基于dsPIC33的MCU系统的设计可靠性因素分析

仿真秀32093466624

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大家好，我是电源漫谈，今天谈一下MCU系统设计的可靠性方面的问题，很多MCU提供在运行时重新编程自己Flash的能力，这个能力允许通过bootloader实现现场更新程序空间，并且将数据存储在非易失性存储器中。以下的讨论和案例基于dsPIC33和PIC24产品，然而很多技术和考虑可以适用于任何MCU产品。Flash程序空间可以以两种方式编程，一种是ICSP方式，也就是使用外部硬件编程器，另一种是使用RTSP运行时间内自写。以下的讨论是针对自写或者自擦除RTSP, 这是在软件中实施的。

本文的目的是，在如何避免意外的Flash写或者擦除方面提供一个指导和实践，这些意外可能会导致较小的或者灾难性的现场失效。给软件增加Flash编程安全保障将可以减小问题的风险和确保可靠的现场更新。以下材料，通过理解潜在的问题和提供避免他们的方法，来增加软件的强健性。

潜在的风险主要有哪些呢？

为了保护意外的擦除或者写损坏，理解这些类型的问题在应用中是如何发生，是很有必要的，大多数问题是由于以下方面导致：

A硬件问题，指令错误执行

B 运行规格冲突

C概念的和架构性弱点

这里主要将讨论硬件相关的问题，他们可以导致超规格运行，概念和架构性问题。尽管软件和代码错误或许同样可以导致自写潜在问题，但是一般的好的编程习惯是不在我们讨论范围内的。

硬件问题我们简单说明如下：

1.所有电气设计是被怀疑为硬件相关问题的，它可以由很多问题来源产生。

2.本文聚焦在阻止指令误操作，这些误操作可能由电源和时钟电路导致。

图1 代码流执行错误说明

为什么会发生指令误操作呢，这里我们先简要说明如下，

在程序指令从Flash Memory中取指期间，当信号时序在MCU内核不满足时指令误操作会发生，这是经常典型的情景，由低电压条件或者时钟脉冲信号超规格导致。例如，考虑一个情况，当在一个普通C函数的末端执行RETURN指令时，在dsPIC33和PIC24架构中，RETURN指令以0000 0110 0000 0000 0000 0000来编码的，如果一个时序冲突发生在从flash中取指期间，RETURN指令将被误解读为01000110 0000 0000 0000 0000，尽管值的变化仅仅有一位，它将极大的改变这个指令的含义为ADD指令。

在一个C程序中，如果ADD或者其它指令操作码替代我们期望的RETURN指令执行时，结果将是一个C函数流入flash中相邻的下一个函数。在例子1中，不期望的代码流场景可以允许C函数，例如Flash Memory擦写函数产生不期望的调用。

除了RETURN指令之外，CALL,GOTO或者其它程序计数器相关的branch指令，同样经常显示在代码中，并且可以允许不期望的代码达到。如果目标地址在读Flash或者解码和执行时经历一个位的翻转时，PC计数器或许依旧指向实施的Flash Memory空间，但是不是期望的地址。

在电源因素上，我们需要考虑什么因素呢？

首先为了避免指令误操作，MCU需要供电电源在他们的电气规格内确保合适运行，这里有很多因素可以导致Issue，包含如下，

A开关或者按钮的机械接触弹起，电池接触，继电器，和电源线缆干扰VDD

B电压调整器的精度

C温度环境和机械寿命导致的变化。

D较差的电路板Layout

E较差的隔离或者EMI兼容性导致的高频电源噪声

MCU除了稳态运行，必须能够合适的处理启动和关断事件，这些瞬态条件具有对于电压和频率时序的需求，图1显示出典型的电压频率图示，为了在一个给定的速度和温度下运行，一个特定的电源电压必须要提供，考虑到一个特殊情况，当系统电源暂时还没有完全达到其典型值的场景，但是MCU已经配置为以全速运行。这种低电压条件可以导致MCU的信号时序冲突，和指令的错误执行，在关断时相同的情况也会发生，MCU在全速运行但电源电压在下掉。

图2 电压频率限制图

对于应用中的启动和关断行为需要特殊的小心分析，启动和关断时间或许对于人来说很短，微秒或者毫秒级，但是事实上可以允许几十万条指令执行。机械元件，例如开关和连接器，对于MCU的电源可以导致潜在的问题，如果电源或者VDD的电容不能足够的去滤波他们的话，接触弹起可能强制启动和关断重复多次，而实际上只需要一次。

综合这个问题，当新的和经过很多年运行被现场破坏的相比较而言，机械系统会展示出相当不同的电气特性，如果在很长时间内空闲，表面氧化物和污物会累积并且进一步退化，当使用机械系统去断开电源，开关切换后放置的电容可以减小MCU看到的VDD的不稳定，但是需要一定的评估，去确保切换瞬间峰值Inrush电流不超过元器件的Rating，否则可能会永久的损坏元器件。

dsPIC33和PIC24 MCU具有一个BOR的电路（Brown OutReset），去缓和欠压条件和将CPU放置到复位状态，避免不期望的行为发生。当你应对VDD瞬态导致的指令误执行，BOR电路也不一定能解决一切问题。BOR电路的硬件使用模拟电路实施，这些电路必须使用不确定的和可能不稳定的VDD产生内部电压参考，去给这些电路供电。他们同样不得不平衡精确的电压，快速的响应时间，和MCU在睡眠时的低静态功耗。

为了处理这些需求，大多数的BOR设计为多模式运行，例如，在VDD上升时，BOR电路保持系统在复位状态，然后当VDD接近BOR释放门限时，它进入更为精确的快速响应模式，它又在系统开始执行时和VDD远离BOR触发点时转换为低电流状态，当VDD下降或者进入睡眠态中的低电流运行状态时，它又会进行模式转换。BOR可以检测各种状态下的电源功耗，但是每一种模式都有一个调整时间delay，确切的触发电压和响应延时，或许VDD在快速振荡变化中穿过BOR触发点时发生变化。

此外，BOR仅仅保护低电压条件，它不能简单或者阻止过快的时钟配置选择或者使用在接近BOR限制时，电源事件经常和非常的某些电路产生的电气噪声巧合，例如，VDD由一个DC/DC电源供电，开启这个电源导致对所有VDD电容在几个毫秒内充电，这意味着VDD将足够的高，对于BOR电路释放给运行阶段，同时电源一直在大电流下开关去充电所有的VDD电容，这是一个去执行几十万条指令的机会，也是一段有很大噪声和不期望的时间，可能导致你的RTSP代码执行带来潜在风险。

在非常低的速度下启动MCU，例如使用FRC，并且后面采用clock switch切换到高速时钟，可以增加强健性，这样可以减小启动时的峰值电流，同时减小在VDD达到稳定状态前的指令执行数目。

外部电压监控器是否可以提供额外的保护呢？接下来我们一起分析一下。

一个外部电压监控器提供额外的保护，避免欠压和超出规格，他们采样电源电压，并且可以通过控制MCLR 引脚将MCU放置在reset状态。一个外部电压监控器是尤其重要的，对于那些允许电源超出规格运行的系统，例如，电压下掉而不会掉到0V，当电源电压掉到低于门限电压时，如0.1V-0.7V之间时，一些MCU内部的BOR和POR电路或许不会产生一个确定的输出，会给出一个

不充分的电压去供自身运行,一些器件会指定这个条件是超规格的，一定需要VDD回到0V，再上升到最小的VDD 电平,如图3所示。可以参考器件规格书电气规格去确定一些细节和限制，这可能会产生一些问题，尤其是在电池供电的应用中。

图3 VDD启动电压及斜率要求

从图3来看，VDD启动具有一定的起始电压VSS，而启动斜率也有一定的要求，如此dsPIC33C处为0.03V/ms.

一个干净的和规格内的时钟是MCU合适运行的关键因素。一些小脉冲，偏斜的占空比，噪声，和其它异常扰动最小时钟脉宽，甚至于一个周期，将导致指令误写。时钟振荡器启动是一个特殊的工况，需要用示波器观察，并且在整个运行范围内去确保有效运行。使用一个时钟，可能它的系统可以启动，在它达到充分的幅度和一个稳定周期之前，例如如下图4，启动一个MCU基于内部FRC,在它稳定后切换为外部振荡器，可以改善其稳定性。如果使用PLL去增加时钟速度，确保它在运行限制之内，不要在其运行中改变其关键设置，参考器件的规格书，可以得到更多的PLL限制细节。

图4 振荡器启动示意图

产品FRM给出的振荡器启动波形如下图5所示。

图5 振荡器启动特性图

为了确保晶振启动并且稳定，振荡器的启动定时器OST可以提供给POSC,其中OST是一个简单的10位的计数器，可以计数1024个周期，然后释放振荡器时钟给系统运行，这个时间被定义为TOST.

振荡器信号的幅值必须达到振荡器的pin的VIL和VIH门限，然后OST才会计数周期，TOST时间在每次振荡器重启时都会需要，如POR,BOR和睡眠唤醒等，当XT或者HS模式选择之后，这里需要注意EC模式选择时TOST定时器是不工作的。

对于振荡器启动过程，一般来说，当主振荡器使能之后，需要一定的时间去开始振荡，这个delay时间定义为TOSCD,在TOSCD之后，OST定时器开始延时1024个时钟周期TOST，然后再释放时钟，时钟做好准备的总的delay时间是TOST和TOSCD,如果PLL使能的话，将具有一个额外的delay发生，以便PLL锁定，如图6所示。