Pourquoi certains microcontrôleurs sont-ils plus fiables que d'autres ? Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Dans l'article, l'auteur examine certains aspects auxquels les développeurs doivent prêter attention lors du choix d'un microcontrôleur pour des applications répondant à des exigences élevées en matière de fiabilité et de sécurité.

De par la nature de son activité professionnelle dans la société de distribution "Eltech" LLC, l'auteur doit discuter des problèmes de développement d'appareils avec de nombreux fabricants d'électronique nationaux. Au cours de ces discussions, il s'avère que les développeurs russes utilisent des microcontrôleurs de tous les fabricants représentés sur le marché électronique pour résoudre leurs problèmes. Pour certains fabricants, les microcontrôleurs de conception dite "commerciale" conviennent tout à fait. Mais il existe des fabricants pour qui l'un des critères les plus importants pour choisir un composant électronique est sa fiabilité. Tout d'abord, ce sont des spécialistes travaillant dans le domaine de la production d'équipements médicaux, d'équipements d'ascenseurs, d'électronique automobile.

Expérience

En 2006, Mikhail Cherepanov, développeur de la société Svey, a postulé dans notre société (Svey est un fabricant russe d'électronique industrielle).

Voici le texte de sa lettre : "L'histoire a commencé par des plaintes de clients selon lesquelles nos numériseurs (construits sur le MSP430F148IPM) "gèlent" par intermittence et ne répondent pas aux demandes tant qu'ils ne sont pas réinitialisés en supprimant et en réalimentant la tension d'alimentation.

Il a été suggéré que le "blocage" est dû à la présence de bruit impulsionnel (c'est un phénomène courant dans les sous-stations électriques). Pour reproduire la situation, j'ai fabriqué un générateur de bruit (Fig. 1).

Fig. 1

À la suite de tests, nos convertisseurs ont été modifiés comme suit :
1) Au lieu d'un résonateur à quartz, un oscillateur à quartz est installé.
2) Une minuterie de surveillance externe est installée, car dans le MSP430F148, elle fonctionne à partir du même quartz et s'avère également inefficace.

Après cela, les accidents ne se sont plus produits.

Plus tard, nos produits ont passé avec succès les tests CEM (pour les produits soumis à déclaration de conformité obligatoire) selon :

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

Pour ma part, j'ai déterminé les exigences minimales pour le microcontrôleur utilisé:

1) Test du générateur d'interférences.
2) Si un temporisateur de chien de garde interne est utilisé, il doit fonctionner immédiatement après la mise sous tension du microcontrôleur et être cadencé par son propre générateur.
3) La documentation doit être "conviviale", avec des exemples de configuration de périphériques.
4) Disponibilité des outils de débogage disponibles (moins de 200 $).
5) Si vous avez besoin d'USB, d'Ethernet, de TCP, il doit y avoir une bibliothèque prête à l'emploi appropriée, et de préférence un RTOS avec prise en charge."

Alors notre client a demandé de l'aide choisissez un microcontrôleur résistant aux champs électromagnétiques puissants. Nous avons proposé des dispositifs NEC sachant que ces microcontrôleurs sont largement utilisés dans l'électronique automobile, où l'environnement électromagnétique est très difficile.

Plusieurs kits d'évaluation ont été présentés. Ensuite, le client a dit qu'il voulait les tester avec un générateur d'étincelles. Pour être honnête, nous étions un peu inquiets de la façon dont ces tests passeraient, mais de telles conditions sont assez cohérentes avec les situations automobiles réelles lorsqu'une panne d'un fil haute tension se produit. Dans ce cas, l'électronique doit continuer à fonctionner correctement.

Cette méthode de test était assez grossière, car les kits d'évaluation ne sont pas conçus pour de tels tests. Nous avons compris qu'il y avait un certain risque dans cette expérience, et, peut-être, nos "évaluateurs" pourraient même échouer après un tel test. Mais, ayant une expérience suffisante avec ces appareils et tenant compte de l'expérience de nos clients, nous avons décidé qu'ils sont correctement fabriqués et fonctionneront comme prévu.

Nous avons fourni deux kits d'évaluation :

• Faible nombre de broches - Faites-le !, construit sur le UPD8F78 9222 bits ;
• EB-V850ES/HG2-EE basé sur UPD32F70 3707 bits.

La décharge par étincelle a été effectuée à proximité des kits d'évaluation.

Le processus de test est schématiquement illustré à la Fig. 2.

Fig. 2

Les deux kits d'évaluation ont parfaitement fonctionné, même lorsque l'étincelle était à près de 5 cm.Le client a indiqué qu'il avait testé plus de 10 kits d'évaluation différents de cette manière. Nous lui avons demandé de fournir les résultats de ces expériences. De plus, ils seront donnés sans commentaires, "tels quels".

Après un certain temps, le client a mené une autre expérience, pourrait-on dire, plus "barbare". Cependant, ses résultats sont également intéressants. Il a touché les bornes d'un oscillateur à quartz en état de marche avec sa main. Dans de telles conditions, de tous les microcontrôleurs répertoriés cadencés à partir d'un générateur externe, un seul fonctionnait - uPD70F3707 (NEC). Cependant, en toute honnêteté, il convient de noter que lorsqu'il est touché, le programme de démonstration a sensiblement ralenti la vitesse de son exécution. La raison de ce "comportement" du microcontrôleur uPD70F3707 sera expliquée plus tard.

Essayons de comprendre pourquoi la famille V850ES/HG2 (à laquelle appartient le microcontrôleur uPD70F3707) s'est avérée si "tenace". Si vous considérez attentivement certains nœuds périphériques, tout se met progressivement en place.

Horloge de surveillance et générateurs d'horloge

Les problèmes rencontrés par notre client ont été causés par le fait que lorsqu'il est exposé à de fortes interférences électromagnétiques, la génération d'un oscillateur à cristal peut être perturbée, et puisque le temporisateur de surveillance du microcontrôleur MSP430F148 est cadencé à partir du même oscillateur de référence, lorsque l'oscillateur de référence est arrêté, le temporisateur chien de garde ne peut plus "réveiller" le microcontrôleur [1].

Pour éviter cette situation, dans tous les microcontrôleurs NEC, le temporisateur de chien de garde est cadencé à partir d'un oscillateur en anneau interne séparé. Le générateur d'anneaux est un nombre impair d'onduleurs connectés en anneau de sorte que la sortie d'un onduleur passe à l'entrée du suivant. L'interruption de la génération d'un générateur d'anneaux est pratiquement impossible. Il convient de noter que dans tous les microcontrôleurs de la famille NEC V850, le cœur du processeur est démarré à partir d'un oscillateur en anneau intégré supplémentaire, et seulement après s'être assuré que l'oscillateur à cristal a démarré, vous pouvez basculer l'horloge sur "quartz".

Moniteur d'horloge (horloge Surveiller)

Le moniteur d'horloge surveille la génération d'un oscillateur d'horloge à l'aide d'un oscillateur à cristal externe. Si la génération échoue, un signal de réinitialisation interne RESCLM est généré et le drapeau RESF.CLMRF [2] est activé. Après avoir quitté le mode de réinitialisation, le microcontrôleur analyse ce drapeau et "comprend" qu'il y a des problèmes avec le générateur d'horloge externe, après quoi le noyau est démarré à partir de l'un des générateurs d'horloge interne. Selon les familles, il peut y avoir 1 ou 2 oscillateurs, mais leur fréquence, en règle générale, est toujours inférieure à la fréquence de l'oscillateur utilisant un résonateur externe.

C'est pourquoi, après avoir été touché du doigt, le microcontrôleur uPD70F3707 a continué à fonctionner, mais déjà beaucoup "plus lentement", comme l'a déclaré Mikhail Cherepanov de la société Sway.

Il est intéressant que, à un degré ou à un autre, ce dispositif soit implémenté dans d'autres microcontrôleurs. Cependant, si l'horloge à utiliser est réglée lors de la programmation du FLASH et ne peut pas être modifiée par logiciel, alors le scénario de démarrage alternatif de l'oscillateur interne décrit ci-dessus ne peut pas être mis en œuvre.

En plus de la famille V850ES/Hx2, des familles spécifiquement conçues pour les applications de contrôle moteur (V850E/IA3, IA4, IF3, IG3 ; V850ES/IK1, IE2), pour les tableaux de bord automobiles (V850E/Dx3), pour l'électronique embarquée avec CAN (V850ES/Sx2, Sx2-H, Sx3, Fx2, Fx3, Fx3-L), ainsi que V850ES/Kx1+, Jx2, Jx3, Jx3-L, Hx2 et Hx3.

Il convient de noter que dans certains autres microcontrôleurs (généralement 8 et 16 bits), les ingénieurs NEC utilisent une minuterie de surveillance à fenêtre au lieu d'un moniteur d'horloge. Son principe de fonctionnement est complètement différent, cependant ce périphérique peut être utilisé dans le même but que le moniteur d'horloge, c'est-à-dire qu'il peut surveiller la disparition de l'horloge "externe" de l'oscillateur de référence et permettre au microcontrôleur de basculer sur l'horloge interne. oscillateur.

Séparation des rails d'alimentation

Tous les microcontrôleurs NEC 32 bits mentionnés précédemment, et de nombreux microcontrôleurs 8 bits, ont des rails d'alimentation séparés pour les périphériques internes, le cœur du processeur et les circuits de port d'E/S. Sur la fig. 3 et 4 montrent schématiquement une telle séparation.

Fig. 3

Fig. 4

Avec un découplage approprié du bus d'alimentation principal et des ports d'E/S, le bruit induit sur les ports d'E/S n'entre pas dans les circuits d'alimentation périphériques et principaux et améliore l'immunité électromagnétique (EMS).

Ainsi, par exemple, les deux listes (tableaux 1, 2) incluaient des microcontrôleurs avec un cœur AWP.

Tableau 1. Les kits d'évaluation ont parfaitement fonctionné pendant les tests

Tableau 2. Kits d'évaluation dont le programme de test a échoué lors du test

Les microcontrôleurs ADUC7026BSTZ62 ont fonctionné sans échec, tandis que les microcontrôleurs avec un cœur APM de NXP (LPC2148) sont entrés dans la "liste noire". Si nous examinons les circuits d'alimentation du cœur, des périphériques et des ports d'E/S, nous pouvons voir que le microcontrôleur d'Analog Devices, qui "se tenait" également contre une étincelle [3], a une structure d'alimentation similaire au V850ES/Hx2 de NEC. À savoir, des bus d'alimentation découplés pour le cœur et les ports d'E / S (Fig. 5, 6).

Fig. 5

Fig. 6

Lors de la création du LPC2148FBD64 [4], les ingénieurs de NXP se sont limités uniquement à la séparation des circuits de puissance analogiques et numériques (Fig. 7).

Fig. 7

Même les microcontrôleurs annoncés pour les applications automobiles telles que l'AT90CAN32/64/128 ; ATmega164P/324P/644P et ATmega32M1/64M1/32C1/64C1, la séparation des rails d'alimentation du port d'E/S et des rails d'alimentation principaux n'est pas fournie. En conséquence, la possibilité de défaillance due aux interférences induites le long des circuits d'E / S dans les applications critiques augmente.

Le microcontrôleur MSP430F148, qui a été utilisé dans le développement décrit par Mikhail, n'a pas non plus de séparation des rails d'alimentation principaux et des ports d'E / S.

Vous pouvez également rappeler un autre fabricant de puces très populaire - Microchip. Aucune recherche n'a été effectuée avec les microcontrôleurs de ce fabricant, cependant, si vous les regardez du point de vue de la séparation des bus d'alimentation, alors dans un certain sens, le concept de découplage des ports d'E/S et des périphériques est implémenté dans le PIC24FJ64GA /128GA/256GA famille. Sur la fig. La figure 8 montre que les circuits d'alimentation du cœur VDDCORE et des ports d'E/S VDD sont séparés. Cependant, le fil commun VSS n'est pas isolé galvaniquement pour ces deux circuits de puissance. Selon des estimations préliminaires, l'immunité au bruit de ces microcontrôleurs sera inférieure à celle de l'ADUC7026 d'ADI ou du V850 de NEC.

Fig. 8

Générateur d'horloge à spectre étalé (SSCG)

Il convient également de prêter attention à la possibilité d'utiliser un générateur d'horloge à spectre étalé. Un tel générateur présente des oscillations modulées en fréquence. Réponse en fréquence "Peak", caractéristique du générateur d'oscillations harmoniques, sous l'influence de la modulation de fréquence "enduite" et se transforme en "plateau". La profondeur et la période de la modulation de fréquence du signal SSCG peuvent être modifiées. Les microcontrôleurs des familles V850E/ME2, Dx3, V850ES/Hx3, Fx3, V850E2/ME3 de NEC sont dotés d'un tel générateur. Son application permet de réduire de plus de 10 dB l'émission électromagnétique (EME) émise par le générateur, et, par conséquent, de réduire la sensibilité aux interférences électromagnétiques externes (EMS) aux fréquences du générateur d'horloge (Fig. 9).

Fig. 9,10

Application du circuit PLL

Une autre façon de réduire l'EMS consiste à utiliser un synthétiseur de fréquence basé sur PLL. Sur la fig. La figure 10 montre que les signaux haute fréquence parasites induits aux bornes du résonateur à quartz sont filtrés lors de leur passage dans le filtre passe-bas de la PLL. Sur la fig. La figure 11 montre des données qui vous permettent d'évaluer dans quelle mesure l'EMS du microcontrôleur s'améliore lors de l'utilisation de la PLL.

Fig. 11

source de courant

On peut montrer que plus la tension d'alimentation est élevée, plus l'immunité au bruit du circuit du microprocesseur est élevée. Il est également vrai que plus la tension d'alimentation est faible, moins le microcontrôleur fera de "bruit". Ainsi, LPC2129 [5] de NXP et AT91SAM7S128 [6] d'Atmel, qui sont sur la "liste noire", ont le découplage nécessaire du bus d'alimentation central et des bus d'alimentation du port d'E/S. Cependant, une tension d'alimentation du coeur trop faible (1,8 V) nuit à l'immunité au bruit de ce microcontrôleur.

Parfois, il est nécessaire de "lier" la logique 3 et 5 volts. Dans ce cas, la tolérance des ports d'entrée/sortie à différents niveaux de signaux logiques, c'est-à-dire la capacité du microcontrôleur à supporter diverses tensions des ports d'entrée/sortie avec une tension d'alimentation constante du cœur du microcontrôleur et des périphériques [7 ] (Fig. 12).

Fig. 12

Le support du fabricant de puces peut inclure des ressources telles que des recommandations de routage de PCB, l'analyse du fabricant de puces de la zone de PCB associée au routage du microcontrôleur et des composants supplémentaires avec des suggestions pour améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM) (Figure 13), des matériaux sur le rayonnement électromagnétique (EME) de microcontrôleurs [8] (fournis sur demande auprès du distributeur). Sur la fig. La figure 14 montre le laboratoire NEC pour mener des recherches sur la CEM [8]. Sa particularité est qu'il doit être situé en hauteur dans les montagnes, loin des sources de rayonnement électromagnétique.

Fig. 13

Fig. 14

L'assistance aux distributeurs comprend la fourniture d'échantillons et de kits d'évaluation pour les tests, l'assistance technique et d'autres services. Dans certains cas, comme indiqué ci-dessus, le distributeur prend un risque pour faire avancer le projet. Un travail plus "dense" avec le distributeur, en règle générale, est toujours bénéfique pour le développeur et le fabricant final.

Le tableau 3 répertorie certaines familles de microcontrôleurs NEC recommandées pour une utilisation dans des applications avec des exigences élevées en matière de fiabilité, et certaines caractéristiques qui vous permettent d'évaluer la fiabilité d'un appareil construit sur ces microcontrôleurs.

Tableau 3. Paramètres affectant la fiabilité de certaines familles de microcontrôleurs NEC Electronics

Conclusion

Les principaux aspects liés au choix des microcontrôleurs pour les applications responsables sont considérés. Des tests effectués selon une méthodologie plutôt "dure" donnée dans l'article permettent au lecteur de résoudre le problème du choix d'un microcontrôleur pour son application, en tenant compte des exigences de fiabilité de l'appareil en cours de développement, ainsi que du service reçu à la fois pendant le développement et à toutes les étapes ultérieures de la production.

Dans l'un de ses nouveaux développements, la société Sway a utilisé un microcontrôleur 8 bits UPD78F9212GR fabriqué par NEC Electronics.

littérature

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. Matériel disponible auprès de NEC Electronics (necel.com) sur demande.

Auteur : Gennady Goryunov, gennady.gr@eltech.spb.ru ; Publication : cxem.net

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