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基于瑞薩QzROM單片機的EFT抗干擾措施
摘要: QzROM是應用了經過細微化處理的PROM技術的可編程存儲器。QzROM單片機是指搭載了新型存儲器QzROM的瑞薩單片機(圖1),廣泛應用于照相機、便攜式設備、家電及民用設備等。主要介紹了瑞薩QZROM單片機應用中的幾種EFT抗干擾措施。
Abstract:
Key words :

 QzROM是應用了經過細微化處理的PROM技術的可編程存儲器。QzROM單片機是指搭載了新型存儲器QzROM的瑞薩單片機(圖1),廣泛應用于照相機、便攜式設備、家電及民用設備等。


 EFT概念

  EFT(電快速瞬變脈沖群,如圖2)是由電路中的感性負載斷開時產生。特點是一連串的脈沖,對電路的影響比較大,可造成MCU(單片機)程序跑飛、死機、復位等情況。由于一連串的脈沖可以在電路的輸入端產生累積效應,使干擾電平的幅度最終超過電路噪聲門限。

  當脈沖串的每個脈沖相距很近時,電路的電容沒有足夠時間放電,就又開始新的充電,容易達到較高的電平。所以脈沖串的周期越短對電路影響越大。

  EFT抗干擾措施,主要介紹三類方法:

 

  1.優化PCB(印制電路板)布線

  •在元件布局方面,需優先放置MCU(單片機)、時鐘、復位電路;將元器件劃分不同的功能模塊,合理擺放各模塊位置,調整元器件角度,縮短總布線長度。

  •在布線寬度、布線間隙方面,盡量用更粗的布線寬度和布線間隙,減少在干擾下導線上的電壓對信號的影響,同時減少各個布線間的干擾。

  •在地線、電源線布置方面:盡量將MCU、時鐘、復位電路的地線、電源線與其他功能分離開來,低頻時注意覆銅的放置,應盡量縮短布線長度。

  •時鐘電路方面,用最短的布線連接時鐘電路與MCU,過長的布線更容易引入干擾,見圖3;將晶振的地線與其它功能的地線分開,給晶振部分單獨鋪設多邊形覆銅;避免大電流從晶振電路下方流過。其原因是:如果有噪聲侵入時鐘輸入/輸出(I/O)引腳,時鐘的波形就會發生紊亂,導致誤動作和失控。另外,如果因噪聲引起單片機Vss電平和諧振器Vss電平之間的電位差,正確的時鐘就不能輸入到單片機。

  •復位電路:盡可能縮短連接復位電路與MCU的布線長度,見圖4。理由是:因為時序必要條件規定了輸入到復位引腳的脈寬,所以,如果小于規定寬度的脈沖噪聲輸入到復位引腳,就在單片機內部完全進入初始化狀態前解除復位,導致程序失控。

  •去耦電容:在靠近MCU的地方放置去耦電容,布線應驅使電流流向去耦電容。

  •CNVss引腳(控制芯片運行模式管腳)方面,如果不使用在板編程功能,應直接將CNVss連接到Vss;在需要在板編程的情況下,在靠近MCU的地方用5.1kΩ電阻連接到Vss,應盡量縮短CNVss的布線長度。

  •P40(Vpp)引腳的布線:在將P40(Vpp)引腳用作輸入端口時,應盡量在P40(Vpp)引腳附近串聯插入約5kΩ的電阻;在未使用P40(Vpp)引腳時,應盡量從提供給單片機Vss引腳的GND(地)以最短距離連接到最近的GND布線,另外,通過串聯插入的5kΩ的電阻并連接到GND,有可能改善抗噪聲能力,此時也盡量從提供給單片機的Vss引腳的GND以最短距離連接到GND布線,見圖5。

  理由:P40(Vpp)引腳是內部QzROM的電源輸入引腳,在將程序寫到QzROM時,為了產生泄電流,降低了P40(Vpp)引腳的阻抗,所以噪聲容易侵入,QzROM的指令碼和數據的讀操作就不能正常進行而導致失控。

  2. I/O端口處理

  •未使用引腳的正確處理:

  (1)只能設為輸入模式,用1k~10kΩ的電阻將各引腳上拉或下拉,有內部上拉的,也可選用;

  (2)只能設為輸出模式,引腳開路,輸出高或低電平;

  (3)其他I/O,推薦設為輸出,引腳開路。

  •未使用引腳處理時的注意事項:

  (1)I/O口設置成輸入時,不要開路;

  (2)I/O口設置成輸入時,不要直接連接到Vcc或Vss,也不要一個電阻將多個端口一起連接到Vcc或Vss,以防止因噪聲或程序失控等引起方向寄存器變成輸出模式時,端口間發生短路;

  (3)采用輸出模式,軟件處理上要定期刷新端口狀態,以防止因噪聲和程序失控等引起方向寄存器變成輸入模式時,端口電平不定,可能會造成電源電流增加。


      3. 優化程序結構設計

  •指令冗余:

  (1)關鍵位置的多字節指令之后插入2個以上的單字節指令(NOP),避免后面的指令被當作操作數;

  (2)跳轉指令(JMP,JSR,BRA)和返回指令(RTI,RTS)前插入兩條NOP,避免程序亂飛。

  •軟件陷阱:

  (1)未用中斷向量

  指向一個錯誤處理程序,防止干擾激活未用中斷使程序跑飛;

  (2)在未使用的程序空間,ROM中存儲表格后面,程序區重要的子程序之間加入跑飛處理程序:

  Subroutine: ;子程序

  RTS

  NOP

  NOP

  B RunAway

  RunAway: ;跑飛處理子程序

  RTS

  •結合軟件使用看門狗,見圖6:

  (1)MCU正常工作時,定時給看門狗定時器初始化;(2)當MCU跑飛時,由于沒有在看門狗定時周期內初始化,看門狗定時器計數溢出產生復位信號,使MCU復位;(3)看門狗初始化設置:①無中斷使用時,主程序循環中初始化看門狗;②使用中斷,在中斷程序中刷新某一變量,主程序中判斷此變量變化情況,進而執行初始化看門狗操作,并初始化此變量;③多個中斷的情況,根據相互的關系任選一中斷刷新變量,主程序作判斷。

  措施總結

  • 優化PCB布線:提升抗干擾性能最有效的措施——設計開發優先考慮,優先級最高。

  • I/O處理:MCU使用的推薦配置——使用推薦配置獲得最佳性能。

  • 軟件措施:可以部分解決干擾問題——補救方法,例如量產后降低成本發現的問題,推薦重新考慮前兩種方法。
 

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