|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Dlaczego niektóre mikrokontrolery są bardziej niezawodne niż inne. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Mikrokontrolery W artykule autor rozważa niektóre aspekty, na które programiści powinni zwrócić uwagę przy wyborze mikrokontrolera do aplikacji spełniających wysokie wymagania dotyczące niezawodności i bezpieczeństwa. Ze względu na swoją działalność zawodową w firmie dystrybucyjnej „Eltech” LLC autor musi omawiać problemy rozwoju urządzeń z wieloma krajowymi producentami elektroniki. W trakcie tych rozmów okazuje się, że rosyjscy programiści do rozwiązywania swoich problemów wykorzystują mikrokontrolery wszystkich producentów reprezentowanych na rynku elektronicznym. Dla niektórych producentów mikrokontrolery o tak zwanej „komercyjnej” konstrukcji są całkiem odpowiednie. Ale są producenci, dla których jednym z najważniejszych kryteriów wyboru elementu elektronicznego jest jego niezawodność. Przede wszystkim są to specjaliści pracujący w dziedzinie produkcji sprzętu medycznego, wyposażenia wind, elektroniki samochodowej. Eksperyment W 2006 roku do naszej firmy zgłosił się Michaił Czerepanow, deweloper firmy Svey (Svey to rosyjski producent elektroniki przemysłowej). Oto treść jego listu: „Historia zaczęła się od skarg klientów, że nasze digitizery (zbudowane na MSP430F148IPM) okresowo „zawieszają się” i nie odpowiadają na żądania, dopóki nie zostaną zresetowane przez usunięcie i ponowne podanie napięcia zasilania. Pojawiły się sugestie, że „zawieszenie” jest spowodowane obecnością szumu impulsowego (jest to częste zjawisko w podstacjach elektrycznych). Aby odtworzyć sytuację, wykonałem generator szumów (ryc. 1).
W wyniku testów nasze konwertery zostały zmodyfikowane w następujący sposób:
Potem awarie już się nie zdarzały. Później nasze produkty pomyślnie przeszły testy EMC (dla produktów podlegających obowiązkowej deklaracji zgodności) wg:
Dla siebie ustaliłem minimalne wymagania dla zastosowanego mikrokontrolera: 1) Test generatora zakłóceń.
Więc nasz klient poprosił o pomoc podnieś mikrokontroler odporny na silne pola elektromagnetyczne. Zaproponowaliśmy urządzenia NEC wiedząc, że te mikrokontrolery są szeroko stosowane w elektronice samochodowej, gdzie środowisko elektromagnetyczne jest bardzo trudne. Zaprezentowano kilka zestawów ewaluacyjnych. Następnie klient powiedział, że chce je przetestować z generatorem iskier. Szczerze mówiąc, trochę martwiliśmy się, jak wypadną te testy, ale takie warunki są całkiem zgodne z prawdziwymi sytuacjami motoryzacyjnymi, gdy dochodzi do awarii przewodu wysokiego napięcia. W takim przypadku elektronika powinna nadal działać poprawnie. Ta metoda testowa była dość surowa, ponieważ zestawy ewaluacyjne nie są przeznaczone do takich testów. Zrozumieliśmy, że w tym eksperymencie było pewne ryzyko i być może nasi „ewaluatorzy” po takim teście mogliby nawet ponieść porażkę. Mając jednak wystarczające doświadczenie z tymi urządzeniami i biorąc pod uwagę doświadczenia naszych klientów, zdecydowaliśmy, że są one należycie wykonane i będą działać zgodnie z oczekiwaniami. Dostarczyliśmy dwa zestawy ewaluacyjne:
Wyładowanie iskrowe przeprowadzono w bliskiej odległości od zestawów ewaluacyjnych. Proces testowania przedstawiono schematycznie na ryc. 2.
Oba zestawy ewaluacyjne działały bez zarzutu, nawet gdy iskra znajdowała się w odległości blisko 5 cm.Klient poinformował, że przetestował w ten sposób ponad 10 różnych zestawów ewaluacyjnych. Poprosiliśmy go o przedstawienie wyników tych eksperymentów. Dalej zostaną podane bez komentarza, „tak jak jest”. Po pewnym czasie klient przeprowadził kolejny, można by rzec, bardziej „barbarzyński” eksperyment. Jednak jego wyniki są również interesujące. Dotknął ręką zacisków działającego oscylatora kwarcowego. W takich warunkach ze wszystkich wymienionych mikrokontrolerów taktowanych z zewnętrznego generatora działał tylko jeden - uPD70F3707 (NEC). Jednak, uczciwie, należy zauważyć, że po dotknięciu program demonstracyjny zauważalnie spowolnił szybkość jego wykonywania. Przyczyna takiego „zachowania” mikrokontrolera uPD70F3707 zostanie wyjaśniona później. Spróbujmy zrozumieć, dlaczego rodzina V850ES/HG2 (do której należy mikrokontroler uPD70F3707) okazała się tak „wytrwała”. Jeśli dokładnie rozważysz niektóre węzły peryferyjne, wszystko stopniowo się ułoży. Watchdog timer i generatory zegara Problemy, które napotkał nasz klient wynikały z faktu, że pod wpływem silnych zakłóceń elektromagnetycznych generacja oscylatora kwarcowego może zostać zakłócona, a ponieważ zegar kontrolny w mikrokontrolerze MSP430F148 jest taktowany z tego samego oscylatora referencyjnego, gdy oscylator referencyjny jest zatrzymany, zegar nadzorujący nie może już „obudzić” mikrokontrolera [1]. Aby temu zapobiec, we wszystkich mikrokontrolerach NEC zegar kontrolny jest taktowany z oddzielnego wewnętrznego oscylatora pierścieniowego. Generator pierścieniowy to nieparzysta liczba falowników połączonych w pierścień, tak że wyjście jednego falownika trafia na wejście następnego. Zakłócenie generowania generatora pierścieniowego jest praktycznie niemożliwe. Należy zauważyć, że we wszystkich mikrokontrolerach z rodziny NEC V850 rdzeń procesora jest uruchamiany z dodatkowego wbudowanego oscylatora pierścieniowego i dopiero po upewnieniu się, że oscylator kwarcowy się uruchomił, można przełączyć zegar na „kwarcowy”. monitor zegara (zegar monitor) Monitor zegara monitoruje generowanie oscylatora zegarowego za pomocą zewnętrznego oscylatora kwarcowego. Jeśli generowanie nie powiedzie się, generowany jest wewnętrzny sygnał resetu RESCLM i ustawiana jest flaga RESF.CLMRF [2]. Po wyjściu z trybu resetowania mikrokontroler analizuje tę flagę i „rozumie”, że są problemy z zewnętrznym generatorem zegara, po czym uruchamiany jest rdzeń z jednego z wewnętrznych generatorów zegara. W zależności od rodziny może być 1 lub 2 oscylatory, ale ich częstotliwość z reguły jest zawsze mniejsza niż częstotliwość oscylatora wykorzystującego rezonator zewnętrzny. Dlatego po dotknięciu palcem mikrokontroler uPD70F3707 dalej działał, ale już znacznie „wolniej”, jak stwierdził Michaił Czerepanow z firmy Sway. Ciekawe, że w takim czy innym stopniu to urządzenie jest zaimplementowane w innych mikrokontrolerach. Jednakże, jeśli zegar, który ma być używany, jest ustawiony podczas programowania FLASH i nie może być zmieniony przez oprogramowanie, wtedy alternatywny scenariusz uruchamiania wewnętrznego oscylatora opisany powyżej nie może zostać zaimplementowany. Oprócz rodziny V850ES/Hx2, rodziny zaprojektowane specjalnie do zastosowań związanych ze sterowaniem silnikami (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), do samochodowych tablic rozdzielczych (V850E/Dx3), do elektroniki pokładowej z CAN (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), a także V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 i Hx3. Należy zauważyć, że w niektórych innych mikrokontrolerach (zwykle 8- i 16-bitowych) inżynierowie NEC zamiast monitora zegara używają okienkowego zegara kontrolnego. Ma zupełnie inną zasadę działania, jednak to urządzenie peryferyjne może być używane do tego samego celu, co monitor zegara, to znaczy może monitorować zanik „zewnętrznego” zegara oscylatora odniesienia i umożliwiać mikrokontrolerowi przejście do wewnętrznego oscylator. Separacja szyn zasilających Wszystkie wspomniane wcześniej 32-bitowe mikrokontrolery NEC oraz wiele 8-bitowych mikrokontrolerów ma oddzielne szyny zasilające dla wewnętrznych urządzeń peryferyjnych, rdzenia procesora i obwodów portów we/wy. na ryc. 3 i 4 schematycznie przedstawiają takie rozdzielenie.
Przy prawidłowym odsprzęgnięciu rdzeniowej szyny zasilającej i portów I/O szumy indukowane na portach I/O nie przedostają się do obwodowych i rdzeniowych obwodów zasilających i poprawiają odporność elektromagnetyczną (EMS). I tak np. w obu zestawieniach (tabele 1, 2) znalazły się mikrokontrolery z rdzeniem AWP. Tabela 1. Zestawy ewaluacyjne działały bez zarzutu podczas testów
Tabela 2. Zestawy ewaluacyjne, w których podczas testowania wystąpiły błędy programu testowego
Mikrokontrolery ADUC7026BSTZ62 pracowały bezawaryjnie, natomiast mikrokontrolery z rdzeniem APM firmy NXP (LPC2148) trafiły na „czarną listę”. Jeśli przyjrzymy się obwodom zasilania rdzenia, urządzeń peryferyjnych i portów I/O, zobaczymy, że mikrokontroler firmy Analog Devices, który również „stał” przed iskrą [3], ma strukturę zasilania zbliżoną do V850ES/Hx2 z NEC. Mianowicie odsprzęgnięte szyny zasilające dla rdzenia i portów I/O (ryc. 5, 6).
Tworząc LPC2148FBD64 [4], inżynierowie NXP ograniczyli się jedynie do rozdzielenia analogowych i cyfrowych obwodów zasilających (rys. 7).
Nawet mikrokontrolery reklamowane do zastosowań motoryzacyjnych, takie jak AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P i ATmega32M1/64M1/32C1/64C1 nie zapewniają separacji szyn zasilających portów we/wy i głównych szyn zasilających. W rezultacie wzrasta prawdopodobieństwo awarii z powodu zakłóceń indukowanych wzdłuż obwodów I/O w krytycznych aplikacjach. Mikrokontroler MSP430F148, który został wykorzystany w opracowaniu opisanym przez Michaiła, również nie posiada separacji szyn zasilających rdzenia i portów I/O. Możesz także przypomnieć sobie innego bardzo popularnego producenta chipów - Microchip. Nie przeprowadzono badań z mikrokontrolerami tego producenta, jednak jeśli spojrzeć na nie z punktu widzenia separacji szyn zasilających, to w pewnym sensie koncepcja odsprzęgania portów I/O i urządzeń peryferyjnych jest zaimplementowana w PIC24FJ64GA Rodzina /128GA/256GA. na ryc. 8 pokazuje, że obwody zasilania rdzenia VDDCORE i portów VDD I/O są rozdzielone. Jednak wspólny przewód VSS nie pozostał galwanicznie izolowany dla tych dwóch obwodów mocy. Według wstępnych szacunków odporność tych mikrokontrolerów na zakłócenia będzie niższa niż ADUC7026 firmy ADI czy V850 firmy NEC.
Generator zegara widma rozproszonego (SSCG) Należy również zwrócić uwagę na możliwość zastosowania generatora zegara z rozproszonym widmem. Taki generator ma oscylacje modulowane częstotliwościowo. „Szczyt” charakterystyki częstotliwościowej generatora oscylacji harmonicznych pod wpływem modulacji częstotliwości „rozmazuje się” i zamienia w „półkę”. Głębokość i okres modulacji częstotliwości sygnału SSCG można zmieniać. Mikrokontrolery z rodzin V850E / ME2, Dx3, V850ES / Hx3, Fx3, V850E2 / ME3 firmy NEC są wyposażone w taki generator. Jego zastosowanie pozwala zmniejszyć o ponad 10 dB emisję elektromagnetyczną (EME) emitowaną przez generator, a co za tym idzie zmniejszyć wrażliwość na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne (EMS) na częstotliwościach generatora zegarowego (rys. 9).
Zastosowanie układu PLL Innym sposobem na zmniejszenie EMS jest użycie syntezatora częstotliwości opartego na PLL. na ryc. 10 pokazuje, że fałszywe sygnały o wysokiej częstotliwości indukowane na zaciskach rezonatora kwarcowego są filtrowane podczas przechodzenia przez filtr dolnoprzepustowy PLL. na ryc. Rysunek 11 pokazuje dane, które pozwalają ocenić, jak bardzo poprawia się EMS mikrokontrolera przy użyciu PLL.
Napięcie zasilania Można wykazać, że im wyższe napięcie zasilania, tym wyższa odporność na zakłócenia obwodu mikroprocesora. Prawdą jest również, że im niższe napięcie zasilania, tym mniej mikrokontroler będzie „szumiał”. Tak więc LPC2129 [5] firmy NXP i AT91SAM7S128 [6] firmy Atmel, które znajdują się na „czarnej liście”, mają niezbędne odsprzęganie szyny zasilającej rdzenia i szyn zasilających portu I/O. Jednak zbyt niskie napięcie zasilania rdzenia (1,8 V) niekorzystnie wpływa na odporność tego mikrokontrolera na zakłócenia. Czasami konieczne jest „połączenie” logiki 3- i 5-woltowej. W tym przypadku tolerancja portów wejścia/wyjścia na różne poziomy sygnałów logicznych, czyli zdolność mikrokontrolera do obsługi różnych napięć portów wejścia/wyjścia przy stałym napięciu zasilania rdzenia mikrokontrolera i urządzeń peryferyjnych [7 ] (Rys. 12).
Wsparcie producenta chipa może obejmować zasoby, takie jak zalecenia dotyczące trasowania PCB, analiza producenta chipa dotycząca obszaru PCB związanego z trasowaniem mikrokontrolerów i dodatkowych komponentów z sugestiami dotyczącymi poprawy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) (Rysunek 13), materiały dotyczące promieniowania elektromagnetycznego (EME) mikrokontrolery [8] (dostarczane na życzenie dystrybutora). na ryc. Na rysunku 14 przedstawiono laboratorium NEC do prowadzenia badań EMC [8]. Jego osobliwością jest to, że powinien być zlokalizowany wysoko w górach, z dala od źródeł promieniowania elektromagnetycznego.
Wsparcie dystrybutora obejmuje dostarczanie próbek i zestawów ewaluacyjnych do testów, wsparcie techniczne i inne usługi. W niektórych przypadkach, jak pokazano powyżej, dystrybutor podejmuje ryzyko, aby projekt ruszył. Bardziej „gęsta” praca z dystrybutorem jest z reguły zawsze korzystna dla ostatecznego programisty i producenta. W tabeli 3 wymieniono niektóre rodziny mikrokontrolerów firmy NEC zalecane do stosowania w aplikacjach o wysokich wymaganiach dotyczących niezawodności oraz niektóre cechy, które pozwalają ocenić, na ile niezawodne może okazać się urządzenie zbudowane na tych mikrokontrolerach. Tabela 3. Parametry wpływające na niezawodność niektórych rodzin mikrokontrolerów NEC Electronics
wniosek Rozważono główne aspekty związane z wyborem mikrokontrolerów do odpowiedzialnych aplikacji. Testy przeprowadzone według dość „surowej” metodologii podanej w artykule pozwalają czytelnikowi rozwiązać problem doboru mikrokontrolera do jego aplikacji, biorąc pod uwagę wymagania dotyczące niezawodności opracowywanego urządzenia, a także otrzymanej usługi zarówno podczas opracowywania, jak i na wszystkich kolejnych etapach produkcji. W jednym ze swoich nowych opracowań firma Sway zastosowała 8-bitowy mikrokontroler UPD78F9212GR wyprodukowany przez firmę NEC Electronics. literatura 1 focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f148.pdf
Autor: Giennadij Goryunow, gennady.gr@eltech.spb.ru; Publikacja: cxem.net
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Nanotechnologia do wzmacniania betonu ▪ TDA8939TH - wzmacniacz cyfrowy klasy D ▪ Niemowlęta płaczą w swoim ojczystym języku ▪ Samolot pasażerski bez okien
▪ sekcja witryny Warsztat domowy. Wybór artykułów ▪ artykuł Aranżacja letniej rezydencji. Wskazówki dla mistrza domu ▪ artykuł Jakiego cudu dokonał Jezus jeszcze w łonie matki? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Wodospady Augrabis. Cud natury ▪ artykuł Elektronika w samochodzie. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony