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作者：德州仪器C2000应用产品部 Chris Clearman
SawStop基于DSP的传感与制动技术使台锯刀片能在5毫秒内停止工作，将严重人身伤害化解为轻微刮伤。
在美国，每年都有约65,000人因为使用台锯受伤而接受治疗，造成的经济损失达20亿美元。上述数据来源于美国消费品安全委员会 (Consumer
Product Safety Commission)
2003年的一份报告。这些数据显示，台锯致伤造成的损失实际上比全年台锯总市场价值高出十倍。换言之，每一部台锯都是潜在的武器，随时都会因伤害到一个
粗心或不幸的操作员而造成比其本身价值高许多倍的损失。要是台锯能够具备相关特性，大幅提高安全性，那么即便略微增加了产品成本，那也还是完全值得的。因
为安全特性最终有助于大幅节约经济成本，更别说能够避免操作人员可能遭受的严重人身伤害了。
目前，SawStop
LLC公司为其台锯产品提供了一种具有革命性突破的安全特性。该公司研发了一种技术，不仅能够感应标准圆锯刀片和人体之间的接触，而且还能够在5毫秒内制
动并收回刀片。这种极速反应大大减轻了伤害，结果只是留下了“邦迪”就能处理的小刮伤，而不是需要去医院急救室才能解决的深度创伤或手指切断。图1显示了 SawStop
收缩锯(contractor saw)。
SawStop的总裁兼安全技术发明人Steve Gass博士指出：“作为木材工作者，我始终认为应当有一套更好的台锯安全系统，但作为发明者，我荣幸地找到了开发这一系统的方法。现在，无论是学校、用
人单位还是保险公司都发现，尽管SawStop工具需要的投资略多一些，但它大幅降低了在课堂或工作岗位上严重受伤的风险，因而是完全值得的。”
基于DSP的高性能控制技术
SawStop安全系统的核心在于由德州仪器 (TI) TMS320C2000TM 数字信号控制器支
持的高级感测与控制技术。C2000控制器建立在TI高级数字信号处理器(DSP)技术基础之上，专为实时嵌入式控制应用系统而精心设计。类似 SawStop的嵌入式控制系统不仅要求
DSP 具备高度的计算性能，而且还要实现外设集成以及微控制单元 (MCU) 通常所能实现的易用性。高速C2000控制器使SawStop工具不仅能瞬间感测到刀片接触到手的情况，而且还能区别人体与软木、湿木之间的区别，这样安
全特性就不会影响正常的木材生产工作。
Gass指出：“我们在设计安全模块时有许多种控制产品可供选择，但我们最终决定采用C2000控制器，因为其在编程灵活性以及低价格方
面均符合我们的要求。这种基于DSP的控制器为我们提供了类似于 MCU 的集成度，并显著简化了开发工作，而且其性能也是MCU所不能企及的。”
直观明了的创新型技术
SawStop技术的工作原理在于区别人体与木材的不同电气属性。系统通电时在台锯刀片上生成3V的500千赫兹电信号，并通过控制器监视
该信号。刀片切割木材时信号保持不变，因为木材具有较低的本征电容与电导。不过，如果台锯在工作时刀片接触到木工，那么人体内部相对较大的电容将改变电信 号。图 2
显示了台锯锯齿接触手指等有生命的肌体组织时信号电压的变化。
控制器的工作频率为40兆赫兹(MHz)，每秒能够执行4,000万次的累积乘法运算(MMACS)。该控制器负责监控刀片的电压，每完 成一次控制回路仅需6微秒
(μs)。如果来自刀片的信号突然改变，那么控制器将识别出台锯与身体接触所导致的变化，并发出高速的高强度制动信号，以停止锯齿的转动。在不到5ms
内，刀片就能完全停止转动并收缩回去。从刚接触皮肤到台锯锯齿停止刀片转动并从木工手部收回，总共仅需二百分之一秒的时间。
一旦采用制动执行器，则必须应更换整个安全模块，这是一项可由木工轻松完成的维护工作。系统每次加电后，数字信号控制器都要检测安全模
块，只要检测到问题，就会防止电锯启动。因此，如果安全模块不就位，电锯就不能正常工作，就不能完成正常操作。图3显示了SawStop安全系统中制动夹 (brake
cartridge)的位置。
方便易用的高集成度控制器
高度集成的TI控制器使SawStop能够设计出一款经济实惠、便于更换的小型安全模块。片上外设不仅可以节约板级空间而且还能减少组件
数，其具体包括10位模数转换器 (ADC)、定时器、串行端口以及脉宽调制(PWM)输出等。凭借32KB的片上闪存以及TI Code Composer
StudioTM集成编程环境的支持，该器件帮助SawStop大幅加速了代码开发与调试进程，从而使其产品能够快速上市。此外，闪存还能在制动之前记录许多信号行为，这使
SawStop 能够收集到可靠的数据。图4显示了TI推出的TMS320C2000TM数字信号控制器。
自适应性能够满足未来需求
SawStop现已投产，可提供箱式电锯与伸缩式电锯两种型号。借助相关技术，SawStop对其电锯进行了全面的设计，而不是修改现有的
某种产品。此举不仅使公司改进了产品性能，而且还为未来的技术发展预留了空间。例如，SawStop新型电锯的额外安全特性在于采用了可稳定木材并防止木
材震动的欧式劈刀，这在美国还不多见。此外，电锯还提供锯屑收集功能，降低了木屑带来的风险。C2000控制器的高性能还使我们能够实现进一步的技术改
善，包括工具防盗以及非授权使用等安全特性、电锯速度与定位的数字马达控制、木材湿度监测，以及降低电锯工作的噪声等。
SawStop认为应当尽可能推广安全性更高的电动工具，并已宣布将根据许可证协议向所有电锯制造商提供其已获专利的安全技术。最终 SawStop的安全系统经过适应性调整，将运用于手持电锯、带锯、摇臂锯(radial
arm saw)、链锯、接合工具、成形工具以及其他木工工具中。此外，基于DSP的技术经过自适应调整，还可用于切割除木材之外的其他非导体材料，也可用于缝纫
机、切碎机、剪切具、压榨机以及其他操作人员可能因机械部件运动而遭受人身伤害的电动设备。 |