일부 마이크로컨트롤러가 다른 마이크로컨트롤러보다 안정적인 이유는 무엇입니까? 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 마이크로 컨트롤러

 기사에 대한 의견

이 기사에서 저자는 개발자가 높은 신뢰성 및 안전 요구 사항을 충족하는 응용 제품용 마이크로 컨트롤러를 선택할 때 주의해야 할 몇 가지 측면을 고려합니다.

유통 회사 "Eltech"LLC에서의 전문 활동의 특성상 저자는 많은 국내 전자 제조업체와 장치 개발 문제를 논의해야합니다. 이 토론 중에 러시아 개발자는 문제를 해결하기 위해 전자 시장을 대표하는 모든 제조업체의 마이크로 컨트롤러를 사용하는 것으로 나타났습니다. 일부 제조업체의 경우 소위 "상업용" 디자인의 마이크로 컨트롤러가 매우 적합합니다. 그러나 전자 부품을 선택하는 가장 중요한 기준 중 하나가 신뢰성인 제조업체가 있습니다. 우선 이들은 의료 장비, 엘리베이터 장비, 자동차 전자 제품 생산 분야에서 일하는 전문가입니다.

실험

2006년에 Svey 회사의 개발자인 Mikhail Cherepanov가 우리 회사에 지원했습니다(Svey는 러시아 산업용 전자 제조업체입니다).

그의 편지 내용은 다음과 같습니다.

임펄스 노이즈의 존재로 인해 "정지"가 발생한다는 제안이 있었습니다(이는 전기 변전소에서 흔히 발생함). 상황을 재현하기 위해 소음 발생기를 만들었습니다(그림 1).

그림. 1

테스트 결과 변환기는 다음과 같이 수정되었습니다.
1) 석영 공진기 대신 석영 발진기가 설치됩니다.
2) MSP430F148에서는 동일한 쿼츠에서 작동하고 비효율적인 것으로 판명되기 때문에 외부 감시 타이머가 설치됩니다.

그 후, 충돌은 더 이상 발생하지 않았습니다.

나중에 당사 제품은 다음에 따라 EMC 테스트(적합성 선언 의무 대상 제품의 경우)를 성공적으로 통과했습니다.

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

나 자신을 위해 사용되는 마이크로 컨트롤러의 최소 요구 사항을 결정했습니다.

1) 간섭 발생기 테스트.
2) 내부 감시 타이머를 사용하는 경우 마이크로컨트롤러를 켠 직후 작동해야 하며 자체 생성기에 의해 시간이 기록되어야 합니다.
3) 문서는 주변 장치 구성의 예와 함께 "친근"해야 합니다.
4) 사용 가능한 디버깅 도구의 가용성($200 이내).
5) USB, 이더넷, TCP가 필요한 경우 적절한 기성 라이브러리가 있어야 하며 이를 지원하는 RTOS가 선호됩니다."

그래서 고객이 도움을 요청했습니다 강한 전자기장에 강한 마이크로 컨트롤러를 선택하십시오. 우리는 이러한 마이크로 컨트롤러가 전자기 환경이 매우 어려운 자동차 전자 장치에 널리 사용된다는 것을 알고 NEC 장치를 제안했습니다.

여러 평가 키트가 제출되었습니다. 그런 다음 고객은 스파크 발생기로 테스트하고 싶다고 말했습니다. 솔직히 우리는 이러한 테스트가 어떻게 통과할지 조금 걱정했지만 이러한 조건은 고압 전선이 끊어지는 실제 자동차 상황과 상당히 일치합니다. 이 경우 전자 장치는 계속해서 제대로 작동해야 합니다.

평가 키트는 이러한 테스트를 위해 설계되지 않았기 때문에 이 테스트 방법은 상당히 거칠었습니다. 우리는 이 실험에 어떤 위험이 있다는 것을 이해했으며 아마도 우리의 "평가자"는 그러한 테스트 후에 실패할 수도 있습니다. 그러나 이러한 장치에 대한 충분한 경험과 고객의 경험을 고려하여 제대로 만들어지고 예상대로 작동한다고 결정했습니다.

두 가지 평가 키트가 제공되었습니다.

• 적은 핀 수 - Do it!, 8비트 UPD78F9222 기반
• 850비트 UPD2F32 기반 EB-V70ES/HG3707-EE.

스파크 방전은 평가 키트에 근접하여 수행되었습니다.

테스트 과정은 그림 2에 개략적으로 나와 있습니다. XNUMX.

그림. 2

두 평가 키트 모두 스파크가 5cm 가까이 떨어진 경우에도 완벽하게 작동했으며 고객은 이러한 방식으로 10개 이상의 평가 키트를 테스트했다고 보고했습니다. 우리는 그에게 이 실험의 결과를 제공해 달라고 요청했습니다. 또한 "있는 그대로" 주석 없이 제공됩니다.

얼마 후 고객은 또 다른 "야만적"실험을 수행했습니다. 그러나 그의 결과도 흥미롭다. 그는 작동하는 석영 발진기의 단자를 손으로 만졌습니다. 이러한 조건에서 외부 생성기에서 클록된 나열된 모든 마이크로 컨트롤러 중에서 uPD70F3707(NEC) 하나만 작동했습니다. 그러나 공정하게 말하면 데모 프로그램을 만지면 실행 속도가 눈에 띄게 느려집니다. uPD70F3707 마이크로컨트롤러의 이러한 "동작"에 대한 이유는 나중에 설명될 것입니다.

V850ES/HG2 제품군(uPD70F3707 마이크로컨트롤러가 속한 제품군)이 왜 그렇게 "강인한" 것으로 판명되었는지 이해해 봅시다. 일부 주변 노드를 신중하게 고려하면 모든 것이 점차 제자리에 들어갑니다.

워치독 타이머 및 클록 생성기

클라이언트가 직면한 문제는 강한 전자기 간섭에 노출될 때 수정 발진기의 생성이 중단될 수 있고 MSP430F148 마이크로 컨트롤러의 감시 타이머가 동일한 기준 발진기에서 클럭되기 때문에 기준 발진기가 중지되면 워치독 타이머는 더 이상 마이크로컨트롤러를 "깨울" 수 없습니다[1].

이러한 상황을 방지하기 위해 모든 NEC 마이크로컨트롤러에서 감시 타이머는 별도의 내부 링 발진기에서 클럭됩니다. 링 생성기는 한 인버터의 출력이 다음 인버터의 입력으로 가도록 링에 연결된 홀수의 인버터입니다. 링 생성기 생성 중단은 사실상 불가능합니다. NEC V850 제품군의 모든 마이크로 컨트롤러에서 프로세서 코어는 추가 내장 링 발진기에서 시작되며 수정 발진기가 시작되었는지 확인한 후에야 시계를 "석영"으로 전환할 수 있습니다.

시계 모니터(시계 모니터)

클록 모니터는 외부 수정 발진기를 사용하여 클록 발진기 생성을 모니터링합니다. 생성에 실패하면 내부 리셋 신호 RESCLM이 생성되고 플래그 RESF.CLMRF[2]가 설정됩니다. 리셋 모드를 종료한 후 마이크로컨트롤러는 이 플래그를 분석하고 외부 클럭 생성기에 문제가 있음을 "이해"한 다음 내부 클럭 생성기 중 하나에서 코어를 시작합니다. 제품군에 따라 1개 또는 2개의 발진기가 있을 수 있지만 일반적으로 주파수는 외부 공진기를 사용하는 발진기의 주파수보다 항상 낮습니다.

그렇기 때문에 uPD70F3707 마이크로 컨트롤러는 손가락으로 만진 후에도 계속 작동했지만 Sway 회사의 Mikhail Cherepanov가 말한 것처럼 이미 훨씬 "느립니다".

어느 정도까지는 이 장치가 다른 마이크로컨트롤러에 구현된다는 점이 흥미롭습니다. 그러나 사용할 클록이 FLASH 프로그래밍 중에 설정되고 소프트웨어로 변경할 수 없는 경우 위에서 설명한 대체 내부 오실레이터 시작 시나리오를 구현할 수 없습니다.

V850ES/Hx2 제품군 외에도 모터 제어 애플리케이션(V850E/IA3, IA4, IF3, IG3; V850ES/IK1, IE2), 자동차 대시보드(V850E/Dx3), CAN이 있는 온보드 전자 장치용으로 특별히 설계된 제품군 인터페이스(V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L) 및 V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 및 Hx3.

일부 다른 마이크로컨트롤러(일반적으로 8 및 16비트)에서 NEC 엔지니어는 클록 모니터 대신 창 감시 타이머를 사용한다는 점에 유의해야 합니다. 완전히 다른 작동 원리를 가지고 있지만 이 주변 장치는 클록 모니터와 동일한 목적으로 사용할 수 있습니다. 즉, "외부" 기준 오실레이터 클록의 소멸을 모니터링하고 마이크로 컨트롤러가 내부 발진기.

파워 레일 분리

앞에서 언급한 모든 32비트 NEC 마이크로컨트롤러와 많은 8비트 마이크로컨트롤러에는 내부 주변 장치, 프로세서 코어 및 I/O 포트 회로를 위한 별도의 전원 레일이 있습니다. 무화과에. 도 3 및 도 4는 그러한 분리를 개략적으로 도시한다.

그림. 3

그림. 4

코어 전원 버스와 I/O 포트를 적절하게 분리하면 I/O 포트에서 유도된 노이즈가 주변 장치 및 코어 전원 회로에 유입되지 않고 전자기 내성(EMS)이 향상됩니다.

예를 들어 두 목록(표 1, 2)에는 AWP 코어가 있는 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있습니다.

표 1. 테스트 중 완벽하게 작동한 평가 키트

표 2. 테스트 시 테스트 프로그램 실패가 발생한 평가 키트

ADUC7026BSTZ62 마이크로컨트롤러는 오류 없이 작동했으며 NXP(LPC2148)의 APM 코어가 있는 마이크로컨트롤러는 "블랙리스트"에 올랐습니다. 코어, 주변 장치 및 I/O 포트의 전원 회로를 살펴보면 스파크[3]에도 "대응"한 Analog Devices의 마이크로 컨트롤러가 V850ES/Hx2와 유사한 전원 구조를 가지고 있음을 알 수 있습니다. NEC에서. 즉, 코어 및 I/O 포트에 대해 분리된 전원 버스입니다(그림 5, 6).

그림. 5

그림. 6

LPC2148FBD64[4]를 만들 때 NXP 엔지니어는 아날로그 및 디지털 전원 회로의 분리에만 자신을 제한했습니다(그림 7).

그림. 7

AT90CAN32/64/128과 같은 자동차 애플리케이션용으로 광고되는 마이크로컨트롤러도 있습니다. ATmega164P/324P/644P 및 ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, I/O 포트 전원 레일과 코어 전원 레일의 분리는 제공되지 않습니다. 그 결과 크리티컬 애플리케이션에서 I/O 회로를 따라 유도되는 간섭으로 인한 고장 가능성이 높아진다.

Mikhail이 설명하는 개발에 사용된 MSP430F148 마이크로 컨트롤러도 코어 전원 레일과 I/O 포트가 분리되어 있지 않습니다.

매우 인기있는 또 다른 칩 제조업체 인 Microchip을 기억할 수도 있습니다. 이 제조업체의 마이크로 컨트롤러에 대한 연구는 수행되지 않았지만 전원 버스를 분리하는 관점에서 보면 어떤 의미에서 I/O 포트와 주변 장치를 분리하는 개념이 PIC24FJ64GA에 구현됩니다. /128GA/256GA 제품군. 무화과에. 도 8은 VDDCORE 코어의 전원 회로와 VDD I/O 포트가 분리되어 있음을 보여준다. 그러나 VSS 공통 와이어는 이 두 전원 회로에 대해 전기적으로 절연되지 않았습니다. 예비 추정에 따르면 이러한 마이크로 컨트롤러의 잡음 내성은 ADI의 ADUC7026 또는 NEC의 V850보다 낮을 것입니다.

그림. 8

확산 스펙트럼 클록 생성기(SSCG)

확산 스펙트럼 클록 생성기를 사용할 가능성에도 주의를 기울여야 합니다. 이러한 발전기에는 주파수 변조 진동이 있습니다. 주파수 변조의 영향으로 고조파 발진기의 주파수 응답 특성의 "피크"는 "번짐"되어 "선반"으로 바뀝니다. SSCG 신호의 주파수 변조 깊이 및 주기는 변경될 수 있습니다. NEC의 V850E / ME2, Dx3, V850ES / Hx3, Fx3, V850E2 / ME3 제품군의 마이크로 컨트롤러에는 이러한 생성기가 부여됩니다. 이를 적용하면 발생기에서 방출되는 전자파 방출(EME)을 10dB 이상 줄일 수 있으므로 결과적으로 클록 발생기 주파수에서 외부 전자파 간섭(EMS)에 대한 감도를 줄일 수 있습니다(그림 9).

그림. 9,10

PLL 회로의 적용

EMS를 줄이는 또 다른 방법은 PLL 기반 주파수 합성기를 사용하는 것입니다. 무화과. 도 10은 석영 공진기의 단자에서 유도된 스퓨리어스 고주파 신호가 PLL의 저역 통과 필터를 통과할 때 필터링됨을 보여준다. 무화과에. 그림 11은 PLL을 사용할 때 마이크로 컨트롤러의 EMS가 얼마나 향상되는지 평가할 수 있는 데이터를 보여줍니다.

그림. 11

공급 전압

공급 전압이 높을수록 마이크로 프로세서 회로의 잡음 내성이 높아진다는 것을 알 수 있습니다. 공급 전압이 낮을수록 마이크로컨트롤러의 "노이즈"가 줄어드는 것도 사실입니다. 따라서 "블랙리스트"에 있는 NXP의 LPC2129[5]와 Atmel의 AT91SAM7S128[6]은 코어 전원 버스와 I/O 포트 전원 버스의 필요한 디커플링을 가지고 있습니다. 그러나 너무 낮은 코어 공급 전압(1,8V)은 이 마이크로컨트롤러의 잡음 내성에 악영향을 미칩니다.

때로는 3볼트 및 5볼트 논리를 "연결"해야 합니다. 이 경우 서로 다른 레벨의 논리 신호에 대한 입력/출력 포트의 허용 오차, 즉 마이크로컨트롤러 코어 및 주변 장치의 일정한 공급 전압으로 입력/출력 포트의 다양한 전압을 지원하는 마이크로컨트롤러의 기능[7 ] (그림 12).

그림. 12

칩 제조업체의 지원에는 PCB 라우팅 권장 사항, 마이크로컨트롤러 라우팅과 관련된 PCB 영역에 대한 칩 제조업체의 분석, 전자기 호환성(EMC)(그림 13) 개선을 위한 제안이 포함된 추가 구성 요소, 전자기 방사(EME)에 대한 재료와 같은 리소스가 포함될 수 있습니다. 마이크로컨트롤러[8](유통업체 요청 시 제공). 무화과에. 그림 14는 EMC 연구를 수행하는 NEC 연구소를 보여줍니다[8]. 그 특이성은 전자기 방사선원에서 멀리 떨어진 산의 높은 곳에 위치해야 한다는 것입니다.

그림. 13

그림. 14

대리점 지원에는 테스트, 기술 지원 및 기타 서비스를 위한 샘플 및 평가 키트 제공이 포함됩니다. 어떤 경우에는 위에 표시된 대로 배포자가 프로젝트를 진행하기 위해 위험을 감수합니다. 일반적으로 배포자와의 "밀집된" 작업은 항상 최종 개발자와 제조업체에게 유익합니다.

표 3에는 신뢰성에 대한 요구 사항이 높은 애플리케이션에 사용하도록 권장되는 일부 NEC 마이크로 컨트롤러 제품군과 이러한 마이크로 컨트롤러에 구축된 장치가 얼마나 신뢰할 수 있는지 평가할 수 있는 몇 가지 특성이 나열되어 있습니다.

표 3. 일부 NEC Electronics 마이크로컨트롤러 제품군의 신뢰성에 영향을 미치는 매개변수

결론

책임 있는 애플리케이션을 위한 마이크로컨트롤러 선택과 관련된 주요 측면이 고려됩니다. 기사에 제공된 다소 "가혹한" 방법론에 따라 수행된 테스트를 통해 독자는 개발 중인 장치의 신뢰성에 대한 요구 사항과 받은 서비스를 고려하여 자신의 애플리케이션에 대한 마이크로 컨트롤러를 선택하는 문제를 해결할 수 있습니다. 개발 중 및 모든 후속 생산 단계에서 모두.

새로운 개발 중 하나에서 Sway 회사는 NEC Electronics에서 제조한 8비트 마이크로컨트롤러 UPD78F9212GR을 사용했습니다.

문학

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. 요청 시 NEC Electronics(necel.com)에서 제공하는 자료.

저자: Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru; 간행물: cxem.net

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