a saúde do sensor de toque automaticamente. No fundo, quando o sensor não está procurando por toques, o IC verifica o próprio sensor de toque procurando por diferentes tipos de falhas. Assim que uma falha é detectada, como uma rachadura no sensor da tela de toque, o controlador notifica a unidade central de processamento (CPU) host para que ela possa desligar os queimadores automaticamente. Isso ocorrerá sem a necessidade de qualquer intervenção humana, proporcionando uma operação à prova de falhas.

Embora esse tipo de funcionalidade tenha sido possível anteriormente, o host teve que acionar ou sondar o IC da tela sensível ao toque para entrada. Agora, o próprio IC executa essa função e envia as mensagens para o host sempre que ocorre um problema. Uma mensagem de barramento I2C especial ou um pino IO de uso geral (GPIO) no IC ligado a um pino de interrupção na CPU do host do sistema fornece automaticamente o alerta para iniciar um desligamento. As funções de segurança embutidas e de atuação automática fornecem os meios para prevenir algumas das condições que podem levar a um incêndio na cozinha. Veja a Figura 3.

Figura 3. Em um aplicativo de dispositivo típico, o controlador de tela de toque Classe B faz interface facilmente com uma CPU host.

Para passar a certificação Classe B, vários testes de segurança funcional são realizados pelo IC da tela sensível ao toque. Um dos principais testes é o teste de memória. O IC touchscreen possui uma pequena quantidade de RAM e memória Flash, o suficiente para realizar as funções necessárias no aplicativo. Em um ambiente embarcado, o sistema fechado não executa nenhum código de cliente. Para atender à certificação Classe B, existem regras que determinam a frequência com que os testes de memória devem ser executados. Por exemplo, uma série de 1s e 0s ambulantes executados em segundo plano como um teste padrão para verificar se há falhas de RAM no IC. Veja a Figura 4.

Figura 4. Um teste de caminhada 1s para uma memória de 8 bits verifica sequencialmente cada bit.

O processo começa testando a RAM livre, verificando se ela está boa. Como a maior parte da pequena quantidade de memória é preenchida com dados, uma parte do código do aplicativo é movida para a parte testada para liberar outra parte e testá-la. O processo continua até que toda a RAM seja testada. Esse embaralhamento do código do aplicativo, enquanto ele está em execução, permite que toda a memória seja testada com testes sequenciais.

Gerenciar este teste sozinho é um processo razoavelmente complexo e faz parte da Classe B IC que está relatando eventos de toque de vários dedos simultaneamente em tempo real. A mais de 60 Hz, 60 vezes por segundo, o IC informa os toques no host enquanto testa a RAM e o sensor em segundo plano. Testes semelhantes são realizados para testar as células de memória de armazenamento de código de programa flash não volátil.

Os registros da CPU no controlador devem ser testados para garantir que estejam operando corretamente. Isso é feito lendo e salvando o valor atual do registro da CPU e armazenando os dados em outro registro que não está sendo testado. Em seguida, o registro da CPU é alternado para garantir que a nova configuração permaneça. Depois disso, os valores iniciais são restaurados. Isso verifica para ter certeza de que os registros da CPU podem ser definidos e redefinidos corretamente para os valores corretos.

Os testes de relógio interno certificam-se de que os relógios estão funcionando corretamente. Existem várias árvores de relógio dentro do IC e o teste confirma que elas estão sendo divididas e funcionando corretamente. Esta não é uma lista exaustiva de testes, mas dá uma ideia dos tipos de testes realizados pelo CI.

Outro aspecto de segurança do novo IC é que o barramento I2C teve uma grande atualização para as comunicações entre a CPU host do sistema e o controlador de toque. As comunicações I2C no controlador de toque usam dois mecanismos para garantir a integridade de todos os dados enviados de e para o dispositivo. O primeiro mecanismo usa um número de sequência. Além disso, pela primeira vez, uma verificação de redundância cíclica (CRC) foi adicionada ao barramento para verificar se não ocorreu corrupção de dados (um erro de bit).

Como um dispositivo pode ser um ambiente eletricamente ruidoso, isso garante que as coordenadas que o host recebe sejam confiáveis ​​e não tenham sido corrompidas no transporte. Além disso, como um número de sequência foi adicionado às mensagens I2C, agora, cada vez que as coordenadas são enviadas ao host, o host pode determinar se perdeu um ou mais pacotes de dados e tomar as medidas adequadas. Com a conectividade com a Internet, o host pode até ser programado para notificar o celular ou smartwatch do usuário sobre um problema, mesmo se o usuário não estiver em casa.

Conforme observado anteriormente, com os testes de segurança padrão Classe B, inteligência adicional foi adicionada ao controlador de toque para habilitar funções de autodiagnóstico periódicas e de sensor para monitorar constantemente a integridade do subsistema de toque. Esses recursos de diagnóstico inteligente suportam uma saída de sinal de pulsação configurável ("keep alive") que pode ser enviada ao host usando um acionador de saída IO de uso geral (GPIO).

Um último item de segurança. Com a segurança funcional já qualificada no chip de segurança da tela de toque, o processo de qualificação em nível de sistema do usuário é muito simplificado, uma vez que o software adicional não precisa ser escrito na CPU host para gerenciar a segurança da tela de toque. Isso deve fornecer motivação significativa aos fabricantes de eletrodomésticos para investigar e implementar esse novo recurso.

Segurança da lavanderia

O controlador de tela sensível ao toque Classe B pode lidar com outras situações de segurança fora da cozinha. Por exemplo, a NFPA afirma que os corpos de bombeiros dos EUA responderam a uma média estimada de 15.970 incêndios em estruturas residenciais envolvendo secadoras de roupas ou máquinas de lavar a cada ano. Embora haja uma variedade de causas para esses incêndios, o projeto de segurança deve causar uma redução significativa no número total.

Na lavanderia, existem requisitos de Classe B para máquinas de lavar. Equipamentos de lavanderia com motores de alta velocidade, especialmente máquinas de carregamento frontal, possuem um mecanismo de travamento para que a porta não abra inadvertidamente durante o funcionamento da máquina. O mecanismo de autolocking é um dispositivo eletromecânico que garante que, quando a máquina é ligada, o recurso de segurança é iniciado. Se o mecanismo de travamento for controlado por uma tela sensível ao toque, um botão, microcontrolador e sensor separados podem ser eliminados.

O cancelamento de destravamento manual da porta permite que os itens sejam adicionados ou removidos após a lavadora ou secadora ter sido iniciada e também precisa ser compatível com a segurança. Esta é atualmente a lei para aparelhos de lavanderia nos EUA e na Europa, onde a certificação de Classe B é exigida. A nova alternativa coloca tudo na tela sensível ao toque - e vale para máquinas de lavar e secar por causa dos aspectos de aquecimento. Além disso, nas lavadoras de carregamento frontal, o sistema precisa ser drenado antes que a porta seja aberta para evitar inundações. Por ser um aspecto da vida sobre o qual podem exercer algum controle, as pessoas estão cada vez mais preocupadas com a segurança.

Embora uma região específica possa exigir a certificação Classe B em um produto específico, uma vez que um fabricante de eletrodomésticos atenda a esse requisito, ele venderá o produto com essa funcionalidade / capacidade em outras regiões do mundo e promoverá a funcionalidade de segurança da tela de toque como uma vantagem competitiva. Isso provou ser muito eficaz no passado. A abordagem permite um modelo global para a Europa, as Américas e o resto do mundo, de modo que o fabricante só precisa fazer um tipo dessa classe de aparelho.

Rumo a aparelhos mais seguros

Iniciado por contribuições dos principais fornecedores de eletrodomésticos, o design e o desenvolvimento do controlador de tela sensível ao toque Classe B iniciado pelo cliente levou vários homens-anos para transformar o conceito em realidade. Recebeu feedback do cliente durante todo o processo para ajustar os recursos da Classe B. Embora certamente seja um recurso que os fornecedores desejarão oferecer e os clientes desejarão ter em eletrodomésticos de última geração, alguns fabricantes de eletrodomésticos já estão considerando a segurança Classe B para projetos de nível básico, uma vez que todos os clientes merecem o mais alto nível de segurança disponível.

Uma vez que os fabricantes de eletrodomésticos estejam familiarizados com esta nova capacidade, sua redução de custo associada e tenham certificado um eletrodoméstico ou eletrodomésticos para atender ao padrão da Classe B, eles podem considerar a aplicação da técnica a máquinas / eletrodomésticos onde não é obrigatório obter uma vantagem de marketing e diferenciação de marca para toda uma linha de aparelhos preocupados com a segurança para consumidores preocupados com a segurança. Para conectar aparelhos com segurança a humanos, o controlador de tela sensível ao toque Classe B é uma escolha segura para fornos, fogões, máquinas de lavar e secadoras, bem como máquinas de lavar louça, geladeiras, fornos combinados de micro-ondas / convecção e até exaustores de exaustão.

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