Kostenlose technische Bibliothek ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Warum sind manche Mikrocontroller zuverlässiger als andere? Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mikrocontroller In dem Artikel geht der Autor auf einige Aspekte ein, auf die Entwickler bei der Auswahl eines Mikrocontrollers für Anwendungen achten sollten, die hohe Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen erfüllen. Aufgrund seiner beruflichen Tätigkeit in der Vertriebsgesellschaft „Eltech“ LLC muss der Autor mit vielen heimischen Elektronikherstellern über die Probleme der Geräteentwicklung diskutieren. Bei diesen Gesprächen stellt sich heraus, dass russische Entwickler zur Lösung ihrer Probleme Mikrocontroller aller auf dem Elektronikmarkt vertretenen Hersteller einsetzen. Für einige Hersteller sind Mikrocontroller im sogenannten „kommerziellen“ Design durchaus geeignet. Doch es gibt Hersteller, für die eines der wichtigsten Kriterien bei der Auswahl eines elektronischen Bauteils dessen Zuverlässigkeit ist. Dies sind in erster Linie Spezialisten, die im Bereich der Herstellung von medizinischen Geräten, Aufzugsgeräten und Automobilelektronik tätig sind. Experiment Im Jahr 2006 bewarb sich Mikhail Cherepanov, ein Entwickler der Firma Svey, bei unserem Unternehmen (Svey ist ein russischer Hersteller von Industrieelektronik). Hier ist der Text seines Briefes: „Die Geschichte begann mit Beschwerden von Kunden, dass unsere Digitalisierer (aufgebaut auf dem MSP430F148IPM) zeitweise „einfrieren“ und nicht auf Anfragen reagieren, bis sie durch Entfernen und erneutes Einspeisen der Versorgungsspannung zurückgesetzt werden. Es gibt Hinweise darauf, dass das „Hängen“ auf das Vorhandensein von Impulsrauschen zurückzuführen ist (dies kommt häufig in Umspannwerken vor). Um die Situation zu reproduzieren, habe ich einen Rauschgenerator gebaut (Abb. 1).
Als Ergebnis der Tests wurden unsere Konverter wie folgt modifiziert:
Danach traten die Abstürze nicht mehr auf. Später haben unsere Produkte die EMV-Tests (für Produkte, die einer Konformitätserklärung unterliegen) erfolgreich bestanden, gemäß:
Für mich selbst habe ich die Mindestanforderungen an den verwendeten Mikrocontroller ermittelt: 1) Interferenzgeneratortests.
Also bat unser Kunde um Hilfe Besorgen Sie sich einen Mikrocontroller, der gegen starke elektromagnetische Felder resistent ist. Wir haben NEC-Geräte vorgeschlagen, da wir wussten, dass diese Mikrocontroller häufig in der Automobilelektronik eingesetzt werden, wo die elektromagnetische Umgebung sehr schwierig ist. Es wurden mehrere Evaluierungskits vorgestellt. Dann sagte der Kunde, dass er sie mit einem Funkengenerator testen wollte. Um ehrlich zu sein, waren wir ein wenig besorgt darüber, wie diese Tests verlaufen würden, aber solche Bedingungen stimmen durchaus mit realen Situationen im Automobilbereich überein, wenn es zu einem Ausfall eines Hochspannungskabels kommt. In diesem Fall sollte die Elektronik weiterhin einwandfrei funktionieren. Diese Testmethode war recht grob, da die Evaluierungskits nicht für solche Tests ausgelegt sind. Wir haben verstanden, dass dieses Experiment ein gewisses Risiko birgt und dass unsere „Bewerter“ nach einem solchen Test vielleicht sogar scheitern könnten. Aufgrund unserer ausreichenden Erfahrung mit diesen Geräten und unter Berücksichtigung der Erfahrungen unserer Kunden sind wir jedoch zu dem Schluss gekommen, dass sie ordnungsgemäß hergestellt sind und wie erwartet funktionieren. Wir haben zwei Evaluierungskits bereitgestellt:
Die Funkenentladung wurde in unmittelbarer Nähe der Evaluierungskits durchgeführt. Der Testablauf ist schematisch in Abb. 2.
Beide Evaluierungskits funktionierten einwandfrei, selbst wenn der Funke knapp 5 cm entfernt war. Der Kunde berichtete, dass er auf diese Weise mehr als 10 verschiedene Evaluierungskits getestet hatte. Wir haben ihn gebeten, die Ergebnisse dieser Experimente zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus werden sie ohne Kommentare „wie besehen“ zur Verfügung gestellt. Nach einiger Zeit führte der Kunde ein weiteres, man könnte sagen, „barbarischeres“ Experiment durch. Allerdings sind auch seine Ergebnisse interessant. Er berührte mit der Hand die Anschlüsse eines funktionierenden Quarzoszillators. Unter solchen Bedingungen funktionierte von allen aufgelisteten Mikrocontrollern, die von einem externen Generator getaktet wurden, nur einer – uPD70F3707 (NEC). Der Fairness halber ist jedoch anzumerken, dass das Demoprogramm bei Berührung die Ausführungsgeschwindigkeit merklich verlangsamte. Der Grund für dieses „Verhalten“ des Mikrocontrollers uPD70F3707 wird später erläutert. Versuchen wir zu verstehen, warum sich die V850ES/HG2-Familie (zu der der Mikrocontroller uPD70F3707 gehört) als so „hartnäckig“ erwiesen hat. Wenn Sie einige periphere Knoten sorgfältig betrachten, fügt sich nach und nach alles zusammen. Watchdog-Timer und Taktgeneratoren Die Probleme, auf die unser Kunde gestoßen ist, wurden durch die Tatsache verursacht, dass die Erzeugung eines Quarzoszillators bei starken elektromagnetischen Störungen gestört werden kann und der Watchdog-Timer im MSP430F148-Mikrocontroller von demselben Referenzoszillator getaktet wird, wenn der Referenzoszillator eingeschaltet ist gestoppt wird, kann der Watchdog-Timer den Mikrocontroller nicht mehr „aufwecken“ [1]. Um diese Situation zu verhindern, wird bei allen NEC-Mikrocontrollern der Watchdog-Timer von einem separaten internen Ringoszillator getaktet. Der Ringgenerator besteht aus einer ungeraden Anzahl von Wechselrichtern, die in einem Ring verbunden sind, sodass der Ausgang eines Wechselrichters zum Eingang des nächsten geht. Eine Störung der Erzeugung eines Ringgenerators ist praktisch ausgeschlossen. Zu beachten ist, dass bei allen Mikrocontrollern der NEC V850-Familie der Prozessorkern von einem zusätzlich eingebauten Ringoszillator gestartet wird und man erst nachdem man sich vergewissert hat, dass der Quarzoszillator gestartet ist, den Takt auf „Quarz“ umstellen kann. Uhrmonitor (Uhr Überwachen) Der Taktmonitor überwacht die Erzeugung eines Taktoszillators mithilfe eines externen Quarzoszillators. Wenn die Generierung fehlschlägt, wird ein internes Reset-Signal RESCLM generiert und das Flag RESF.CLMRF [2] gesetzt. Nach Verlassen des Reset-Modus analysiert der Mikrocontroller dieses Flag und „versteht“, dass Probleme mit dem externen Taktgenerator vorliegen, woraufhin der Kern von einem der internen Taktgeneratoren gestartet wird. Je nach Familie können 1 oder 2 Oszillatoren vorhanden sein, deren Frequenz ist jedoch in der Regel immer geringer als die Frequenz des Oszillators mit externem Resonator. Aus diesem Grund arbeitete der Mikrocontroller uPD70F3707 nach der Berührung mit dem Finger weiter, jedoch bereits viel „langsamer“, wie Mikhail Cherepanov von der Firma Sway feststellte. Es ist interessant, dass dieses Gerät in gewissem Maße auch in anderen Mikrocontrollern implementiert ist. Wenn der zu verwendende Takt jedoch während der Programmierung des FLASH eingestellt wird und nicht per Software geändert werden kann, kann das oben beschriebene alternative Startszenario des internen Oszillators nicht implementiert werden. Zusätzlich zur V850ES/Hx2-Familie verfügt dieser Knoten auch über Familien, die speziell für Motorsteuerungsanwendungen (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), für Automobil-Armaturenbretter (V850E/Dx3), für On- Platinenelektronik mit CAN-Schnittstelle (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), sowie V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 und Hx3. Es ist zu beachten, dass die NEC-Ingenieure bei einigen anderen Mikrocontrollern (normalerweise 8 und 16 Bit) einen Watchdog-Timer mit Fenster anstelle eines Taktmonitors verwenden. Es hat ein völlig anderes Funktionsprinzip, jedoch kann dieses Peripheriegerät für den gleichen Zweck wie der Taktmonitor verwendet werden, d. h. es kann das Verschwinden des „externen“ Referenzoszillatortakts überwachen und es dem Mikrocontroller ermöglichen, auf den internen umzuschalten Oszillator. Trennung von Stromschienen Alle zuvor erwähnten 32-Bit-NEC-Mikrocontroller und viele 8-Bit-Mikrocontroller verfügen über separate Stromschienen für interne Peripheriegeräte, Prozessorkerne und I/O-Port-Schaltkreise. Auf Abb. 3 und 4 zeigen schematisch eine solche Trennung.
Bei ordnungsgemäßer Entkopplung des Kernstrombusses und der E/A-Ports gelangt an den E/A-Ports verursachtes Rauschen nicht in die Peripherie- und Kernstromkreise und verbessert die elektromagnetische Immunität (EMS). So waren beispielsweise in beiden Listen (Tabellen 1, 2) Mikrocontroller mit AWP-Kern enthalten. Tabelle 1. Evaluierungskits funktionierten während des Tests einwandfrei
Tabelle 2. Evaluierungskits, bei denen beim Testen Testprogrammfehler auftraten
Die ADUC7026BSTZ62-Mikrocontroller funktionierten ohne Ausfälle, während Mikrocontroller mit einem APM-Kern von NXP (LPC2148) auf die „schwarze Liste“ kamen. Wenn wir die Stromkreise des Kerns, der Peripheriegeräte und der I/O-Ports untersuchen, können wir erkennen, dass der Mikrocontroller von Analog Devices, der auch einem Funken „stand“ [3], eine ähnliche Leistungsstruktur wie V850ES/Hx2 aufweist von NEC. Nämlich entkoppelte Energiebusse für die Kern- und I/O-Ports (Abb. 5, 6).
Bei der Entwicklung des LPC2148FBD64 [4] beschränkten sich die NXP-Ingenieure lediglich auf die Trennung von analogen und digitalen Stromkreisen (Abb. 7).
Sogar für Automobilanwendungen beworbene Mikrocontroller wie der AT90CAN32/64/128; Bei ATmega164P/324P/644P und ATmega32M1/64M1/32C1/64C1 ist keine Trennung der E/A-Port-Stromschienen und der Kernstromschienen vorgesehen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls aufgrund von Störungen entlang der E/A-Schaltkreise in kritischen Anwendungen. Auch der Mikrocontroller MSP430F148, der in der von Mikhail beschriebenen Entwicklung zum Einsatz kam, verfügt über keine Trennung der Kernstromschienen und I/O-Ports. Sie können sich auch an einen anderen sehr beliebten Chiphersteller erinnern – Microchip. Mit Mikrocontrollern dieses Herstellers wurden keine Untersuchungen durchgeführt. Betrachtet man sie jedoch unter dem Gesichtspunkt der Trennung von Leistungsbussen, dann ist in gewisser Weise das Konzept der Entkopplung von I/O-Ports und Peripheriegeräten im PIC24FJ64GA umgesetzt /128GA/256GA-Familie. Auf Abb. 8 zeigt, dass die Stromkreise des VDDCORE-Kerns und der VDD-I/O-Ports getrennt sind. Allerdings blieb die gemeinsame VSS-Leitung für diese beiden Stromkreise nicht galvanisch getrennt. Nach vorläufigen Schätzungen wird die Störfestigkeit dieser Mikrocontroller geringer sein als die von ADUC7026 von ADI oder V850 von NEC.
Spread-Spectrum-Taktgenerator (SSCG) Zu beachten ist auch die Möglichkeit des Einsatzes eines Spread-Spectrum-Taktgenerators. Ein solcher Generator verfügt über frequenzmodulierte Schwingungen. Die „Spitze“ der Frequenzgangcharakteristik des Generators harmonischer Schwingungen wird unter dem Einfluss der Frequenzmodulation „verschmiert“ und verwandelt sich in ein „Regal“. Die Tiefe und Periode der Frequenzmodulation des SSCG-Signals können geändert werden. Mikrocontroller der Familien V850E / ME2, Dx3, V850ES / Hx3, Fx3, V850E2 / ME3 von NEC sind mit einem solchen Generator ausgestattet. Seine Anwendung ermöglicht es, die vom Generator emittierte elektromagnetische Emission (EME) um mehr als 10 dB zu reduzieren und damit die Empfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Störungen (EMS) bei den Frequenzen des Taktgenerators zu verringern (Abb. 9).
Anwendung der PLL-Schaltung Eine weitere Möglichkeit, EMS zu reduzieren, ist die Verwendung eines PLL-basierten Frequenzsynthesizers. Auf Abb. 10 zeigt, dass an den Anschlüssen des Quarzresonators induzierte hochfrequente Störsignale beim Durchgang durch den Tiefpassfilter der PLL gefiltert werden. Auf Abb. Abbildung 11 zeigt Daten, anhand derer Sie bewerten können, um wie viel sich das EMS des Mikrocontrollers bei Verwendung der PLL verbessert.
Stromversorgung Es lässt sich zeigen, dass die Störfestigkeit der Mikroprozessorschaltung umso höher ist, je höher die Versorgungsspannung ist. Es gilt auch, dass der Mikrocontroller umso weniger „rauscht“, je niedriger die Versorgungsspannung ist. So verfügen LPC2129 [5] von NXP und AT91SAM7S128 [6] von Atmel, die auf der „schwarzen Liste“ stehen, über die notwendige Entkopplung des Core-Power-Busses und der I/O-Port-Power-Busse. Eine zu niedrige Kernversorgungsspannung (1,8 V) beeinträchtigt jedoch die Störfestigkeit dieses Mikrocontrollers. Manchmal ist es notwendig, 3- und 5-Volt-Logik zu „verknüpfen“. In diesem Fall ist die Toleranz der Ein-/Ausgangsports gegenüber unterschiedlichen Pegeln logischer Signale wichtig, d ] (Abb. 7).
Die Unterstützung des Chipherstellers kann Ressourcen wie PCB-Routing-Empfehlungen, die Analyse des Chipherstellers zum PCB-Bereich im Zusammenhang mit dem Mikrocontroller-Routing und zusätzlichen Komponenten mit Vorschlägen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) (Abbildung 13) sowie Materialien zur elektromagnetischen Strahlung (EME) umfassen Mikrocontroller [8] (wird auf Anfrage vom Händler bereitgestellt). Auf Abb. Abbildung 14 zeigt das NEC-Labor zur Durchführung von EMV-Forschung [8]. Seine Besonderheit besteht darin, dass es hoch in den Bergen liegen sollte, fern von elektromagnetischen Strahlungsquellen.
Zur Händlerunterstützung gehören die Bereitstellung von Mustern und Evaluierungskits für Tests, technischer Support und andere Dienstleistungen. In einigen Fällen, wie oben gezeigt, geht der Distributor ein Risiko ein, um das Projekt in Gang zu bringen. Eine „dichtere“ Zusammenarbeit mit dem Händler kommt in der Regel immer dem Endentwickler und Hersteller zugute. In Tabelle 3 sind einige NEC-Mikrocontrollerfamilien aufgeführt, die für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit empfohlen werden, sowie einige Merkmale, anhand derer Sie beurteilen können, wie zuverlässig ein auf diesen Mikrocontrollern basierendes Gerät sein kann. Tabelle 3. Parameter, die die Zuverlässigkeit einiger Familien von NEC Electronics-Mikrocontrollern beeinflussen
Abschluss Berücksichtigt werden die wichtigsten Aspekte im Zusammenhang mit der Auswahl von Mikrocontrollern für verantwortungsvolle Anwendungen. Tests, die nach der im Artikel beschriebenen eher „harten“ Methodik durchgeführt werden, ermöglichen es dem Leser, das Problem der Auswahl eines Mikrocontrollers für seine Anwendung unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Zuverlässigkeit des zu entwickelnden Geräts sowie der erhaltenen Leistung zu lösen sowohl während der Entwicklung als auch in allen folgenden Produktionsphasen. In einer seiner Neuentwicklungen verwendete das Unternehmen Sway einen 8-Bit-Mikrocontroller UPD78F9212GR von NEC Electronics. Literatur 1 focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f148.pdf
Autor: Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru; Veröffentlichung: cxem.net Siehe andere Artikel Abschnitt Mikrocontroller. Lesen und Schreiben nützlich Kommentare zu diesem Artikel. Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik: Eine neue Möglichkeit, optische Signale zu steuern und zu manipulieren
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