Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Рис. 6.3. Дисковый прерыватель лазерного излучения поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча оптически съюстированы компанией

Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча были оптически съюстированы компанией. «Дисковый прерыватель» поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Без такой синхронизации, высокая интенсивность лазера выводила бы видеокамеру в область насыщения. Окна дискового прерывателя были расположены друг против друга, чтобы чередовать пропускание лазерного луча и подсветки для камеры. Скорость двигателя, вращающего диск прерывателя, была стабилизирована таким образом, чтобы момент появления окна, открывающего объектив камеры был синхронизован со скоростью передачи кадров камеры. Это было необходимо для создания устойчивого изображения.

В теории, открытое состояние лазерного затвора, определялось не только импульсом от ПК, но также и импульсом синхронизации. Таким образом, затвор открывался при появлении обоих сигналов на входах схемы И, и счетчик определял бы время открытия затвора.

Схема счетчик/дисплей работала очень хорошо в лаборатории фирмы-производителя. Однако, когда она была перенесена в лазерную лабораторию, в работе появились сбои. Подозрение пало на помехи, и мы стали кропотливо изолировать источники помех. Мы не делали никаких попыток стандартной защиты схемы счетчик/дисплей от помех, пока не столкнулись с этой проблемой. Было достаточно трудно ввести эту защиту после того, как схема была уже создана. Как вы думаете, что за проблема могла бы здесь быть? Какие корректирующие меры должны быть приняты?

Зная, что двигатели являются известным источником помех, мы подозревали, что источником помехи был двигатель дискового прерывателя. Часто микроконтроллеры используются, чтобы управлять двигателями. В главе 5, мы показали, как оптически изолировать схему управления от двигателя. Однако, в этом примере, схема счетчик/дисплей не имела никакого прямого подключения к электросети, питающей двигатель. Фактически, схема счетчик/дисплей и двигатель была включена от разных источников постоянного напряжения. Решение проблемы помех от этого типа двигателя была исследована более подробно. Мы использовали следующие методы, чтобы защитить схему счетчика/дисплея от помех, создаваемых двигателем:

• Сигнал управления с ПК на таймер был подан экранированным кабелем. Экран кабеля был заземлен. Кабель был проложен далеко от двигателя.

• Помехоподавляющие (шунтирующие) конденсаторы были установлены на каждой микросхеме между источником и землей в схеме счетчика/дисплея. Кроме этого, помехоподавляющие конденсаторы были установлены на шинах питания платы счетчика/дисплея.

• Пластмассовый корпус счетчика/дисплея был обмотан заземленной медной лентой. Медный экран был также установлен на окне корпуса дисплея. Он был также электрически связан с медной лентой. Экран и лента обеспечили защиту корпуса схемы счетчика/дисплея.

После применения этой защиты от помех, схема стала работать в соответствии с проектом, и эксперименты были без труда завершены.

Какой урок можно извлечь из этого проекта? Не был проведен полный анализ среды. А он должен выполняться как нечто само собой разумеющееся, когда устанавливаются исходные требования для проекта. Как нечто само собой разумеющееся, должна быть также включена в любой проект, выполняемый на интегральных микросхемах, и защита от помех. Имеются много стандартных методов снижения помех, и внутренних и внешних по отношению к схеме. В заключение, оказывается, что чрезвычайно дорого вводить защиту от помех после того, как изделие было отправлено заказчику. В вышеупомянутом сценарии, проблема возникла внезапно, во время сбора экспериментальных данных.

Мы провели изучение двух случаев, чтобы иллюстрировать следующие общие проблемы в микропроцессорных систем:

• Неподходящие методы связи микросхем;

• Проблемы помех, связанные с внешними и внутренними источниками;

• Проблемы помех, связанные с аналоговой электроникой.

Теперь, рассмотрев некоторые общие реальные проблемы, мы посвятим остальную часть главы описанию методов, которые действительно превращают проект на бумаге в проект, хорошо работающий на практике, позволяющий уйти от реальных ловушек.

6.2. Правила обращения с микросхемой 68НС12 и рекомендации по проектированию 

Все справочные листы содержат значительный объем информации, которая зачастую игнорируется. И это, возможно, наиболее важная информация в данных, указывающая, как правильно обращаться с приборами на базе CMOS и рекомендации по проектированию устройств. Если вы разработчик, то вы не можете обычно участвовать в процессе изготовления. Но если вы студент старших курсов вуза, выпускающего разработчиков или вы связаны с изготовлением прототипов, вы должны запомнить эти рекомендации по установке.

6.2.1. Рекомендации по обращению со CMOS

Микросхемы CMOS семейства «HC» имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. Это происходит из-за изолированного затвора на входах устройства. Эти затворы могут быть повреждены при неверной установке микросхем. Хотя затворы CMOS имеют встроенные схемы защиты, были разработаны общие процедуры установки CMOS, чтобы минимизировать возможность повреждения. Эти процедуры установки основаны на предотвращении приложения большого статического напряжения к выводам затворов. Вот краткий обзор этих правил обращения:

• Носить заземленную полоску на запястье во время как установки устройств CMOS. Эти полоски можно легко приобрести у ряда электронных компаний;

• Хранить устройства CMOS в оригинальных контейнерах до использования. Эти контейнеры были разработаны, чтобы предотвратить повреждения статическим электричеством;

• Использовать устройства CMOS на заземленном месте для размещения тестирующих элементов;

• Использовать при пайке только заземленные паяльники;

• Не вынимать, и не заменять устройства CMOS при включенной схеме;

Если эти правила обращения добросовестно исполняются, то схемы CMOS защищены от случайных повреждений. Кроме правил обращения, имеются также некоторые рекомендаций проектированию, которым необходимо следовать.

6.2.2. Рекомендации по проектированию на CMOS 

Рассмотрим некоторые рекомендации, позволяющие обеспечить грамотное проектирование интегральных микросхем на базе CMOS.

• Часто при проектировании встроенной системы, имеются несколько неиспользуемых вводов процессора. Вы не можете игнорировать эти вводы. Они должны быть правильно подсоединены к питающему напряжению процессора через резистор (4,7 кОм) или заземлены. Далее в этой главе, мы рассмотрим проблемы, возникающие при неправильном подсоединении этих выводов.

• Встроенная система на базе CMOS часто монтируется на печатной монтажной плате (PCB), связанной с другими платами через соединители.

Когда внешние соединители PCB связаны непосредственно с входами или выходами устройства CMOS, должен использоваться добавочный резистор. Эти последовательно включенные резисторы минимизируют повреждения из-за статического электричества при стыковке и расстыковке соединителей PCB.

• Как мы видели в предыдущей главе, устройства CMOS должны использоваться только в границах нормированных электрических параметров. Если при разработке выйти за пределы этих спецификаций, схемы могут работать неправильно.

Вы, вероятно, чувствуете себя теперь достаточно подготовленными. Вы понимаете и можете применять методы проектирования CMOS, и знакомы с концепциями связи с помощью интерфейса из предыдущей главы. Однако вы можете следовать всем этим правильным рекомендациям, и, тем не менее, ваша система все-таки будет работать неправильно. Это приводит нас к следующему разделу, посвященному помехам системы и способам предотвращения и снижения их влияния.

6.3. Исследование помех

В этом разделе мы тщательно исследуем Немезиду проектировщика — помехи! Мы ответим на следующие вопросы: Что представляют собой помехи? Что является их источником? Какими удачными действиями при проектировании можно минимизировать чувствительность к помехам?

6.3.1. Что такое помехи

В самом простом смысле, помехой является любой нежелательный сигнал, не принадлежащий системе. Источники этих нежелательных сигналов могут быть внешними или внутренними по отношению к системе. Например, таймер на базе кристалла, необходим для системы процессора. Однако, когда сигнал таймера обнаруживается в других частях системы, где его не должно быть, он рассматривается как помеха. В любой схеме необходимо знать источник помех , потому что это знание поможет вам определить наилучший способ избавиться от них. На рис. 6.4 приведен краткий обзор источников помех.