Perché alcuni microcontrollori sono più affidabili di altri. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / microcontrollori

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Nell'articolo l'autore discute alcuni aspetti a cui gli sviluppatori dovrebbero prestare attenzione quando scelgono un microcontrollore per applicazioni che soddisfano elevati requisiti di affidabilità e sicurezza.

A causa della natura della sua attività professionale presso la società di distribuzione Eltech LLC, l'autore deve discutere i problemi dello sviluppo dei dispositivi con molti produttori di elettronica nazionali. Durante queste discussioni si scopre che gli sviluppatori russi utilizzano i microcontrollori di tutti i produttori rappresentati sul mercato elettronico per risolvere i loro problemi. Per alcuni produttori, i microcontrollori del cosiddetto design "commerciale" sono abbastanza adatti. Ma ci sono produttori per i quali uno dei criteri più importanti nella scelta di un componente elettronico è la sua affidabilità. Prima di tutto, si tratta di specialisti che lavorano nella produzione di apparecchiature mediche, apparecchiature per ascensori ed elettronica automobilistica.

Esperimento

Nel 2006, Mikhail Cherepanov, uno sviluppatore della società Svey (Svey è un produttore russo di elettronica industriale), ha contattato la nostra azienda.

Ecco il testo della sua lettera: "La storia è iniziata con il fatto che abbiamo ricevuto lamentele da parte dei clienti secondo cui i nostri convertitori digitali (costruiti sull'MSP430F148IPM) periodicamente "si bloccano" e non rispondono alle richieste finché non vengono riavviati rimuovendo e ri- collegare la tensione di alimentazione.

Sono stati suggeriti che il "congelamento" avvenga a causa della presenza di rumore pulsato (questo è un fenomeno comune nelle sottostazioni elettriche). Per riprodurre la situazione ho realizzato un jammer (Figura 1).

Fig. 1

Come risultato dei test, i nostri convertitori sono stati modificati come segue:
1) Invece di un risuonatore al quarzo, è installato un oscillatore al quarzo.
2) È installato un timer watchdog esterno, poiché nell'MSP430F148 funziona dallo stesso quarzo ed è anche inefficace.

Dopodiché i guasti non si sono più verificati.

Successivamente i nostri prodotti hanno superato con successo i test EMC (per i prodotti soggetti a dichiarazione di conformità obbligatoria) per:

• GOST R 51317.4.2.
• GOST R 51317.4.3.
• GOST R 51317.4.4.
• GOST R 51317.4.11.

Personalmente ho determinato i requisiti minimi per il microcontrollore utilizzato:

1) Prove con un jammer.
2) Se viene utilizzato un timer watchdog interno, dovrebbe funzionare immediatamente dopo l'accensione del microcontrollore ed essere sincronizzato dal proprio oscillatore.
3) La documentazione dovrebbe essere “amichevole”, con esempi di configurazione delle periferiche.
4) Disponibilità di strumenti di debug disponibili (entro $ 200).
5) Se sono necessari USB, Ethernet, TCP, allora deve esserci una corrispondente libreria già pronta, o meglio ancora un RTOS con il supporto per questi."

Quindi il nostro cliente ha chiesto aiuto scegli un microcontrollore resistente ai forti campi elettromagnetici. Abbiamo proposto i dispositivi NEC sapendo che questi microcontrollori sono ampiamente utilizzati nell'elettronica automobilistica, dove l'ambiente elettromagnetico è molto complesso.

Sono stati presentati diversi kit di valutazione. Poi il cliente ha detto che voleva testarli con un generatore di scintille. Ad essere onesti, eravamo un po' preoccupati per l'esito di questi test, ma queste condizioni sono abbastanza coerenti con le situazioni automobilistiche reali in cui si verifica una rottura di un cavo dell'alta tensione. Allo stesso tempo, l'elettronica dovrebbe continuare a funzionare correttamente.

Questo metodo di test era piuttosto rozzo, perché i kit di valutazione non sono progettati per tali test. Abbiamo capito che c'era un rischio noto in questo esperimento, e forse i nostri "valutatori" avrebbero potuto anche fallire dopo un simile test. Ma avendo sufficiente esperienza con questi dispositivi e tenendo conto dell'esperienza dei nostri clienti, abbiamo deciso che erano realizzati correttamente e avrebbero funzionato come previsto.

Abbiamo fornito due kit di valutazione:

• Basso numero di pin: fallo!, basato su UPD8F78 a 9222 bit;
• EB-V850ES/HG2-EE, basato su UPD32F70 a 3707 bit.

La scarica della scintilla è stata effettuata in prossimità dei kit di valutazione.

Il processo di test è mostrato schematicamente in Fig. 2.

Fig. 2

Entrambi i kit di valutazione hanno funzionato senza problemi anche quando la scintilla è arrivata a circa 5 cm.Il cliente ha riferito di aver testato in questo modo oltre 10 diversi kit di valutazione. Gli abbiamo chiesto di fornirci i risultati di questi esperimenti. Di seguito verranno presentati senza commenti, “così come sono”.

Dopo un po ', il cliente ha condotto un altro esperimento, si potrebbe dire, più "barbaro". Tuttavia, anche i suoi risultati sono interessanti. Toccò con la mano i terminali di un oscillatore al quarzo funzionante. In tali condizioni, di tutti i microcontrollori elencati, sincronizzati da un generatore esterno, solo uno funzionava: uPD70F3707 (NEC). Tuttavia, in tutta onestà, va notato che quando viene toccato, il programma demo rallenta notevolmente la sua velocità di esecuzione. Il motivo di questo “comportamento” del microcontrollore uPD70F3707 verrà spiegato di seguito.

Cerchiamo di capire perché la famiglia V850ES/HG2 (a cui appartiene il microcontrollore uPD70F3707) si è rivelata così “tenace”. Se esamini attentamente alcuni nodi periferici, tutto gradualmente va a posto.

Generatori di timer e orologi watchdog

I problemi riscontrati dal nostro cliente sono stati causati dal fatto che, se esposto a forti interferenze elettromagnetiche, la generazione dell'oscillatore a cristallo potrebbe essere interrotta e poiché nel microcontrollore MSP430F148 il timer del watchdog viene sincronizzato dallo stesso oscillatore di riferimento, quindi quando il riferimento l'oscillatore viene arrestato, il timer watchdog non può più “svegliare” il microcontrollore [1].

Per evitare questa situazione, tutti i microcontrollori NEC cronometrano il timer watchdog da un oscillatore ad anello interno separato. Un generatore ad anello è un numero dispari di inverter collegati in un anello in modo che l'uscita di un inverter vada all'ingresso del successivo. L'interruzione della generazione di un oscillatore ad anello è praticamente impossibile. Va notato che in tutti i microcontrollori della famiglia V850 di NEC, il core del processore viene lanciato da un ulteriore oscillatore ad anello integrato e solo dopo essersi assicurati che l'oscillatore a cristallo sia avviato, è possibile commutare il clock su "quarzo" .

Monitor dell'orologio (Orologio Monitorare)

Il monitor dell'orologio monitora la presenza di oscillazione dall'oscillatore dell'orologio utilizzando un cristallo esterno. Se la generazione fallisce, viene generato il segnale di reset interno RESCLM e viene impostato il flag RESF.CLMRF [2]. Dopo essere usciti dalla modalità reset, il microcontrollore analizza questo flag e “si rende conto” che ci sono problemi con il generatore di clock esterno, dopodiché il core si avvia da uno dei generatori di clock interni. A seconda della famiglia, possono esserci 1 o 2 oscillatori, ma la loro frequenza, di regola, è sempre inferiore alla frequenza di un oscillatore che utilizza un risonatore esterno.

Ecco perché, dopo averlo toccato con un dito, il microcontrollore uPD70F3707 ha continuato a funzionare, ma molto “più lentamente”, come afferma Mikhail Cherepanov della ditta Svey.

È interessante notare che, in un modo o nell'altro, questo dispositivo è implementato anche in altri microcontrollori. Tuttavia, se il generatore di clock utilizzato viene specificato durante la programmazione FLASH e non può essere modificato nel software, lo scenario alternativo di trigger del clock interno descritto sopra non può essere implementato.

Oltre alla famiglia V850ES/Hx2, questo gruppo dispone anche di famiglie specificatamente progettate per applicazioni di controllo motore (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), per cruscotti automobilistici (V850E/Dx3), per -elettronica di bordo con interfaccia CAN (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), nonché V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 e Hx3.

Va notato che in alcuni altri microcontrollori (solitamente a 8 e 16 bit), gli ingegneri NEC utilizzano un timer watchdog con finestra invece di un monitor dell'orologio. Ha un principio di funzionamento completamente diverso, tuttavia questa periferica può essere utilizzata per lo stesso scopo di un monitor di clock, ovvero può monitorare il fatto che gli impulsi di clock dell'oscillatore di riferimento "esterno" sono scomparsi e consentire al microcontrollore di passare all'oscillatore interno.

Separazione del bus di potenza

Tutti i microcontrollori NEC a 32 bit menzionati in precedenza, e molti di quelli a 8 bit, dispongono di binari di alimentazione separati per le periferiche interne, il core del processore e i circuiti delle porte I/O. Nella fig. 3, 4 mostra schematicamente tale divisione.

Fig. 3

Fig. 4

Disaccoppiando adeguatamente il bus di alimentazione del core dalle porte I/O, si impedisce al rumore indotto sulle porte I/O di entrare nei circuiti di alimentazione periferici e core e si migliora l'immunità elettromagnetica (EMS).

Ad esempio, entrambi gli elenchi (tabelle 1, 2) includevano microcontrollori con un nucleo di lavoro automatizzato.

Tabella 1. I kit di valutazione hanno funzionato senza errori durante i test

Tabella 2. Suite di valutazione che hanno riscontrato errori del programma di test durante il test.

I microcontrollori ADUC7026BSTZ62 hanno funzionato senza problemi, mentre i microcontrollori con core APM di NXP (LPC2148) sono stati inclusi nella "lista nera". Se esaminiamo i circuiti di alimentazione del core, delle periferiche e delle porte I/O, possiamo notare che il microcontrollore di Analog Devices, anch'esso “resistente” alle scintille [3], ha una struttura di potenza simile al V850ES/Hx2 di NEC . Vale a dire, bus di alimentazione disaccoppiati del core e delle porte I/O (Fig. 5, 6).

Fig. 5

Fig. 6

Durante la creazione dell'LPC2148FBD64 [4], gli ingegneri NXP si sono limitati a separare solo i circuiti di alimentazione analogici e digitali (Fig. 7).

Fig. 7

Anche nei microcontrollori annunciati come destinati ad applicazioni automobilistiche, come l'AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P e ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, la separazione dei bus di alimentazione delle porte I/O e dei bus di alimentazione principali non è fornita. Di conseguenza, aumenta il rischio di guasti dovuti al rumore indotto lungo i circuiti I/O nelle applicazioni critiche.

Anche il microcontrollore MSP430F148, utilizzato nello sviluppo descritto da Mikhail, non dispone di separazione tra i bus di alimentazione principali e le porte I/O.

Puoi anche ricordare un altro produttore di chip molto popolare: Microchip. La ricerca con i microcontrollori di questo produttore non è stata effettuata, tuttavia, se li si guarda dal punto di vista della separazione dei bus di potenza, in un certo senso il concetto di disaccoppiamento delle porte I/O e dei dispositivi periferici è implementato nel PIC24FJ64GA Famiglia /128GA/256GA. Nella fig. 8 mostra che i circuiti di alimentazione per il core VDDCORE e le porte I/O VDD sono separati. Tuttavia, il filo comune VSS è rimasto galvanicamente isolato per questi due circuiti di alimentazione. Secondo le stime preliminari, l'immunità al rumore di questi microcontrollori sarà inferiore a quella dell'ADUC7026 di ADI o del V850 di NEC.

Fig. 8

Orologio a spettro esteso (SSCG)

Occorre prestare attenzione anche alla possibilità di utilizzare un generatore di clock a spettro esteso. Un tale generatore ha oscillazioni modulate in frequenza. Il “picco” della risposta in frequenza, caratteristico di un generatore di oscillazioni armoniche, viene “spalmato” sotto l'influenza della modulazione di frequenza e si trasforma in uno “scaffale”. È possibile modificare la profondità e il periodo di modulazione della frequenza del segnale del generatore SSCG. I microcontrollori delle famiglie V850E/ME2, Dx3, V850ES/Hx3, Fx3, V850E2/ME3 di NEC sono dotati di tale generatore. Il suo utilizzo riduce le emissioni elettromagnetiche (EME) emesse dal generatore di oltre 10 dB e, quindi, riduce la sensibilità alle interferenze elettromagnetiche esterne (EMS) alle frequenze del generatore di clock (Fig. 9).

Fig. 9,10

Applicazione del circuito PLL

Un altro modo per ridurre l'EMS è utilizzare un sintetizzatore di frequenza basato su un PLL. Nella fig. 10 mostra che i segnali spuri ad alta frequenza indotti ai terminali del risonatore al quarzo vengono filtrati quando passano attraverso il filtro passa basso dell'anello PLL. Nella fig. La Figura 11 fornisce dati per valutare quanto migliora l'EMS del microcontroller quando si utilizza un PLL.

Fig. 11

alimentazione

Si può dimostrare che maggiore è la tensione di alimentazione, maggiore è l'immunità al rumore del circuito del microprocessore. È anche vero che minore è la tensione di alimentazione, minore sarà il rumore prodotto dal microcontrollore. Pertanto, LPC2129 [5] di NXP e AT91SAM7S128 [6] di Atmel, che erano inclusi nella "lista nera", dispongono del necessario disaccoppiamento del bus di alimentazione principale e dei bus di alimentazione delle porte I/O. Tuttavia, una tensione di alimentazione del core troppo bassa (1,8 V) influisce negativamente sull'immunità al rumore di questo microcontrollore.

A volte è necessario "collegare" la logica a 3 e 5 volt. In questo caso può essere molto utile la tolleranza delle porte I/O a diversi livelli di segnali logici, ovvero la capacità del microcontrollore di supportare diverse tensioni delle porte I/O mantenendo una tensione di alimentazione costante per il core del microcontrollore e dispositivi periferici [7] (Fig. 12).

Fig. 12

Il supporto del produttore di chip può includere risorse quali raccomandazioni per l'instradamento del PCB, l'analisi del produttore del chip dell'area PCB associata all'instradamento del microcontrollore e componenti aggiuntivi con suggerimenti per migliorare la compatibilità elettromagnetica (EMC) (Figura 13), materiali sulla radiazione elettromagnetica (EME) dei microcontrollori [8] (disponibile su richiesta presso il distributore). Nella fig. La Figura 14 mostra il laboratorio NEC per la ricerca sulla compatibilità elettromagnetica [8]. La sua particolarità è che dovrebbe essere posizionato in alta montagna, lontano da fonti di radiazioni elettromagnetiche.

Fig. 13

Fig. 14

Il supporto al distributore include la fornitura di campioni e kit di test di valutazione, supporto tecnico e altri servizi. In alcuni casi, come mostrato sopra, il distributore si assume dei rischi per far decollare il progetto. Una collaborazione più stretta con il distributore, di norma, è sempre vantaggiosa per lo sviluppatore e produttore finale.

La tabella 3 mostra alcune famiglie di microcontrollori NEC consigliate per l'utilizzo in applicazioni con requisiti di elevata affidabilità, e alcune caratteristiche che consentono di valutare quanto affidabile possa essere un dispositivo costruito su questi microcontrollori.

Tabella 3. Parametri che influenzano l'affidabilità di alcune famiglie di microcontrollori NEC Electronics

conclusione

Vengono considerati gli aspetti principali legati alla selezione dei microcontrollori per applicazioni critiche. I test effettuati utilizzando la metodologia piuttosto "severa" fornita nell'articolo consentono al lettore di risolvere il problema della scelta di un microcontrollore per la propria applicazione, tenendo conto dei requisiti di affidabilità del dispositivo in fase di sviluppo, nonché del servizio ricevuto sia durante lo sviluppo e in tutte le fasi successive della produzione.

In uno dei suoi nuovi sviluppi, la società Sway ha utilizzato il microcontrollore a 8 bit UPD78F9212GR prodotto da NEC Electronics.

Letteratura

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. Materiali forniti da NEC Electronics (necel.com) su richiesta.

Autore: Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru; Pubblicazione: cxem.net

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