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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ¿Por qué algunos microcontroladores son más confiables que otros? Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Microcontroladores En el artículo, el autor considera algunos aspectos a los que los desarrolladores deben prestar atención al elegir un microcontrolador para aplicaciones que cumplan con altos requisitos de confiabilidad y seguridad. Por la naturaleza de su actividad profesional en la empresa de distribución "Eltech" LLC, el autor tiene que discutir los problemas del desarrollo de dispositivos con muchos fabricantes de productos electrónicos nacionales. Durante estas discusiones, resulta que los desarrolladores rusos utilizan microcontroladores de todos los fabricantes representados en el mercado electrónico para resolver sus problemas. Para algunos fabricantes, los microcontroladores del llamado diseño "comercial" son bastante adecuados. Pero hay fabricantes para los que uno de los criterios más importantes a la hora de elegir un componente electrónico es su fiabilidad. En primer lugar, estos son especialistas que trabajan en el campo de la producción de equipos médicos, equipos de ascensores, electrónica automotriz. Experimento En 2006, Mikhail Cherepanov, un desarrollador de la empresa Svey, se postuló para nuestra empresa (Svey es un fabricante ruso de productos electrónicos industriales). Aquí está el texto de su carta: "La historia comenzó con las quejas de los clientes de que nuestros convertidores digitales (basados en el MSP430F148IPM) se "congelan" periódicamente y no responden a las solicitudes hasta que se restablecen quitando y volviendo a aplicar el voltaje de suministro. Ha habido sugerencias de que el "bloqueo" se debe a la presencia de ruido de impulso (esto es algo común en las subestaciones eléctricas). Para reproducir la situación, hice un generador de ruido (Fig. 1).
Como resultado de las pruebas, nuestros convertidores se modificaron de la siguiente manera:
Después de eso, los accidentes no volvieron a ocurrir. Posteriormente, nuestros productos superaron con éxito las pruebas de EMC (para productos sujetos a declaración de conformidad obligatoria) según:
Por mí mismo, determiné los requisitos mínimos para el microcontrolador utilizado: 1) Prueba del generador de interferencias.
Así que nuestro cliente pidió ayuda. elija un microcontrolador que sea resistente a fuertes campos electromagnéticos. Propusimos dispositivos NEC sabiendo que estos microcontroladores son ampliamente utilizados en la electrónica automotriz, donde el entorno electromagnético es muy difícil. Se presentaron varios kits de evaluación. Entonces el cliente dijo que quería probarlos con un generador de chispas. Para ser honesto, estábamos un poco preocupados por cómo pasarían estas pruebas, pero tales condiciones son bastante consistentes con las situaciones automotrices reales cuando ocurre una falla en un cable de alto voltaje. En este caso, la electrónica debería seguir funcionando correctamente. Este método de prueba fue bastante tosco, porque los kits de evaluación no están diseñados para tales pruebas. Entendimos que había cierto riesgo en este experimento y, quizás, nuestros "evaluadores" podrían incluso fallar después de tal prueba. Pero, teniendo suficiente experiencia con estos dispositivos y teniendo en cuenta la experiencia de nuestros clientes, decidimos que están hechos correctamente y funcionarán como se esperaba. Hemos proporcionado dos kits de evaluación:
La descarga de chispa se llevó a cabo muy cerca de los kits de evaluación. El proceso de prueba se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.
Ambos kits de evaluación funcionaron sin problemas, incluso cuando la chispa estaba cerca de 5 cm de distancia. El cliente informó que había probado más de 10 kits de evaluación diferentes de esta manera. Le pedimos que proporcionara los resultados de estos experimentos. Además, se darán sin comentarios, "tal cual". Después de un tiempo, el cliente llevó a cabo otro experimento, se podría decir, más "bárbaro". Sin embargo, sus resultados también son interesantes. Tocó con la mano los terminales de un oscilador de cuarzo en funcionamiento. En tales condiciones, de todos los microcontroladores enumerados sincronizados desde un generador externo, solo uno funcionó: uPD70F3707 (NEC). Sin embargo, para ser justos, debe tenerse en cuenta que cuando se toca, el programa de demostración ralentiza notablemente la velocidad de su ejecución. La razón de este "comportamiento" del microcontrolador uPD70F3707 se explicará más adelante. Tratemos de entender por qué la familia V850ES/HG2 (a la que pertenece el microcontrolador uPD70F3707) resultó ser tan "tenaz". Si considera cuidadosamente algunos nodos periféricos, todo encaja gradualmente. Temporizador de vigilancia y generadores de reloj Los problemas que enfrentó nuestro cliente fueron causados por el hecho de que cuando se expone a una fuerte interferencia electromagnética, es posible generar un oscilador de cristal, y dado que el temporizador de vigilancia en el microcontrolador MSP430F148 se sincroniza desde el mismo oscilador de referencia, cuando se detiene el oscilador de referencia, el temporizador de vigilancia ya no puede "despertar" al microcontrolador [1]. Para evitar esta situación, en todos los microcontroladores NEC, el temporizador de vigilancia se controla desde un oscilador de anillo interno independiente. El generador de anillo es un número impar de inversores conectados en un anillo de modo que la salida de un inversor va a la entrada del siguiente. La interrupción de la generación de un generador de anillo es prácticamente imposible. Cabe señalar que en todos los microcontroladores de la familia NEC V850, el núcleo del procesador se inicia desde un oscilador de anillo incorporado adicional, y solo después de asegurarse de que el oscilador de cristal se haya iniciado, puede cambiar el reloj a "cuarzo". monitor de reloj (Reloj Monitorear) El monitor de reloj supervisa la generación de un oscilador de reloj utilizando un oscilador de cristal externo. Si la generación falla, se genera una señal de reinicio interno RESCLM y se establece el indicador RESF.CLMRF [2]. Después de salir del modo de reinicio, el microcontrolador analiza este indicador y "comprende" que hay problemas con el generador de reloj externo, después de lo cual el núcleo se inicia desde uno de los generadores de reloj internos. Dependiendo de la familia, puede haber 1 o 2 osciladores, pero su frecuencia, por regla general, siempre es menor que la frecuencia del oscilador que usa un resonador externo. Es por eso que, después de tocarlo con un dedo, el microcontrolador uPD70F3707 continuó funcionando, pero ya mucho "más lento", como afirmó Mikhail Cherepanov de la compañía Sway. Es interesante que, en un grado u otro, este dispositivo se implemente en otros microcontroladores. Sin embargo, si el reloj que se usará se establece durante la programación de FLASH y no se puede cambiar por software, entonces no se puede implementar el escenario alternativo de inicio del oscilador interno descrito anteriormente. Además de la familia V850ES/Hx2, este nodo también cuenta con familias diseñadas específicamente para aplicaciones de control de motores (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), para tableros automotrices (V850E/Dx3), para electrónica embarcada con interfaz CAN (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), así como V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 y Hx3. Cabe señalar que en algunos otros microcontroladores (generalmente de 8 y 16 bits), los ingenieros de NEC usan un temporizador de vigilancia con ventana en lugar de un monitor de reloj. Tiene un principio de funcionamiento completamente diferente, sin embargo, este dispositivo periférico puede usarse para el mismo propósito que el monitor de reloj, es decir, puede monitorear la desaparición del reloj del oscilador de referencia "externo" y permitir que el microcontrolador cambie al oscilador interno. Separación de rieles de potencia. Todos los microcontroladores NEC de 32 bits mencionados anteriormente, y muchos de los de 8 bits, tienen rieles de alimentación independientes para los periféricos internos, el núcleo del procesador y los circuitos de puertos de E/S. En la fig. 3 y 4 muestran esquemáticamente tal separación.
Con el desacoplamiento adecuado del bus de alimentación central y los puertos de E/S, el ruido inducido en los puertos de E/S no ingresa a los circuitos de alimentación periféricos y centrales y mejora la inmunidad electromagnética (EMS). Entonces, por ejemplo, ambas listas (Tablas 1, 2) incluían microcontroladores con un núcleo AWP. Tabla 1. Los kits de evaluación funcionaron sin problemas durante las pruebas
Tabla 2. Kits de evaluación que tuvieron fallas en el programa de prueba cuando se probaron
Los microcontroladores ADUC7026BSTZ62 funcionaron sin fallas, mientras que los microcontroladores con núcleo APM de NXP (LPC2148) entraron en la "lista negra". Si examinamos los circuitos de alimentación del núcleo, los dispositivos periféricos y los puertos de E/S, podemos ver que el microcontrolador de Analog Devices, que también "resistió" a una chispa [3], tiene una estructura de alimentación similar a V850ES/Hx2 de NEC. Es decir, buses de alimentación desacoplados para el núcleo y los puertos de E/S (Fig. 5, 6).
Al crear el LPC2148FBD64 [4], los ingenieros de NXP se limitaron solo a la separación de los circuitos de alimentación analógicos y digitales (Fig. 7).
Incluso los microcontroladores anunciados para aplicaciones automotrices como el AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P y ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, no se proporciona la separación de los rieles de alimentación del puerto de E/S y los rieles de alimentación del núcleo. Como resultado, aumenta la posibilidad de falla debido a la interferencia inducida a lo largo de los circuitos de E/S en aplicaciones críticas. El microcontrolador MSP430F148, que se utilizó en el desarrollo descrito por Mikhail, tampoco tiene una separación de los rieles de alimentación del núcleo y los puertos de E/S. También puede recordar otro fabricante de chips muy popular: Microchip. No se ha realizado ninguna investigación con los microcontroladores de este fabricante, sin embargo, si los observa desde el punto de vista de la separación de los buses de alimentación, entonces, en cierto sentido, el concepto de desacoplamiento de puertos de E/S y dispositivos periféricos se implementa en la familia PIC24FJ64GA/128GA/256GA. En la fig. 8 muestra que los circuitos de alimentación del núcleo VDDCORE y los puertos de E/S VDD están separados. Sin embargo, el cable común VSS no permaneció aislado galvánicamente para estos dos circuitos de alimentación. Según estimaciones preliminares, la inmunidad al ruido de estos microcontroladores será menor que la del ADUC7026 de ADI o la del V850 de NEC.
Generador de reloj de espectro ensanchado (SSCG) También se debe prestar atención a la posibilidad de utilizar un generador de reloj de espectro ensanchado. Tal generador tiene oscilaciones moduladas en frecuencia. Respuesta de frecuencia "pico", característica del generador de oscilaciones armónicas, bajo la influencia de la modulación de frecuencia "manchada" y se convierte en un "estante". La profundidad y el período de la modulación de frecuencia de la señal SSCG se pueden cambiar. Los microcontroladores de las familias V850E / ME2, Dx3, V850ES / Hx3, Fx3, V850E2 / ME3 de NEC están equipados con dicho generador. Su aplicación permite reducir en más de 10 dB la emisión electromagnética (EME) emitida por el generador y, en consecuencia, reducir la sensibilidad a las interferencias electromagnéticas externas (EMS) en las frecuencias del generador de reloj (Fig. 9).
Aplicación del circuito PLL Otra forma de reducir el EMS es usar un sintetizador de frecuencia basado en PLL. En la fig. 10 muestra que las señales espurias de alta frecuencia inducidas en los terminales del resonador de cuarzo se filtran al pasar por el filtro de paso bajo del PLL. En la fig. La Figura 11 muestra datos que permiten evaluar cuánto mejora el EMS del microcontrolador al utilizar el PLL.
fuente de alimentación Se puede demostrar que cuanto mayor sea el voltaje de suministro, mayor será la inmunidad al ruido del circuito del microprocesador. También es cierto que cuanto menor sea el voltaje de suministro, menos "ruido" tendrá el microcontrolador. Por lo tanto, LPC2129 [5] de NXP y AT91SAM7S128 [6] de Atmel, que están en la "lista negra", tienen el desacoplamiento necesario del bus de alimentación central y los buses de alimentación del puerto de E/S. Sin embargo, una tensión de alimentación del núcleo demasiado baja (1,8 V) afecta negativamente a la inmunidad al ruido de este microcontrolador. A veces es necesario "enlazar" la lógica de 3 y 5 voltios. En este caso, la tolerancia de los puertos de entrada/salida a diferentes niveles de señales lógicas, es decir, la capacidad del microcontrolador para soportar varios voltajes de los puertos de entrada/salida con un voltaje de suministro constante del núcleo del microcontrolador y los dispositivos periféricos [7] (Fig. 12).
El soporte del fabricante de IC puede incluir recursos tales como recomendaciones de enrutamiento de PCB, el análisis del fabricante de IC del área de PCB asociada con el enrutamiento del microcontrolador y componentes adicionales con sugerencias para mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC) (Figura 13), materiales sobre radiación electromagnética (EME) de microcontroladores [8] (proporcionados a pedido del distribuidor). En la fig. La Figura 14 muestra el laboratorio NEC para realizar investigaciones sobre EMC [8]. Su peculiaridad es que debe ubicarse en lo alto de las montañas, lejos de fuentes de radiación electromagnética.
El apoyo al distribuidor incluye el suministro de muestras y kits de evaluación para pruebas, soporte técnico y otros servicios. En algunos casos, como se muestra arriba, el distribuidor se arriesga para poner en marcha el proyecto. Un trabajo más "denso" con el distribuidor, por regla general, siempre es beneficioso para el desarrollador final y el fabricante. La Tabla 3 enumera algunas familias de microcontroladores NEC recomendadas para su uso en aplicaciones con altos requisitos de confiabilidad y algunas características que le permiten evaluar qué tan confiable puede resultar un dispositivo construido con estos microcontroladores. Tabla 3. Parámetros que afectan la confiabilidad de algunas familias de microcontroladores NEC Electronics
Conclusión Se consideran los principales aspectos relacionados con la elección de microcontroladores para aplicaciones responsables. Las pruebas realizadas de acuerdo con una metodología bastante "dura" proporcionada en el artículo permiten al lector resolver el problema de elegir un microcontrolador para su aplicación, teniendo en cuenta los requisitos de confiabilidad del dispositivo que se está desarrollando, así como el servicio recibido tanto durante el desarrollo como en todas las etapas posteriores de producción. En uno de sus nuevos desarrollos, la empresa Sway utilizó un microcontrolador de 8 bits UPD78F9212GR fabricado por NEC Electronics. Literatura 1 focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f148.pdf
Autor: Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru; Publicación: cxem.net
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