Почему одни микроконтроллеры надежнее других. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Микроконтроллеры

 Комментарии к статье

В статье автор рассматривает некоторые аспекты, на которые разработчикам следует обратить внимание при выборе микроконтроллера для применений, отвечающих высоким требованиям надежности и безопасности.

По роду своей профессиональной деятельности в дистрибьюторской компании ООО "Элтех" автору приходится обсуждать проблемы разработки устройств со многими отечественными производителями электроники. В ходе этих обсуждений выясняется, что российские разработчики используют для решения своих задач микроконтроллеры всех производителей, представленных на электронном рынке. Для некоторых производителей вполне подходят микроконтроллеры так называемого "коммерческого" исполнения. Но есть производители, для которых одним из важнейших критериев выбора электронного компонента является его надежность. Прежде всего, это специалисты, работающие в области производства медицинской техники, лифтового оборудования, автомобильной электроники.

Эксперимент

В 2006 году в нашу фирму обратился Михаил Черепанов - разработчик компании "Свей" ("Свей" - российский производитель промышленной электроники).

Вот текст его письма:"История началась с того, что от заказчиков поступили жалобы на то, что наши цифровые преобразователи (построенные на MSP430F148IPM) периодически "зависают" и не отвечают на запросы до тех пор, пока не будут перезагружены путем снятия и повторной подачи напряжения питания.

Были предположения, что "зависание" происходит из-за наличия импульсных помех (на электрических подстанциях это обычное явление). Чтобы воспроизвести ситуацию, я изготовил генератор помех (рис. 1).

Рис. 1

В результате испытаний наши преобразователи были доработаны следующим образом:
1) Вместо кварцевого резонатора установлен кварцевый генератор.
2) Установлен внешний сторожевой таймер, так как в MSP430F148 он работает от того же кварца и так же оказывается неэффективным.

После чего сбои больше не происходили.

Позже наша продукция успешно прошла испытания (для изделий, подлежащих обязательному декларированию соответствия) на ЭМС по:

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

Для себя я определил минимальные требования для используемого микроконтроллера:

1) Испытания генератором помех.
2) Если используется внутренний сторожевой таймер, то он должен работать сразу после включения микроконтроллера и тактироваться собственным генератором.
3) Документация должна быть "дружественная", с примерами конфигурирования периферии.
4) Наличие доступных отладочных средств (в пределах $200).
5) Если требуется USB, Ethernet, TCP, то должна быть соответствующая готовая библиотека, а лучше RTOS с поддержкой оных".

Итак, наш клиент просил помочь подобрать ему микроконтроллер, устойчивый к сильным электромагнитным полям. Мы предложили устройства NEC, зная, что эти микроконтроллеры находят широкое применение в автоэлектронике, где электромагнитная обстановка очень сложная.

Было представлено несколько оценочных комплектов. Тогда заказчик сказал, что он хочет проверить их искровым генератором. Честно говоря, мы немного волновались, как пройдут эти испытания, однако такие условия вполне соответствуют реальным автомобильным ситуациям, когда происходит пробой высоковольтного провода. При этом электроника должна продолжать исправно работать.

Данный метод проверки был достаточно грубым, ведь оценочные комплекты не предназначены для таких испытаний. Мы понимали, что в этом эксперименте есть известный риск, и, возможно, наши "оценочники" даже могут выйти из строя после подобного испытания. Но, имея достаточный опыт работы с этими устройствами и учитывая опыт наших заказчиков, мы решили, что они выполнены надлежащим образом и будут работать так, как положено.

Мы предоставили два оценочных комплекта:

• Low Pin Count - Do it!, построенный на основе 8-разрядного UPD78F9222;
• EB-V850ES/HG2-EE, построенный на основе 32-разрядного UPD70F3707.

Искровой разряд производился в непосредственной близости с оценочными комплектами.

Схематично процесс тестирования изображен на рис. 2.

Рис. 2

Оба оценочных комплекта работали без сбоев, даже когда искра приближалась на расстояние порядка 5 см. Заказчик сообщил, что подобным образом он проверил более 10 различных оценочных комплектов. Мы попросили его предоставить результаты этих экспериментов. Далее они будут приведены без комментариев, "как есть".

Через некоторое время заказчик провел еще один, можно сказать, более "варварский" эксперимент. Однако его результаты также интересны. Он рукой касался выводов работающего кварцевого генератора. В таких условиях из всех перечисленных микроконтроллеров, тактируемых от внешнего генератора, работал только один - uPD70F3707 (NEC). Однако, справедливости ради, следует заметить, что при прикосновении демонстрационная программа заметно замедляла скорость своего выполнения. Причина такого "поведения" микроконтроллера uPD70F3707 будет объяснена далее.

Давайте попытаемся понять, благодаря чему семейство V850ES/HG2 (к которому принадлежит микроконтроллер uPD70F3707) оказалось столь "живучим". Если внимательно рассмотреть некоторые периферийные узлы, то все постепенно становится на свои места.

Сторожевой таймер и тактовые генераторы

Проблемы, с которыми столкнулся наш клиент, были вызваны тем, что при воздействии сильных электромагнитных помех возможен срыв генерации кварцевого генератора, а так как в микроконтроллере MSP430F148 сторожевой таймер тактируется от того же самого опорного генератора, то при остановленном опорном генераторе сторожевой таймер уже не может "разбудить" микроконтроллер [1].

Для того чтобы предотвратить эту ситуацию, во всех микроконтроллерах NEC сторожевой таймер тактируется от отдельного внутреннего кольцевого генератора. Кольцевой генератор представляет собой нечетное число инверторов, соединенных в кольцо так, что выход одного инвертора идет на вход следующего. Срыв генерации кольцевого генератора практически невозможен. Следует отметить, что во всех микроконтроллерах семейства V850 от NEC запуск процессорного ядра происходит от дополнительного встроенного кольцевого генератора, и только убедившись в том, что кварцевый генератор запустился, вы можете переключить тактирование на "кварц".

Монитор тактовой частоты (Clock Monitor)

Монитор тактовой частоты следит за наличием генерации тактового генератора, использующего внешний кварцевый резонатор. В случае если генерация пропадает, генерируется внутренний сигнал сброса RESCLM и устанавливается флаг RESF.CLMRF [2]. После выхода из режима сброса микроконтроллер анализирует этот флаг и "понимает", что возникли проблемы с внешним тактовым генератором, после чего ядро запускается от одного из внутренних тактовых генераторов. В зависимости от семейства может быть 1 или 2 генератора, однако их частота, как правило, всегда меньше, чем частота генератора, использующего внешний резонатор.

Именно поэтому после прикосновения пальцем микроконтроллер uPD70F3707 продолжал работать, но уже значительно "медленнее", что и констатировал Михаил Черепанов из компании "Свей".

Интересно, что в той или иной степени это устройство реализовано и в других микроконтроллерах. Однако, если используемый тактовый генератор задается при программировании FLASH и не может быть изменен программно, то сценарий запуска от альтернативного внутреннего генератора, описанный выше, реализовать уже невозможно.

Кроме семейства V850ES/Hx2, этот узел имеют также семейства, специально разработанные для приложений управления электродвигателями (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), для автомобильных приборных панелей (V850E/Dx3), для бортовой электроники с CAN-интерфейсом (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), а также V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 и Hx3.

Следует отметить, что в некоторых других микроконтроллерах (как правило, в 8- и 16-разрядных) инженеры NEC вместо монитора тактовой частоты используют оконный сторожевой таймер. Он имеет совершенно иной принцип работы, однако это периферийное устройство можно использовать с той же целью, что и монитор тактовой частоты, то есть он может отслеживать факт исчезновения тактовых импульсов "внешнего" опорного генератора и позволяет микроконтроллеру переключиться на внутренний генератор.

Разделение шин питания

Все 32-разрядные микроконтроллеры NEC, упоминавшиеся ранее, и многие 8-разрядные имеют раздельные шины питания для внутренних периферийных устройств, процессорного ядра и цепей портов ввода/вывода. На рис. 3, 4 схематично показано такое разделение.

Рис. 3

Рис. 4

При правильной развязке шины питания ядра и портов ввода/вывода помехи, наведенные на портах ввода/вывода, не попадают в цепи питания периферийных устройств и ядра и повышают электромагнитную устойчивость (EMS).

Так, например, в оба списка (табл. 1, 2) попали микроконтроллеры с ядром АРМ.

Таблица 1. Оценочные комплекты при проверке работали без сбоев

Таблица 2. Оценочные комплекты, которые при проверке имели сбои тестовой программы

Без сбоев работали микроконтроллеры ADUC7026BSTZ62, в то время как в "черный список" попали микроконтроллеры с ядром АРМ от NXP (LPC2148). Если исследовать цепи питания ядра, периферийных устройств и портов ввода/вывода, можно отметить, что микроконтроллер от Analog Devices, также "устоявший" против искры [3], имеет структуру питания, аналогичную V850ES/Hx2 от NEC. A именно развязанные шины питания ядра и портов ввода/вывода (рис. 5, 6).

Рис. 5

Рис. 6

Инженеры NXP при создании LPC2148FBD64 [4] ограничились только разделением аналоговых и цифровых цепей питания (рис. 7).

Рис. 7

Даже в микроконтроллерах, анонсированных как предназначенные для автомобильного применения, таких как AT90CAN32/64/128; ATmega164P/324P/644P и ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, разделение шин питания портов ввода/вывода и шин питания ядра не предусмотрено. В результате возрастает возможность отказа из-за помех, наведенных по цепям ввода/вывода в ответственных применениях.

Микроконтроллер MSP430F148, который был использован в разработке, описанной Михаилом, также не имеет разделения шин питания ядра и портов ввода/вывода.

Можно также вспомнить еще одного очень популярного производителя микросхем - компанию Microchip. Исследования с микроконтроллерами данного производителя не проводились, однако, если посмотреть на них с точки зрения разделения шин питания, то в определенном смысле концепция развязки портов ввода/вывода и периферийных устройств реализована в семействе PIC24FJ64GA/128GA/256GA. На рис. 8 видно, что цепи питания ядра VDDCORE и портов ввода/вывода VDD разделены. Однако общий провод VSS остался гальванически не развязанным для этих двух цепей питания. По предварительным оценкам, помехозащищенность этих микроконтроллеров будет ниже, чем у ADUC7026 от ADI или V850 от NEC.

Рис. 8

Тактовый генератор с расширенным спектром (SSCG)

Следует обратить внимание и на возможность использования тактового генератора с расширенным спектром. Такой генератор имеет частотно-модулированные колебания. "Пик" АЧХ, характерный для генератора гармонических колебаний, под воздействием частотной модуляции "размазывается" и превращается в "полку". Глубину и период частотной модуляции сигнала генератора SSCG можно изменять. Таким генератором наделены микроконтроллеры семейств V850E/ME2, Dx3, V850ES/Hx3, Fx3, V850E2/ME3 от NEC. Его применение позволяет уменьшить более чем на 10 дБ электромагнитную эмиссию (EME), излучаемую генератором, и, следовательно, уменьшить чувствительность к внешним электромагнитным помехам (EMS) на частотах работы тактового генератора (рис. 9).

Рис. 9,10

Применение цепи ФАПЧ

Еще одним способом уменьшения EMS является применение синтезатора частоты на основе петли ФАПЧ (PLL). На рис. 10 видно, что паразитные высокочастотные сигналы, наведенные на выводах кварцевого резонатора, фильтруются при прохождении через ФНЧ петли ФАПЧ. На рис. 11 приведены данные, позволяющие оценить, насколько улучшается EMS микроконтроллера при использовании ФАПЧ.

Рис. 11

Напряжение питания

Можно показать, что чем выше напряжение питания, тем выше помехоустойчивость микропроцессорной схемы. Верно и то, что чем меньше напряжение питания, тем меньше микроконтроллер будет "шуметь". Так, LPC2129 [5] от NXP и AT91SAM7S128 [6] от Atmel, попавшие в "черный список", имеют необходимую развязку шины питания ядра и шин питания портов ввода/вывода. Однако слишком малое напряжение питания ядра (1,8 В) отрицательно сказывается на помехоустойчивости этого микроконтроллера.

Иногда бывает необходимо "связать" 3- и 5-вольтовую логику. При этом очень кстати может оказаться толерантность портов ввода/вывода к различным уровням логических сигналов, то есть возможность поддержки микроконтроллером различных напряжений портов ввода/вывода при неизменном напряжении питания ядра микроконтроллера и периферийных устройств [7] (рис. 12).

Рис. 12

Поддержка фирмы, изготовителя микросхем, может включать такие ресурсы, как рекомендации по трассировке печатной платы, анализ производителем микросхем участка печатной платы, связанной с трассировкой микроконтроллера, и дополнительных компонентов с предложениями по улучшению электромагнитной совместимости (EMC) (рис. 13), материалы по электромагнитному излучению (EME) микроконтроллеров [8] (предоставляются после запроса у дистрибьютора). На рис. 14 представлена лаборатория NEC по проведению исследований на EMC [8]. Ее особенность в том, что она должна находиться высоко в горах, вдали от источников электромагнитного излучения.

Рис. 13

Рис. 14

Поддержка дистрибьютора включает предоставление образцов и оценочных комплектов для тестирования, техническую поддержку и другой сервис. В некоторых случаях, как было показано выше, дистрибьютор идет на риск, чтобы проект начал развиваться. Более "плотная" работа с дистрибьютором, как правило, всегда бывает выгодна конечному разработчику и производителю.

В таблице 3 приведены данные некоторых семейств микроконтроллеров NEC, рекомендованных для применения в приложениях с повышенными требованиями к надежности, и некоторые характеристики, позволяющие оценить, насколько надежным может получиться устройство, построенное на этих микроконтроллерах.

Таблица 3. Параметры, влияющие на надежность некоторых семейств микроконтроллеров NEC Electronics

Заключение

Рассмотрены основные аспекты, связанные с выбором микроконтроллеров для ответственных применений. Испытания, проведенные по довольно "суровой" методике, приведенной в статье, позволяют читателю решить задачу с выбором микроконтроллера для своего применения, с учетом требований к надежности разрабатываемого устройства, а также сервиса, получаемого как при разработке, так и на всех последующих стадиях производства.

В одной из своих новых разработок фирма "Свей" применила 8-разрядный микроконтроллер UPD78F9212GR производства NEC Electronics.

Литература

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. Материалы, предоставляемые NEC Electronics (necel.com ) по запросу.

Автор: Геннадий Горюнов, gennady.gr@eltech.spb.ru; Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Микроконтроллеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Власть является ключевым фактором счастья в отношениях 11.03.2026

Исследования семейных и романтических отношений показывают, что длительное счастье пары зависит не только от привычных факторов, таких как доверие, уважение и преданность, но и от более тонких психологических аспектов. Современные ученые ищут закономерности, которые отличают действительно счастливые пары от остальных, чтобы понять, какие механизмы поддерживают гармонию в отношениях. Группа исследователей из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге и Бамбергского университета провела опрос среди 181 пары, которые состояли в совместных отношениях более восьми лет и прожили вместе хотя бы месяц. Участники заполняли анкету, описывая различные аспекты своих отношений, включая распределение обязанностей, эмоциональную поддержку и степень вовлеченности в совместные решения. Анализ данных показал интересный паттерн: пары, где оба партнера ощущали высокий уровень личной власти, оказывались наиболее счастливыми и удовлетворенными. В данном контексте под властью понимается способност ...>>

Защищенная колонка-повербанк Anker Soundcore Boom Go 3i 11.03.2026

Компания Anker представила новую модель линейки Soundcore - колонку Soundcore Boom Go 3i, ориентированную на активное использование на улице. Новинка отличается высокой степенью защиты: корпус соответствует стандарту IP68, что обеспечивает водо- и пыленепроницаемость, а ударопрочный дизайн выдерживает падение с высоты до одного метра. За качество звука отвечает 15-ваттный драйвер, обеспечивающий пик громкости до 92 дБ, а технология BassUp 2.0 усиливает низкие частоты, делая звучание более насыщенным. Колонка обладает автономностью до 24 часов, а LED-индикатор позволяет контролировать уровень заряда батареи. Кроме того, Soundcore Boom Go 3i может выполнять функцию павербанка: согласно внутренним тестам, устройство способно зарядить iPhone 17 с нуля до 40% за один час, что делает его полезным аксессуаром в походах и поездках. Среди функциональных особенностей модели стоит выделить технологию Auracast, которая улучшает подключение и позволяет создавать стереопару из двух колонок ...>>

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Случайная новость из Архива Снижение выбросов металлургических предприятий 15.03.2023 Ученые из Бирмингемского университета в Великобритании разработали дешевый технологический процесс существующих металлургических заводов, благодаря которому можно сократить выбросы примерно на 90%. Как известно, на металлургическую промышленность приходится 7-9% мировых антропогенных выбросов парниковых газов. Модификация, предложенная докторами Юлонгом Дингом и Гарриет Килдаль, позволяет удалять кокс из цикла благодаря закачиванию CO непосредственно в доменную печь. Этот газ производится путем улавливания CO2, образующегося в печи, и его расщепления на CO и кислород. Кислород может быть использован во второй части сталеплавильного процесса, когда газ продувается через расплавленный чугун, чтобы сжечь часть углерода в металле. Технология основывается на материале перовскита BCNF1 (смеси карбоната бария, карбоната кальция, оксида ниобия и оксида железа). Когда система переработки перекачивает CO2 через реакционную камеру, BCNF1 захватывает атомы кислорода из газа и поглощает их в свою кристаллическую структуру, оставляя CO. Через сутки BCNF1 насыщается атомами кислорода, поэтому его необходимо омолодить. Для этого азот из доменной печи прокачивается через перовск, очищая материал. Ученые предлагают устанавливать две реакционные камеры, одна из которых будет использоваться для производства CO, а другая - для омоложения и производства кислорода. Через день их роли будут меняться, что позволит системе работать круглосуточно. Технология прошла успешные испытания в лабораторных условиях без какой-либо деградации BCNF1. Кокс является не только источником CO для процесса восстановления железа, но обеспечивает структурную опору для руды в доменной печи. Это позволяет газу подниматься, а расплавленному железу течь вниз. Команда ученых рассматривает как один из вариантов замену кокса на керамические материалы. Производители стали и ученые обсуждают запуск демонстрационной модели в течение 5 лет.

Другие интересные новости:

▪ Зарядка гаджетов вибрацией от ходьбы

▪ Беспроводные геймерские наушники Corsair Virtuoso Max

▪ Удобрения с контролируемым высвобождением

▪ Летающие микросхемы Qualcomm

▪ Одежда убивает планету

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электротехнические материалы. Подборка статей

▪ статья Экономика недвижимости. Шпаргалка

▪ статья Что такое брюшной тиф? Подробный ответ

▪ статья Работа в колодцах, коллекторах, венткамерах. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Мощная светодиодная лампа. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Релейное устройство контроля напряжения в электросети. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026