Чому одні мікроконтролери надійніші за інші. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Мікроконтролери

 Коментарі до статті

У статті автор розглядає деякі аспекти, на які розробникам слід звернути увагу при виборі мікроконтролера для застосування, що відповідає високим вимогам надійності та безпеки.

За своєю професійною діяльністю в дистриб'юторській компанії ТОВ "Елтех" автору доводиться обговорювати проблеми розробки пристроїв з багатьма вітчизняними виробниками електроніки. У ході цих обговорень з'ясовується, що російські розробники використовують для вирішення своїх завдань мікроконтролери всіх виробників, які представлені на електронному ринку. Для деяких виробників цілком підходять мікроконтролери так званого комерційного виконання. Але є виробники, котрим одним із найважливіших критеріїв вибору електронного компонента є його надійність. Насамперед, це фахівці, які працюють у галузі виробництва медичної техніки, ліфтового обладнання, автомобільної електроніки.

Експеримент

У 2006 році до нашої фірми звернувся Михайло Черепанов - розробник компанії "Свей" ("Свей" - російський виробник промислової електроніки).

Ось текст його листа: "Історія почалася з того, що від замовників надійшли скарги на те, що наші цифрові перетворювачі (побудовані на MSP430F148IPM) періодично "зависають" і не відповідають на запити доти, доки не будуть перезавантажені шляхом зняття та повторної подачі напруги живлення.

Були припущення, що "зависання" відбувається через імпульсні перешкоди (на електричних підстанціях це звичайне явище). Щоб відтворити ситуацію, виготовив генератор перешкод (рис. 1).

Рис. 1

В результаті випробувань наші перетворювачі були доопрацьовані таким чином:
1) Замість кварцового резонатора встановлено кварцовий генератор.
2) Встановлено зовнішній сторожовий таймер, тому що в MSP430F148 він працює від того ж кварцу і так само виявляється неефективним.

Після цього збої більше не відбувалися.

Пізніше наша продукція успішно пройшла випробування (для виробів, що підлягають обов'язковому декларуванню відповідності) на ЕМС:

• ГОСТ Р 51317.4.2.
• ГОСТ Р 51317.4.3.
• ГОСТ Р 51317.4.4.
• ГОСТ Р 51317.4.11.

Для себе я визначив мінімальні вимоги для мікроконтролера:

1) Випробування генератором перешкод.
2) Якщо використовується внутрішній сторожовий таймер, він повинен працювати відразу після включення мікроконтролера і тактуватися власним генератором.
3) Документація має бути "дружня", з прикладами конфігурування периферії.
4) Наявність доступних налагоджувальних засобів (у межах $200).
5) Якщо потрібно USB, Ethernet, TCP, то має бути відповідна готова бібліотека, а краще RTOS з підтримкою цих.

Отже, наш клієнт просив допомогти підібрати йому мікроконтролер, стійкий до потужних електромагнітних полів. Ми запропонували пристрої NEC, знаючи, що ці мікроконтролери знаходять широке застосування в автоелектроніці, де електромагнітна ситуація дуже складна.

Було представлено кілька оціночних комплектів. Тоді замовник сказав, що хоче перевірити їх іскровим генератором. Чесно кажучи, ми трохи хвилювалися, як пройдуть ці випробування, проте такі умови цілком відповідають реальним автомобільним ситуаціям, коли відбувається пробій високовольтного дроту. У цьому електроніка має продовжувати справно працювати.

Цей метод перевірки був досить грубим, адже оціночні комплекти не призначені для таких випробувань. Ми розуміли, що в цьому експерименті є відомий ризик, і, можливо, наші "оціночники" навіть можуть вийти з ладу після такого випробування. Але, маючи достатній досвід роботи з цими пристроями та враховуючи досвід наших замовників, ми вирішили, що вони виконані належним чином та працюватимуть так, як належить.

Ми надали два оціночні комплекти:

• Low Pin Count - Do it!, побудований на основі 8-розрядного UPD78F9222;
• EB-V850ES/HG2-EE, побудований на основі 32-розрядного UPD70F3707.

Іскровий розряд проводився у безпосередній близькості з оціночними комплектами.

Схематично процес тестування зображено на рис. 2.

Рис. 2

Обидва оціночні комплекти працювали без збоїв, навіть коли іскра наближалася на відстань близько 5 см. Замовник повідомив, що подібним чином він перевірив понад 10 різних оціночних комплектів. Ми попросили його надати результати цих експериментів. Далі їх буде наведено без коментарів, "як є".

Через деякий час замовник провів ще один, можна сказати, більш "варварський" експеримент. Однак його результати також цікаві. Він рукою торкався висновків працюючого кварцового генератора. У таких умовах з усіх перерахованих мікроконтролерів, що тактуються від зовнішнього генератора, працював тільки один - uPD70F3707 (NEC). Проте, заради справедливості, слід зауважити, що при дотику демонстраційна програма помітно уповільнювала швидкість свого виконання. Причину такої "поведінки" мікроконтролера uPD70F3707 буде пояснено далі.

Спробуємо зрозуміти, завдяки чому сімейство V850ES/HG2 (до якого належить мікроконтролер uPD70F3707) виявилося настільки "живучим". Якщо уважно розглянути деякі периферійні вузли, все поступово стає на свої місця.

Сторожовий таймер та тактові генератори

Проблеми, з якими зіткнувся наш клієнт, були викликані тим, що при впливі сильних електромагнітних перешкод можливий зрив генерації кварцового генератора, а так як в мікроконтролері MSP430F148 сторожовий таймер тактується від того ж самого опорного генератора, то при зупиненому опорному генераторі "розбудити" мікроконтролер [1].

Для того, щоб запобігти цій ситуації, у всіх мікроконтролерах NEC сторожовий таймер тактується від окремого внутрішнього кільцевого генератора. Кільцевий генератор є непарним числом інверторів, з'єднаних в кільце так, що вихід одного інвертора йде на вхід наступного. Зрив генерації кільцевого генератора практично неможливий. Слід зазначити, що у всіх мікроконтролерах сімейства V850 від NEC запуск процесорного ядра походить від додаткового вбудованого кільцевого генератора, і тільки переконавшись, що кварцовий генератор запустився, ви можете переключити тактування на "кварц".

Монітор тактової частоти (годинник монітор)

Монітор тактової частоти стежить за наявністю генерації тактового генератора, що використовує кварцовий зовнішній резонатор. Якщо генерація пропадає, генерується внутрішній сигнал скидання RESCLM і встановлюється прапор RESF.CLMRF [2]. Після виходу з режиму скидання мікроконтролер аналізує цей прапор і "розуміє", що виникли проблеми із зовнішнім тактовим генератором, після чого ядро ​​запускається від одного із внутрішніх тактових генераторів. Залежно від сімейства може бути 1 або 2 генератори, проте їх частота, як правило, завжди менша, ніж частота генератора, що використовує зовнішній резонатор.

Саме тому після дотику пальцем мікроконтролер uPD70F3707 продовжував працювати, але вже значно "повільніше", що й констатував Михайло Черепанов із компанії "Свей".

Цікаво, що тією чи іншою мірою цей пристрій реалізовано і в інших мікроконтролерах. Однак, якщо використовується тактовий генератор задається при програмуванні FLASH і не може бути змінений програмно, сценарій запуску від альтернативного внутрішнього генератора, описаний вище, реалізувати вже неможливо.

Крім сімейства V850ES/Hx2, цей вузол мають також сімейства, спеціально розроблені для додатків керування електродвигунами (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), для автомобільних панелей приладів (V850E/Dx3), для бортової електроніки з CAN-інтерфейсом (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), а також V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 та Hx3.

Слід зазначити, що в деяких інших мікроконтролерах (як правило, у 8- та 16-розрядних) інженери NEC замість монітора тактової частоти використовують віконний сторожовий таймер. Він має зовсім інший принцип роботи, проте цей периферійний пристрій можна використовувати з тією ж метою, що і монітор тактової частоти, тобто він може відстежувати факт зникнення тактових імпульсів "зовнішнього" опорного генератора і дозволяє переключитися мікроконтролеру на внутрішній генератор.

Поділ шин живлення

Всі 32-розрядні мікроконтролери NEC, згадані раніше, і багато 8-розрядних мають роздільні шини живлення для внутрішніх периферійних пристроїв, процесорного ядра та ланцюгів портів вводу/виводу. На рис. 3, 4 схематично показано такий поділ.

Рис. 3

Рис. 4

При правильній розв'язці шини живлення ядра та портів вводу/виводу перешкоди, наведені на портах вводу/виводу, не потрапляють у ланцюги живлення периферійних пристроїв та ядра та підвищують електромагнітну стійкість (EMS).

Так, наприклад, в обидва списки (табл. 1, 2) потрапили мікроконтролери з ядром АРМ.

Таблиця 1. Оціночні комплекти під час перевірки працювали без збоїв

Таблиця 2. Оціночні комплекти, які під час перевірки мали збої тестової програми

Без збоїв працювали мікроконтролери ADUC7026BSTZ62, тоді як до "чорного списку" потрапили мікроконтролери з ядром АРМ від NXP (LPC2148). Якщо досліджувати ланцюги живлення ядра, периферійних пристроїв та портів вводу/виводу, можна відзначити, що мікроконтролер від Analog Devices, який також "устояв" проти іскри [3], має структуру живлення, аналогічну V850ES/Hx2 від NEC. А саме розв'язані шини живлення ядра та портів вводу/виводу (рис. 5, 6).

Рис. 5

Рис. 6

Інженери NXP при створенні LPC2148FBD64 [4] обмежилися лише поділом аналогових та цифрових ланцюгів живлення (рис. 7).

Рис. 7

Навіть у мікроконтролерах, анонсованих як призначені для автомобільного застосування, таких як AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P та ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, поділ шин живлення портів вводу/виводу та шин живлення ядра не передбачено. В результаті зростає можливість відмови через перешкоди, наведені по ланцюгах вводу/виводу у відповідальних застосуваннях.

Мікроконтролер MSP430F148, який був використаний у розробці, описаній Михайлом, також не має поділу шин живлення ядра та портів вводу/виводу.

Можна також згадати ще одного дуже популярного виробника мікросхем – компанію Microchip. Дослідження з мікроконтролерами даного виробника не проводилися, проте, якщо подивитися на них з погляду поділу шин живлення, то в певному сенсі концепція розв'язки портів вводу/виводу та периферійних пристроїв реалізована у сімействі PIC24FJ64GA/128GA/256GA. На рис. 8 видно, що ланцюги живлення ядра VDDCORE та портів введення/виводу VDD розділені. Проте загальний дріт VSS залишився гальванічно не розв'язаним цих двох ланцюгів живлення. За попередніми оцінками, перешкодозахищеність цих мікроконтролерів буде нижчою, ніж у ADUC7026 від ADI або V850 від NEC.

Рис. 8

Тактовий генератор з розширеним спектром (SSCG)

Слід звернути увагу і можливість використання тактового генератора з розширеним спектром. Такий генератор має частотно-модульовані коливання. "Пік" АЧХ, характерний для генератора гармонійних коливань, під впливом частотної модуляції "розмазується" і перетворюється на "полку". Глибину та період частотної модуляції сигналу генератора SSCG можна змінювати. Таким генератором наділені мікроконтролери сімейств V850E/ME2, Dx3, V850ES/Hx3, Fx3, V850E2/ME3 від NEC. Його застосування дозволяє зменшити більш ніж на 10 дБ електромагнітну емісію (EME), що випромінюється генератором, і, отже, зменшити чутливість до зовнішніх електромагнітних перешкод (EMS) на частотах тактового генератора (рис. 9).

Рис. 9,10

Застосування ланцюга ФАПЛ

Ще одним способом зменшення EMS є застосування синтезатора частоти на основі петлі ФАПЛ (PLL). На рис. 10 видно, що високочастотні паразитні сигнали, наведені на висновках кварцового резонатора, фільтруються при проходженні через ФНЧ петлі ФАПЧ. На рис. 11 наведено дані, що дозволяють оцінити, наскільки покращується EMS мікроконтролера при використанні ФАПЛ.

Рис. 11

Напруга живлення

Можна показати, що чим вище напруга живлення, тим вище завадостійкість мікропроцесорної схеми. Правильно й те, що чим менше напруга живлення, тим менший мікроконтролер "шумітиме". Так, LPC2129 [5] від NXP та AT91SAM7S128 [6] від Atmel, що потрапили в "чорний список", мають необхідну розв'язку шини живлення ядра та шин живлення портів вводу/виводу. Однак занадто мале напруга живлення ядра (1,8 В) негативно позначається на стійкості перешкод цього мікроконтролера.

Іноді буває необхідно "пов'язати" 3- та 5-вольтову логіку. При цьому дуже доречною може бути толерантність портів вводу/виводу до різних рівнів логічних сигналів, тобто можливість підтримки мікроконтролером різних напруг портів вводу/виводу при незмінному напрузі живлення ядра мікроконтролера і периферійних пристроїв [7] (рис. 12).

Рис. 12

Підтримка фірми, виробника мікросхем, може включати такі ресурси, як рекомендації щодо трасування друкованої плати, аналіз виробником мікросхем ділянки друкованої плати, пов'язаної з трасуванням мікроконтролера, та додаткових компонентів з пропозиціями щодо покращення електромагнітної сумісності (EMC) (рис. 13), матеріали по електромагнітного випромінювання (EME) мікроконтролерів [8] (надаються після запиту дистриб'ютора). На рис. 14 представлена ​​лабораторія NEC для проведення досліджень на EMC [8]. Її особливість у тому, що вона повинна бути високо в горах, далеко від джерел електромагнітного випромінювання.

Рис. 13

Рис. 14

Підтримка дистриб'ютора включає надання зразків та оціночних комплектів для тестування, технічну підтримку та інший сервіс. У деяких випадках, як було показано вище, дистриб'ютор ризикує, щоб проект почав розвиватися. Більш "щільна" робота з дистриб'ютором, як правило, завжди буває вигідна кінцевому розробнику та виробнику.

У таблиці 3 наведено дані деяких сімейств мікроконтролерів NEC, рекомендованих для застосування у додатках з підвищеними вимогами до надійності, і деякі характеристики, що дозволяють оцінити, наскільки надійним може вийти пристрій, побудований на цих мікроконтролерах.

Таблиця 3. Параметри, що впливають на надійність деяких сімей мікроконтролерів NEC Electronics

Висновок

Розглянуто основні аспекти, пов'язані із вибором мікроконтролерів для відповідальних застосувань. Випробування, проведені за досить "суворою" методикою, наведеною в статті, дозволяють читачеві вирішити завдання з вибором мікроконтролера для свого застосування, з урахуванням вимог до надійності пристрою, що розробляється, а також сервісу, одержуваного як при розробці, так і на всіх наступних стадіях виробництва.

В одній зі своїх нових розробок фірма "Свей" застосувала 8-розрядний мікроконтролер UPD78F9212GR виробництва NEC Electronics.

література

1. focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f148.pdf
2. eu.necel.com/_pdf/U17718EJ2V0UD00.PDF
3. analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADUC7019_7020_7021_7022_7024_7025_7026_7027_7028.pdf
4. nxp.com/acrobat_download/datasheets/LPC2141_42_44_46_48_3.pdf
5. nxp.com/acrobat_download/datasheets/LPC2109_2119_2129_6.pdf
6. atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc6175.pdf
7. eu.necel.com/_pdf/U17830EE1V0UM00.PDF
8. Матеріали, що надаються NEC Electronics (necel.com) на запит.

Автор: Геннадій Горюнов, gennady.gr@eltech.spb.ru; Публікація: cxem.net

Дивіться інші статті розділу Мікроконтролери.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем ​​з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву Гібрид праски з пилососом 01.03.2003 В Англії запатентована праска, якою можна гладити одяг, що вертикально висить у гардеробі. Вбудований вентилятор підсмоктує тканину до підошви праски. Вакуумний притиск покращує якість прасування при використанні нової праски і звичайним чином, на дошці для прасування. Випуск обіцяють розпочати цього року.

Інші цікаві новини:

▪ Консервативний розум

▪ Системна плата Gigabyte Z590 Aorus Tachyon

▪ Безпілотні автобуси WEpod

▪ Антистрес для водіїв

▪ Собака для діабетика

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Життя чудових фізиків. Добірка статей

▪ стаття Трубка світу. Крилатий вислів

▪ стаття Як мозок зберігає інформацію? Детальна відповідь

▪ стаття Шуманія Кареліна. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Активна антена діапазону УКХ ЧС. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Норми приймально-здавальних випробувань. Повітряні вимикачі. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024