Por que alguns microcontroladores são mais confiáveis ​​do que outros. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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No artigo, o autor considera alguns aspectos aos quais os desenvolvedores devem ficar atentos ao escolher um microcontrolador para aplicações que atendam a requisitos de alta confiabilidade e segurança.

Pela natureza de sua atividade profissional na empresa de distribuição "Eltech" LLC, o autor tem que discutir os problemas de desenvolvimento de dispositivos com muitos fabricantes de eletrônicos domésticos. Durante essas discussões, descobriu-se que os desenvolvedores russos usam microcontroladores de todos os fabricantes representados no mercado eletrônico para resolver seus problemas. Para alguns fabricantes, os microcontroladores do chamado design "comercial" são bastante adequados. Mas existem fabricantes para quem um dos critérios mais importantes para a escolha de um componente eletrônico é sua confiabilidade. Em primeiro lugar, são especialistas que trabalham na área de produção de equipamentos médicos, equipamentos para elevadores, eletrônicos automotivos.

Experiência

Em 2006, Mikhail Cherepanov, um desenvolvedor da empresa Svey, candidatou-se à nossa empresa (Svey é um fabricante russo de eletrônicos industriais).

Aqui está o texto de sua carta: "A história começou com reclamações de clientes de que nossos digitalizadores (construídos no MSP430F148IPM) "congelam" intermitentemente e não respondem às solicitações até que sejam reiniciados, removendo e realimentando a tensão de alimentação.

Tem havido sugestões de que o "travamento" se deve à presença de ruído de impulso (esta é uma ocorrência comum em subestações elétricas). Para reproduzir a situação, fiz um gerador de ruído (Fig. 1).

Fig. 1

Como resultado dos testes, nossos conversores foram modificados da seguinte forma:
1) Em vez de um ressonador de quartzo, um oscilador de quartzo é instalado.
2) Está instalado um watchdog timer externo, pois no MSP430F148 funciona com o mesmo quartzo e também se mostra ineficiente.

Depois disso, as falhas não aconteceram mais.

Mais tarde, nossos produtos passaram com sucesso nos testes EMC (para produtos sujeitos a declaração obrigatória de conformidade) de acordo com:

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

Para mim, determinei os requisitos mínimos para o microcontrolador usado:

1) Testes do gerador de interferência.
2) Caso seja utilizado um watchdog timer interno, este deve funcionar imediatamente após ligar o microcontrolador e ser cronometrado por seu próprio gerador.
3) A documentação deve ser "amigável", com exemplos de configuração de periféricos.
4) Disponibilidade de ferramentas de depuração disponíveis (dentro de US$ 200).
5) Se você precisar de USB, Ethernet, TCP, então deve haver uma biblioteca pronta apropriada e, de preferência, um RTOS com suporte para eles."

Então nosso cliente pediu ajuda escolha um microcontrolador que seja resistente a campos eletromagnéticos fortes. Propusemos dispositivos NEC sabendo que esses microcontroladores são amplamente utilizados na eletrônica automotiva, onde o ambiente eletromagnético é muito difícil.

Vários kits de avaliação foram apresentados. Então o cliente disse que queria testá-los com um gerador de faísca. Para ser sincero, estávamos um pouco preocupados com a forma como esses testes passariam, mas essas condições são bastante consistentes com situações automotivas reais quando ocorre a quebra de um fio de alta tensão. Nesse caso, a eletrônica deve continuar funcionando corretamente.

Este método de teste foi bastante difícil, porque os kits de avaliação não são projetados para tais testes. Entendemos que havia um certo risco nesse experimento e, talvez, nossos "avaliadores" pudessem até falhar após tal teste. Mas, tendo experiência suficiente com esses dispositivos e levando em consideração a experiência de nossos clientes, decidimos que eles são feitos corretamente e funcionarão conforme o esperado.

Fornecemos dois kits de avaliação:

• Baixa contagem de pinos - Faça isso!, construído no UPD8F78 de 9222 bits;
• EB-V850ES/HG2-EE baseado em UPD32F70 de 3707 bits.

A descarga de faísca foi realizada próximo aos kits de avaliação.

O processo de teste é mostrado esquematicamente na Fig. 2.

Fig. 2

Ambos os kits de avaliação funcionaram perfeitamente, mesmo quando a faísca estava próxima a 5 cm de distância.O cliente relatou que já havia testado mais de 10 kits de avaliação diferentes dessa forma. Pedimos a ele que fornecesse os resultados desses experimentos. Além disso, eles serão fornecidos sem comentários, "como estão".

Depois de algum tempo, o cliente realizou outro experimento, pode-se dizer, mais "bárbaro". No entanto, seus resultados também são interessantes. Ele tocou os terminais de um oscilador de quartzo em funcionamento com a mão. Sob tais condições, de todos os microcontroladores listados com clock de um gerador externo, apenas um funcionou - uPD70F3707 (NEC). No entanto, para ser justo, deve-se notar que, quando tocado, o programa de demonstração diminuiu visivelmente a velocidade de sua execução. A razão para este "comportamento" do microcontrolador uPD70F3707 será explicada mais adiante.

Vamos tentar entender porque a família V850ES/HG2 (à qual pertence o microcontrolador uPD70F3707) se revelou tão "tenaz". Se você considerar cuidadosamente alguns nós periféricos, tudo gradualmente se encaixará.

Watchdog timer e geradores de relógio

Os problemas que nosso cliente encontrou foram causados ​​pelo fato de que, quando exposto a forte interferência eletromagnética, a geração de um oscilador de cristal pode ser interrompida e, como o temporizador de vigilância no microcontrolador MSP430F148 é sincronizado com o mesmo oscilador de referência, quando o oscilador de referência estiver parado, o watchdog timer não pode mais "acordar" o microcontrolador [1].

Para evitar essa situação, em todos os microcontroladores NEC, o cronômetro de vigilância é cronometrado a partir de um oscilador de anel interno separado. O gerador de anel é um número ímpar de inversores conectados em anel, de modo que a saída de um inversor vá para a entrada do próximo. A interrupção da geração de um gerador de anel é praticamente impossível. Deve-se notar que em todos os microcontroladores da família NEC V850, o núcleo do processador é iniciado a partir de um oscilador de anel embutido adicional, e somente após certificar-se de que o oscilador de cristal foi iniciado, você pode mudar o relógio para "quartzo".

Monitor de relógio (Relógio Monitore)

O monitor de relógio monitora a geração de um oscilador de relógio usando um oscilador de cristal externo. Se a geração falhar, um sinal de reinicialização interno RESCLM é gerado e o sinalizador RESF.CLMRF [2] é definido. Depois de sair do modo de reset, o microcontrolador analisa esse sinalizador e "entende" que há problemas com o gerador de clock externo, após o que o núcleo é iniciado a partir de um dos geradores de clock internos. Dependendo da família, pode haver 1 ou 2 osciladores, mas a frequência deles, via de regra, é sempre menor que a frequência do oscilador usando um ressonador externo.

É por isso que, após ser tocado por um dedo, o microcontrolador uPD70F3707 continuou a funcionar, mas já muito "mais lento", afirmou Mikhail Cherepanov da empresa Sway.

É interessante que, em um grau ou outro, esse dispositivo seja implementado em outros microcontroladores. No entanto, se o relógio a ser usado for definido durante a programação do FLASH e não puder ser alterado por software, o cenário alternativo de inicialização do oscilador interno descrito acima não poderá ser implementado.

Além da família V850ES/Hx2, este nó também possui famílias especificamente projetadas para aplicações de controle de motores (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), para painéis automotivos (V850E/Dx3), para on- placa eletrônica com interface CAN (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), bem como V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 e Hx3.

Deve-se notar que em alguns outros microcontroladores (geralmente de 8 e 16 bits), os engenheiros da NEC usam um temporizador watchdog em vez de um monitor de relógio. Tem um princípio de funcionamento completamente diferente, porém este periférico pode ser utilizado para a mesma finalidade que o monitor do relógio, ou seja, pode monitorar o desaparecimento do relógio do oscilador de referência "externo" e permitir que o microcontrolador comute para o interno oscilador.

Separação de trilhos de energia

Todos os microcontroladores NEC de 32 bits mencionados anteriormente, e muitos dos de 8 bits, têm trilhos de alimentação separados para periféricos internos, núcleo do processador e circuitos de porta de E/S. Na fig. 3 e 4 mostram esquematicamente tal separação.

Fig. 3

Fig. 4

Com o desacoplamento adequado do barramento de energia central e das portas de E/S, o ruído induzido nas portas de E/S não entra nos circuitos de alimentação periféricos e centrais e melhora a imunidade eletromagnética (EMS).

Assim, por exemplo, ambas as listas (Tabelas 1, 2) incluíam microcontroladores com um núcleo AWP.

Tabela 1. Os kits de avaliação funcionaram perfeitamente durante o teste

Tabela 2. Kits de avaliação que apresentaram falhas no programa de teste quando testados

Os microcontroladores ADUC7026BSTZ62 funcionaram sem falhas, enquanto os microcontroladores com núcleo APM da NXP (LPC2148) entraram na "lista negra". Se examinarmos os circuitos de alimentação do núcleo, dispositivos periféricos e portas de E/S, podemos ver que o microcontrolador da Analog Devices, que também "resistiu" a uma faísca [3], tem uma estrutura de alimentação semelhante ao V850ES/Hx2 do NEC. Ou seja, barramentos de energia desacoplados para o núcleo e portas de E / S (Fig. 5, 6).

Fig. 5

Fig. 6

Ao criar o LPC2148FBD64 [4], os engenheiros da NXP se limitaram apenas à separação dos circuitos de potência analógicos e digitais (Fig. 7).

Fig. 7

Mesmo microcontroladores anunciados para aplicações automotivas, como o AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P e ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, a separação dos trilhos de alimentação da porta de E/S e dos trilhos de alimentação do núcleo não é fornecida. Com isso, aumenta a possibilidade de falha por interferência induzida ao longo dos circuitos de E/S em aplicações críticas.

O microcontrolador MSP430F148, que foi usado no desenvolvimento descrito por Mikhail, também não possui separação dos trilhos de energia do núcleo e das portas de E/S.

Você também pode se lembrar de outro fabricante de chips muito popular - Microchip. Nenhuma pesquisa foi realizada com microcontroladores deste fabricante, no entanto, se você olhar para eles do ponto de vista da separação de barramentos de força, então, em certo sentido, o conceito de desacoplamento de portas de E/S e dispositivos periféricos é implementado no PIC24FJ64GA /família 128GA/256GA. Na fig. 8 mostra que os circuitos de alimentação do núcleo VDDCORE e as portas VDD I/O são separados. No entanto, o fio comum do VSS permaneceu não isolado galvanicamente para esses dois circuitos de energia. De acordo com estimativas preliminares, a imunidade a ruído desses microcontroladores será menor que a do ADUC7026 da ADI ou V850 da NEC.

Fig. 8

Gerador de relógio de espectro espalhado (SSCG)

Deve-se atentar também para a possibilidade de utilização de um gerador de relógio de espectro espalhado. Esse gerador tem oscilações moduladas em frequência. O "pico" da característica de resposta de frequência do gerador de oscilações harmônicas, sob a influência da modulação de frequência, é "manchado" e se transforma em uma "prateleira". A profundidade e o período da modulação de frequência do sinal SSCG podem ser alterados. Os microcontroladores das famílias V850E / ME2, Dx3, V850ES / Hx3, Fx3, V850E2 / ME3 da NEC são dotados desse gerador. A sua aplicação permite reduzir em mais de 10 dB a emissão electromagnética (EME) emitida pelo gerador e, consequentemente, reduzir a sensibilidade a interferências electromagnéticas externas (EMS) nas frequências do gerador de relógio (Fig. 9).

Fig. 9,10

Aplicação do circuito PLL

Outra maneira de reduzir o EMS é usar um sintetizador de frequência baseado em PLL. Na fig. 10 mostra que sinais espúrios de alta frequência induzidos nos terminais do ressonador de quartzo são filtrados ao passar pelo filtro passa-baixo do PLL. Na fig. A Figura 11 mostra dados que permitem avaliar o quanto o EMS do microcontrolador melhora ao usar o PLL.

Fig. 11

fonte de alimentação

Pode-se mostrar que quanto maior a tensão de alimentação, maior a imunidade a ruído do circuito do microprocessador. Também é verdade que quanto menor a tensão de alimentação, menos o microcontrolador fará "ruído". Portanto, o LPC2129 [5] da NXP e o AT91SAM7S128 [6] da Atmel, que estão na "lista negra", possuem o desacoplamento necessário do barramento de força do núcleo e dos barramentos de força da porta de E/S. No entanto, uma tensão de alimentação do núcleo muito baixa (1,8 V) afeta adversamente a imunidade a ruídos deste microcontrolador.

Às vezes é necessário "ligar" a lógica de 3 e 5 volts. Nesse caso, a tolerância das portas de entrada/saída a diferentes níveis de sinais lógicos, ou seja, a capacidade do microcontrolador de suportar várias tensões das portas de entrada/saída com uma tensão de alimentação constante do núcleo do microcontrolador e dos dispositivos periféricos [7 ] (Fig. 12).

Fig. 12

O suporte do fabricante do chip pode incluir recursos como recomendações de roteamento de PCB, análise do fabricante do chip da área de PCB associada ao roteamento do microcontrolador e componentes adicionais com sugestões para melhorar a compatibilidade eletromagnética (EMC) (Figura 13), materiais sobre radiação eletromagnética (EME) de microcontroladores [8] (fornecidos a pedido do distribuidor). Na fig. A Figura 14 mostra o laboratório NEC para conduzir pesquisas sobre EMC [8]. Sua peculiaridade é que deve estar localizado no alto das montanhas, longe de fontes de radiação eletromagnética.

Fig. 13

Fig. 14

O suporte ao distribuidor inclui o fornecimento de amostras e kits de avaliação para testes, suporte técnico e outros serviços. Em alguns casos, como mostrado acima, o distribuidor assume um risco para levar o projeto adiante. Um trabalho mais "denso" com o distribuidor, via de regra, é sempre benéfico para o desenvolvedor e fabricante final.

A Tabela 3 lista algumas famílias de microcontroladores NEC recomendadas para uso em aplicações com altos requisitos de confiabilidade e algumas características que permitem avaliar a confiabilidade de um dispositivo construído sobre esses microcontroladores.

Tabela 3. Parâmetros que afetam a confiabilidade de algumas famílias de microcontroladores da NEC Electronics

Conclusão

São considerados os principais aspectos relacionados à escolha de microcontroladores para aplicações responsáveis. Os testes realizados de acordo com uma metodologia bastante "dura" fornecida no artigo permitem ao leitor resolver o problema de escolher um microcontrolador para sua aplicação, levando em consideração os requisitos de confiabilidade do dispositivo que está sendo desenvolvido, bem como o serviço recebido tanto durante o desenvolvimento quanto em todos os estágios subseqüentes da produção.

Em um de seus novos desenvolvimentos, a empresa Sway utilizou um microcontrolador de 8 bits UPD78F9212GR fabricado pela NEC Electronics.

Literatura

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. Materiais disponíveis na NEC Electronics (necel.com) mediante solicitação.

Autor: Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru; Publicação: cxem.net

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