Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов
Системы высокой готовности должны обеспечивать минимальное время простоя. Воздействие разрядов статического электричества на микропроцессорную систему высокой готовности может вызвать отказ. По результатам авторского контроля микропроцессорных систем, в условиях длительной непрерывной их эксплуатац...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
2019
|
| Назва видання: | Математичні машини і системи |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151941 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов / В.Ф. Белявин // Математичні машини і системи. — 2019. — № 1. — С. 179–190. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-151941 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1519412019-06-02T01:25:22Z Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов Белявин, В.Ф. Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення Системы высокой готовности должны обеспечивать минимальное время простоя. Воздействие разрядов статического электричества на микропроцессорную систему высокой готовности может вызвать отказ. По результатам авторского контроля микропроцессорных систем, в условиях длительной непрерывной их эксплуатации на более чем пятистах объектах страны, наблюдался отказ, который имел признаки устранимого отказа. Экспериментально установлено, что перезапуск микроконтроллера микропроцессорной системы по входу сброса гарантированно не выводит его из состояния зависания. Высокая степень микроминиатюризации компонентов кристалла микроконтроллера влечет за собой повышение чувствительности к воздействию электростатических разрядов. Приведены данные по относительной чувствительности к воздействию электростатических разрядов на полупроводниковые элементы различных структур под влиянием статического электричества на базовые элементы структуры микроконтроллера. Системи високої готовності повинні забезпечувати мінімальний час простою. Вплив розрядів статичної електрики на мікропроцесорну систему високої готовності може викликати відмову. За результатами авторського контролю мікропроцесорних систем, в умовах тривалої безперервної їх експлуатації на більш ніж п'ятистах об'єктах країни, спостерігалась відмова, яка мала ознаки усувної відмови. Експериментально встановлено, що перезапуск мікроконтролера мікропроцесорної системи по входу скидання гарантовано не виводить його зі стану зависання. Високий ступінь мікромініатюризації компонентів кристала мікроконтролера тягне за собою підвищення чутливості до впливу електростатичних розрядів. Наведено дані щодо відносної чутливості до впливу електростатичних розрядів на напівпровідникові елементи різних структур під впливом статичної електрики на базові елементи структури мікроконтролера. Systems of high availability should provide minimal downtime. The impact of electrostatic discharges on a microprocessor system of high availability can cause a failure. According to the results of the author's control of microprocessor systems, in the conditions of their long-term continuous operation at more than five hundred objects of the country, there was a failure, which had signs of an avoidable failure. It was established experimentally that restarting the microcontroller of the microprocessor system on the reset input is guaranteed not to take it out of the hang state. The high degree of microminiaturization of the components of the microcontroller crystal entails an increase in sensitivity to the effects of electrostatic discharges. The data on the relative sensitivity to the effects of electrostatic discharges on the semiconductor elements of various structures, on the effect of static electricity on the basic elements of the structure of the microcontroller were given. 2019 Article Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов / В.Ф. Белявин // Математичні машини і системи. — 2019. — № 1. — С. 179–190. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1028-9763 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151941 681.323 ru Математичні машини і системи Інститут проблем математичних машин і систем НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення |
| spellingShingle |
Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення Белявин, В.Ф. Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов Математичні машини і системи |
| description |
Системы высокой готовности должны обеспечивать минимальное время простоя. Воздействие разрядов статического электричества на микропроцессорную систему высокой готовности может вызвать отказ. По результатам авторского контроля микропроцессорных систем, в условиях длительной непрерывной их эксплуатации на более чем пятистах объектах страны, наблюдался отказ, который имел признаки устранимого отказа. Экспериментально установлено, что перезапуск микроконтроллера микропроцессорной системы по входу сброса гарантированно не выводит его из состояния зависания. Высокая степень микроминиатюризации компонентов кристалла микроконтроллера влечет за собой повышение чувствительности к воздействию электростатических разрядов. Приведены данные по относительной чувствительности к воздействию электростатических разрядов на полупроводниковые элементы различных структур под влиянием статического электричества на базовые элементы структуры микроконтроллера. |
| format |
Article |
| author |
Белявин, В.Ф. |
| author_facet |
Белявин, В.Ф. |
| author_sort |
Белявин, В.Ф. |
| title |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| title_short |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| title_full |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| title_fullStr |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| title_full_unstemmed |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| title_sort |
метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов |
| publisher |
Інститут проблем математичних машин і систем НАН України |
| publishDate |
2019 |
| topic_facet |
Якість, надійність і сертифікація обчислювальної техніки і програмного забезпечення |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/151941 |
| citation_txt |
Метод восстановления работоспособности микропроцессорных систем высокой готовности при отказах, связанных с воздействием электростатических разрядов / В.Ф. Белявин // Математичні машини і системи. — 2019. — № 1. — С. 179–190. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Математичні машини і системи |
| work_keys_str_mv |
AT belâvinvf metodvosstanovleniârabotosposobnostimikroprocessornyhsistemvysokojgotovnostipriotkazahsvâzannyhsvozdejstviemélektrostatičeskihrazrâdov |
| first_indexed |
2025-07-13T01:54:49Z |
| last_indexed |
2025-07-13T01:54:49Z |
| _version_ |
1837494906232242176 |
| fulltext |
© Белявин В.Ф., 2019 179
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
УДК 681.323
В.Ф. БЕЛЯВИН
*
МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОЙ ГОТОВНОСТИ ПРИ ОТКАЗАХ,
СВЯЗАННЫХ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
*
Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, г. Киев, Украина
Анотація. Системи високої готовності повинні забезпечувати мінімальний час простою. Вплив
розрядів статичної електрики на мікропроцесорну систему високої готовності може викликати
відмову. За результатами авторського контролю мікропроцесорних систем, в умовах тривалої
безперервної їх експлуатації на більш ніж п'ятистах об'єктах країни, спостерігалась відмова, яка
мала ознаки усувної відмови. Експериментально встановлено, що перезапуск мікроконтролера мі-
кропроцесорної системи по входу скидання гарантовано не виводить його зі стану зависання. Ви-
сокий ступінь мікромініатюризації компонентів кристала мікроконтролера тягне за собою під-
вищення чутливості до впливу електростатичних розрядів. Наведено дані щодо відносної чутли-
вості до впливу електростатичних розрядів на напівпровідникові елементи різних структур під
впливом статичної електрики на базові елементи структури мікроконтролера. У лабораторних
умовах проведено моделювання аналогічних відмов мікропроцесорних плат друкованого монтажу
систем при впливі електростатичних розрядів, що створюються штучно. Для моделювання впли-
ву розрядів на електронні компоненти передбачалося використання моделі тіла людини, машинної
моделі та моделі з зарядженим приладом при повітряному і контактному розрядах. У лаборатор-
них умовах ефект зависання мікроконтролера проявився як при контактному, так і при повітря-
ному розряді в рамках перших двох моделей. За результатами моделювання був запропонований
метод відновлення працездатності систем шляхом перезапуску щодо живлення в автоматичному
режимі. Ефективність цього методу підтверджена результатами експлуатації близько п'ятисот
систем, в яких відновлення працездатності після зависання внаслідок впливу електростатичних
розрядів, що не перевищують поріг руйнування, виконувалося автоматично.
Ключові слова: мікроконтролер, електростатичний розряд, пошкодження, працездатний стан,
усувна відмова.
Аннотация. Системы высокой готовности должны обеспечивать минимальное время простоя.
Воздействие разрядов статического электричества на микропроцессорную систему высокой го-
товности может вызвать отказ. По результатам авторского контроля микропроцессорных си-
стем, в условиях длительной непрерывной их эксплуатации на более чем пятистах объектах
страны, наблюдался отказ, который имел признаки устранимого отказа. Экспериментально
установлено, что перезапуск микроконтроллера микропроцессорной системы по входу сброса га-
рантированно не выводит его из состояния зависания. Высокая степень микроминиатюризации
компонентов кристалла микроконтроллера влечет за собой повышение чувствительности к воз-
действию электростатических разрядов. Приведены данные по относительной чувствительно-
сти к воздействию электростатических разрядов на полупроводниковые элементы различных
структур под влиянием статического электричества на базовые элементы структуры микро-
контроллера. В лабораторных условиях проведено моделирование аналогичных отказов микропро-
цессорных плат печатного монтажа систем при воздействии электростатических разрядов, со-
здаваемых искусственно. Для моделирования воздействия разрядов на электронные компоненты
предполагалось использование модели тела человека, машинной модели и модели с заряженным
прибором при воздушном и контактном разрядах. В лабораторных условиях эффект зависания
микроконтроллера проявился как при контактном, так и при воздушном разряде в рамках первых
двух моделей. По результатам моделирования был предложен метод восстановления работоспо-
собности систем путем перезапуска по питанию в автоматическом режиме. Эффективность
этого метода подтверждена результатами эксплуатации около пятиста систем, в которых
восстановление работоспособности после зависания вследствие воздействия электростатиче-
ских разрядов, не превышающих порог разрушения, выполнялось автоматически.
180 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
Ключевые слова: микроконтроллер, электростатический разряд, повреждение, работоспособное
состояние, устранимый отказ.
Abstract. Systems of high availability should provide minimal downtime. The impact of electrostatic dis-
charges on a microprocessor system of high availability can cause a failure. According to the results of
the author's control of microprocessor systems, in the conditions of their long-term continuous operation
at more than five hundred objects of the country, there was a failure, which had signs of an avoidable
failure. It was established experimentally that restarting the microcontroller of the microprocessor system
on the reset input is guaranteed not to take it out of the hang state. The high degree of microminiaturiza-
tion of the components of the microcontroller crystal entails an increase in sensitivity to the effects of elec-
trostatic discharges. The data on the relative sensitivity to the effects of electrostatic discharges on the
semiconductor elements of various structures, on the effect of static electricity on the basic elements of the
structure of the microcontroller were given. In the laboratory, it was simulated equal failures of micro-
processor-based printed circuits board systems under the impact of electrostatic discharges created artifi-
cially. To simulate the effects of discharges on electronic components, it was supposed to use a human
body model, a machine model, and a model with a charged device for air and contact discharges. Under
laboratory conditions, the microcontroller hang-up effect manifested itself in both contact and air dis-
charges, in the framework of the first two models. According to the simulation results, a method was pro-
posed for restoring systems to work by restarting the power in automatic mode. The effectiveness of this
method is confirmed by the results of operation of about five hundred systems in which the restoration of
working capacity after exposure to a hang-up due to electrostatic discharges not exceeding the damage
threshold was performed automatically.
Keywords: microcontroller, electrostatic discharge, damage, operational condition, avoidable failure.
1. Вступление
Системы высокой готовности широко применяются в различных сферах инфраструктуры
страны: в военной сфере, промышленности, сельском хозяйстве, в сфере услуг и обслужи-
вания и др.
В составе этих систем используются устройства, реализованные на базе специали-
зированных микропроцессоров – микроконтроллеров: сетевые коммутаторы, системы
охранно-пожарной сигнализации, устройства лифтовой электроники, устройства сбора и
передачи экологической информации, а также другие устройства коммуникационной ин-
фраструктуры.
В ряду требований к электронной базе этих систем одним из важнейших является
требование сохранения работоспособности микроконтроллеров при воздействии электро-
статических разрядов в процессе эксплуатации этих систем. Воздействие электростатики
приводит к накоплению повреждений в микроконтроллерах и их обрамлении, которые мо-
гут служить причиной возникновения отказов объекта.
По результатам авторского контроля за микропроцессорными системами, которые в
установленном порядке прошли государственную сертификацию, согласование и утвер-
ждение технических условий Украины [1], в условиях длительной непрерывной их эксплу-
атации на более чем пятистах объектах промышленности, предприятий и учреждений
страны, наблюдался отказ, который имеет признаки устранимого однократного отказа
(сбоя), а также перемежающегося отказа [2].
Этот отказ возникает при воздействии электростатических разрядов (ЭСР) на мик-
ропроцессорные узлы систем. Разработан метод, позволяющий восстановить работоспо-
собность систем при этом отказе. Известные исследования, рассмотренные ниже, послу-
жили базой обоснования состоятельности предложенного метода, его научной новизны.
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1 181
2. Состояние вопроса
Широкая область применения микропроцессорной техники, созданной на основе микро-
контроллеров (МК), которые имеют повышенную чувствительность к воздействию ЭСР,
ставит задачу анализа механизма возникновения отказов, дефектов и повреждений в мик-
ропроцессорных системах на одно из первых мест [3].
Подавляющее большинство современных МК изготавливаются по КМОП-
технологии. Ранее, например, подсемейства 51 и 52 семейства MCS-51 по МОП-
технологии. Отрицательное влияние ЭСР в первую очередь сказывается на КМОП-ИС и
МОП-ИС. Биполярные приборы также чувствительны к воздействию ЭСР.
В табл. 1 приведена относительная чувствительность различных типов интеграль-
ных схем (ИС) к воздействию ЭСР [4].
Таблица 1 – Относительная чувствительность различных типов ИС к воздействию ЭСР
Тип ИС
Относительная
чувствительность к
воздействию ЭСР
Стандартная транзисторно-транзисторная логика – ТТЛ ИС 1,0
Линейные ИС 1,3
Цифровые ИС 1,8
ТТЛ ИС с диодом Шоттки 3,0
МОП ИС. Содержит n- (или p-) канальные полевые транзисторы
структуры МОП (металл-оксид-полупроводник) на кристалле
3,0
КМОП ИС. Комплементарная МОП-структура (КМОП) содержит
как n-, так и p- канальные полевые транзисторы в одной локации
кристалла
4,6
Вопросы классификации основных механизмов повреждения современных типов
МК вследствие воздействия ЭСР, систематизация ЭСР по типу воздействия и механизму
влияния на оборудование, классификация градаций разрядов по степени повреждения, вы-
явление областей разрушения впервые приведены в [5]. В работе отмечается, что обще-
принято существование шести наиболее распространенных и связанных с ЭСР механизмов
повреждения ИС: тепловой вторичный пробой, расплавление металлизации, объемный
пробой, пробой диэлектрика, поверхностный пробой и газовый дуговой разряд.
Принципиальными являются следующие положения работы:
– электрические заряды, накапливаясь в определенной электрической емкости, со-
здают электрический потенциал. Наличие и накопление электростатического заряда в из-
делии не ведет, как правило, к его повреждению до тех пор, пока не произойдет ЭСР;
– актуальным является предупреждение возникновения самого ЭСР. Если предот-
вратить разряд не удалось, то имеет место наличие ряда повреждений структуры микро-
схемы, которые могут приводить к отказу.
Базовый принцип защиты интегральных микросхем (ИМС) плат печатного монтажа
(ППМ), которые являются основным типовым элементом микропроцессорной радиоэлек-
тронной аппаратуры (РЭА) от воздействия ЭСР, состоит в следующем: на выводах ИМС
устанавливается двухполярный ключ, который срабатывает при воздействии ЭСР. При
этом ток разряда отводится на шину питания или «земли». В ИМС в качестве таких шун-
тов применяются различные элементы: диоды, КМОП-транзисторы и более сложные схе-
мы комплексной защиты кристалла от ЭСР с двумя парами питания: аналоговой и цифро-
вой. Таким образом, обеспечивается защита от ЭСР кристалла в целом [6].
Новый метод защиты установленных на ППМ ИМС от ЭСР приведен в диссертаци-
онной работе [7]. В этой работе обосновано применение в ППМ слабо проводящих диэлек-
182 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
трических композитных радиоматериалов, что обеспечивает перераспределение накапли-
ваемого заряда, выравнивание электростатических потенциалов и предотвращение возник-
новения ЭСР на ППМ.
Характерной особенностью структуры интегральной схемы микроконтроллера
(МК) является объединение в пределах одного полупроводникового кристалла таких
функциональных блоков микропроцессорной управляющей системы, как центральный
процессор, раздельная память программ и память данных, периферийных устройств вво-
да/вывода информации. Высокая степень микроминиатюризации компонентов кристалла
МК влечет за собой повышение чувствительности к воздействию ЭСР, в связи с чем осо-
бое значение приобретает проблема обеспечения устойчивости функциональных характе-
ристик МК к воздействию ЭСР.
Перспективными исследованиями, направленными на решение данной проблемы,
являются изыскания в области определения критических (пороговых) значений напряже-
ний воздействующих ЭСР [8].
Количественно доминирующими элементами МК, использующими КМОП и МОП
структуры, являются флэш-память, память данных – DRAM (SRAM), EEPROM, регистро-
вая память. Это усложняет обеспечение устойчивости МК к воздействию ЭСР, так как от-
казы могут происходить не только в связи с повреждениями полупроводникового кристал-
ла, но и в части программного обеспечения (ПО) МК. В работах [3, 8] исследованы повре-
ждения постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) в части ПО, инсталлированного во
флэш-память МК. Объектом исследования являлся микроконтроллер AT89C51. На приме-
ре этого МОП-ИС МК подсемейства 51, для которого критическое значение [9] ЭСР со-
ставляет 6,5 кВ, установлено:
– при напряжении воздействующего ЭСР, эквивалентном 6,3 кВ (меньше критиче-
ского на 3%), в инсталлированном во встроенную флэш-память ПО ошибки возникают у
примерно 8% МК;
– при напряжении воздействующего ЭСР, эквивалентном 6,4 кВ (меньше критиче-
ского на 1,6%), в инсталлированном во встроенную флэш-память ПО ошибки возникают у
примерно 95% МК, что составляет, по мнению авторов, научную новизну полученных ре-
зультатов.
3. Постановка задачи
В приведенных выше исследованиях по воздействию ЭСР на ИС, в том числе и ИС микро-
контроллеров, не рассматривается вопрос воздействия ЭСР на микроконтроллер в процес-
се непрерывной длительной работы.
Так, например, МК АТ89S8253 структуры КМОП-ИС содержит 12 кбайт флэш-
памяти, 2 Кбайта EEPROM, 256 байт ОЗУ, 32 регистра общего назначения, 22 регистра
специальных функций [10]. Отказы, вызванные различными причинами, в такой компью-
терной системе неизбежны. В этой связи в состав МК введен сторожевой таймер, который
служит для предотвращения зависаний МК при выполнении программы.
Работа микроконтроллера AT89S8253 при наличии зависаний, вызванных воздей-
ствием ЭСР, а также с точки зрения эффективности сторожевого таймера, наблюдалась в
рамках авторского контроля примерно на 300 лифтовых микропроцессорных системах, в
200 охранно-пожарных стационарных и мобильных микропроцессорных GSM-системах.
В течение первых трех лет эксплуатации систем специалистами, которые осуществ-
ляли техническое обслуживание лифтов, отмечались многочисленные случаи зависания
систем. Однозначно были обнаружены следы воздействия ЭСР на платах, которые предъ-
являлись разработчику. Из находившихся в эксплуатации трехсот систем с индивидуаль-
ными заводскими номерами ежемесячно сообщалось о зависании около 10 систем. Часть
систем перезапускалась на «месте» путем выключения – включения питания системы,
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1 183
часть снималась и направлялась разработчику с требованием устранения сложившейся си-
туации. В целом примерно на 100 системах в год отмечалась эта ситуация.
Как правило, микроконтроллеры AT89S8253 ППМ сохраняли работоспособность.
Сбоев кодов программы встроенной флэш-памяти в МК обнаружено не было. Следова-
тельно, следуя выводам работ [3, 8], эквивалентное напряжение ЭСР, воздействовавшее на
МК, было меньше критического. Из табл. 1 (относительная чувствительность различных
типов ИС к воздействию ЭСР) можно принять чувствительность КМОП ИС в 1,5 раза вы-
ше чувствительности МОП ИС. Для КМОП ИС критическое значение ЭСР, аппроксими-
руя результаты работ [3, 8], можно принять равным 4,3 кВ. Также можно сделать вывод,
что отсутствие искажения машинных кодов говорит о величине воздействовавшего напря-
жения ЭСР не более 4 кВ.
Задачей данного исследования является моделирование в лабораторных условиях
аналогичных отказов ППМ с микроконтроллерами при воздействии ЭСР, создаваемых ис-
кусственно, а также поиск метода устранения данных отказов без вмешательства человека-
оператора.
Для изучения ситуации с зависаниями МК были проведены испытания воздействия
ЭСР на МК систем в лабораторных условиях.
4. Обоснование методики воздействия ЭСР на ППМ с МК в лабораторных условиях
Для моделирования воздействия разрядов на электронные компоненты и определения ре-
альных порогов устойчивости полупроводниковых устройств в электронной промышлен-
ности, в зависимости от назначения конечного оборудования, используют модель тела че-
ловека (Human Body Model), машинную модель (Machine Model) и модель с заряженным
прибором (Charged Device Model) [11–13]. Эти модели характеризуются величиной потен-
циала статического электричества (СЭ), запасенной энергией СЭ, током и временем его
воздействия на полупроводник. При моделировании воздействия ЭСР на изделие применя-
ется как контактный разряд, так и воздушный, либо испытуемый прибор заряжается непо-
средственно трибоэлектричеством или через внешнее электрическое поле.
Модель тела человека описана в справочнике «MIL-STD-883D. Метод 3015.7 Клас-
сификация чувствительности к ЭСР»: C1=100 пФ (емкость тела человека) и R2=1500 Ом
(сопротивление кожи человека), экспоненциально затухающий участок импульса тока ра-
вен при этом τ=R2×C1=150 нс. Типовые параметры схемы модели тела человека:
VЭСР=2000 В, C1=100 пФ, R2=1500 Ом, Паразитные элементы схемы представлены индук-
тивностью LS, емкостью CS и емкостью тестовой платы Ct; их типовые параметры: LS=7,5
мкГн, CS=1 пФ и Ct=10 пФ. Величина запасенной энергии СЭ в этой модели WЭСР≈(C1×
VЭСР
2
)/2=4×10
-4
Дж.
Машинная модель учитывает накопление электростатического заряда на металли-
ческих поверхностях. При ее построении используют электрическую схему тела человека
без сопротивления (R2=0) или с достаточно малым сопротивлением (5 Ом), но с большей
емкостью (C1=200 пФ), то есть прямой разряд на выводы ИС. Потенциально опасный уро-
вень напряжения при этом составляет 1/5 или 1/20 от напряжения, при котором не проис-
ходит нарушений для испытаний по модели тела человека. Электростатический разряд при
этом лимитируется паразитной индуктивностью 0,5–2,5 мкГн. Величина запасенной энер-
гии СЭ в этой модели WЭСР ≈10
-3
Дж, VЭСР 2–4.
Модель с заряженным прибором предполагает, что испытуемый прибор заряжается
непосредственно трибоэлектричеством либо через внешнее электрическое поле. Далее
каждый вывод прибора разряжается до нулевого потенциала. Это приводит к тому, что за-
ряд, накопленный на подложке и других проводящих материалах прибора, будет очень
быстро перемещен. Разряд будет мгновенным из-за почти нулевого сопротивления прибо-
ра (1 Ом) и малой индуктивности (1 нГн).
184 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
Приведенные выше известные модели и их модификации учитывают четыре вида
воздействия ЭСР на полупроводниковые изделия (контактный, воздушный разряд, трибо-
электрический заряд, заряд в электрическом поле); при значениях WЭСР≈10
-3
–10
-4
Дж,
VЭСР≈(2–4) кВ. Время импульсов ЭСР в этих моделях изменяется от единиц наносекунд до
десятков миллисекунд.
Микропроцессорные системы, являющиеся предметом исследования настоящей
статьи, находились в условиях длительной и непрерывной эксплуатации на более чем пя-
тистах объектах промышленности, предприятий и учреждений страны:
– в лифтах жилых и административных домов различных климатических зон Укра-
ины (Крым, Донбасс, города центральных областей). Заземление электроаппаратуры зда-
ний осуществлялось в грунтах различной электропроводности или отсутствовало. ППМ
этих лифтовых устройств подвергались воздействию десятков тысяч человек с самым раз-
нообразным характером электростатического заряда и характером попыток саботажа рабо-
ты устройств. Следует также отметить ежегодные весенние обострения электростатиче-
ских воздействий;
– в автотранспорте. Корпуса машин накапливают электрический заряд, не стекаю-
щий на землю;
– в устройствах охранно-пожарной сигнализации, расположенных как внутри зда-
ний, так и на открытых пространствах. Шлейфы датчиков устройств охранно-пожарной
сигнализации особенно подвержены воздействию атмосферного электричества.
Отмеченные условия эксплуатации этих систем дают основания полагать наличие
воздействия на них ЭСР всех видов.
В лабораторных условиях предварительные результаты, которые могут служить ос-
новой для принятия решения по методу устранения зависаний микропроцессорного
устройства, с незначительными затратами по испытательному оборудованию, было реше-
но получить в рамках машинной модели и модели тела человека.
В случае необходимости предполагалось подвергнуть микропроцессорные устрой-
ства воздействию как трибоэлектричества, так и внешнего электрического поля.
5. Результаты воздействия контактного и воздушного ЭСР на ППМ с МК в лабора-
торных условиях
При воздействии ЭСР на микроконтроллер AT89S8253 ППМ изделия в лабораторных
условиях эффект зависания микроконтроллера проявился как при контактном, так и при
воздушном разряде. В качестве источников высокого напряжения, которые стабильно да-
вали эффект «зависания» микропроцессоров, использовались пьезоэлементы и конденса-
торы, заряжавшиеся до напряжения от 300 вольт (емкость 10 мкф) до нескольких кило-
вольт (емкость 100–200 пФ). Конденсаторы использовались для контактного разряда. Воз-
душный разряд формировался с использованием пьезоэлемента. Величина пробойного
напряжения оценочно составляла несколько киловольт с учетом пробивного напряжения
воздуха при влажности 30–70 %. Точные значения пробивного напряжения воздушного
разряда и напряжения контактного пробоя не представляли интереса, поскольку зависание
формировалось в большинстве случаев воздействия, а микропроцессоры сохраняли рабо-
тоспособность.
Известным способом вывода работоспособного микропроцессора из состояния за-
висания является его внешний перезапуск по входу «Reset». На рынке представлено мно-
жество микросхем внешних сторожевых таймеров: Maxim MAX6751, Texas Instruments
TPS3126, Analog Devices ADM699, ADM6316 и др. В целом их работа программным обес-
печением не контролируется, поэтому сбой микропроцессора повлиять на работу внешне-
го сторожевого таймера никак не может.
https://www.datasheet.ru/search.html?cx=005338834574777012439%3Aqye0jsmt8tw&cof=FORID%3A11&q=MAX6751&ie=windows-1251&oe=windows-1251&sa=+%CF%EE%E8%F1%EA+&siteurl=http%3A%2F%2Fdatasheet.ru%2F
https://www.datasheet.ru/search.html?cx=005338834574777012439%3Aqye0jsmt8tw&cof=FORID%3A11&q=TPS3126&ie=windows-1251&oe=windows-1251&sa=+%CF%EE%E8%F1%EA+&siteurl=http%3A%2F%2Fdatasheet.ru%2F
https://www.datasheet.ru/search.html?cx=005338834574777012439%3Aqye0jsmt8tw&cof=FORID%3A11&q=ADM699&ie=windows-1251&oe=windows-1251&sa=+%CF%EE%E8%F1%EA+
https://www.datasheet.ru/search.html?cx=005338834574777012439%3Aqye0jsmt8tw&cof=FORID%3A11&q=ADM6316&ie=windows-1251&oe=windows-1251&sa=+%CF%EE%E8%F1%EA+&siteurl=http%3A%2F%2Fdatasheet.ru%2F
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1 185
Попытки перезапуска зависшего микропроцессора AT89S8253 при вышеописанных
лабораторных испытаниях производились «вручную» подачей соответствующего логиче-
ского потенциала на вход RST. В большинстве случаев эта операция не приводила к пере-
запуску микропроцессора. Отметим также, что вышеописанным лабораторным испытани-
ям подвергались микросхемы, отстоявшие на объектах в составе ППМ изделия многие ме-
сяцы. Их можно идентифицировать как работоспособные, но «побитые» микросхемы. От-
метим также, что целью данного исследования являлось не исследование развития повре-
ждений в микросхемах под воздействием ЭСР, а восстановление работоспособности по-
врежденных микросхем путем вывода их из состояния «зависания». В ходе этих испыта-
ний было установлено, что перезапуск микросхем гарантированно осуществлялся путем
однократного или многократного снятия напряжения питания микросхем ППМ изделия.
Было предположение, что доработка программного и схемного решений изделия, обеспе-
чивающих однократное или многократное снятие/подачу питания, без вмешательства че-
ловека-оператора, обеспечит восстановление работоспособности микропроцессоров изде-
лия как наиболее уязвимых элементов ППМ.
Таким образом, была сформулирована цель научно-технического исследования, ре-
зультаты которого изложены в настоящей статье и заключалась в повышении отказоустой-
чивости, помехоустойчивости изделия за счет восстановления работоспособности при его
зависании без участия человека и снижения уровня воздействия ЭСР на МК ППМ.
Для достижения поставленной цели была решена техническая задача, состоящая в
разработке метода перезапуска изделия путем сброса по питанию, аппаратная часть кото-
рого нечувствительна к воздействию электростатики, при минимальном объеме программ-
но-аппаратных затрат, без вмешательства человека.
6. Реализация метода повышения помехоустойчивости
Основные программные и аппаратурные компоненты метода рассмотрим на примере си-
стемы [1].
Фрагмент программы на языке ассемблера ASM51, относящийся к сущности мето-
да, представлен ниже. В процессе циклического выполнения программы (от метки
RESTART до END) выполняются сбор и обработка информации с датчиков, формирование
управляющих сигналов. Цикличность процедуры по времени составляет 5,12 мс, на метку
L02 управление при нормальном функционировании микроконтроллера AT89S8253 пере-
дается через интервал времени не менее 5,12 мс после предыдущего входа. При этом порт
P2.3 формирует меандр с таким же периодом. При «зависании» микроконтроллера сигнал
на выходе порта P2.3 находится в состоянии логического «0» или «1».
Фрагмент программы, ассемблер ASM51:
LJMP CTART ; Передача управления на программу после начального
сброса микроконтроллера, метка CTART
…………………..
TBTIMER:DB 000H ; 00 … Используемая таблица TBTIMER …
DB 000H ; 01
………………….
DB 000H ; 9F
DB 0FFH ; A0 Значения кодов регистра TH1= {00,01,,,9F,A0...FF} hex
DB 0FFH ; A1 000H, 0FFH – признаки кода регистра
………………….. Значения кода A0, A1 (hex код) соответствуют времени счета
DB 0FFH ; FF таймера более 5120 mks.
CTART: MOV R0,#0FFH ; Очистка 256 байт
L01: MOV @R0,#000H ; ОЗУ микроконтроллера
186 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
DJNZ R0,L01 ; AT89S8253
MOV TMOD, #000H ; Начальные установки таймера : 13-разр.таймер. f BQ/12=1 MHz.
RESTART: MOV A, TH1 ; Загрузка в аккумулятор кода регистра TH1
MOV DPTR, #TBTIMER ; Анализ значения кода по таблице TBTIMER
MOVC A, @A+DPTR ; Если признак кода = 000H, то возврат на метку RESTART
JZ RESTART ; Если признак кода = 0FFH, то переход на метку L02
CPL P0.0 ; Инверсия контрольного LED состояния порта P0.0.
MOV TH1, #000H ; Очистка регистра TH1 таймера
MOV TL1, #000H ; Очистка регистра TL1 таймера
……………………….
CPL P2.3 ; Инверсия бита порта P2.3. Формируется меандр с
«плавающим» периодом от 5,12 мс и более
XXX XXXXX ; Выполнение команд
………………………. программы сбора, обработки и
XXX XXXXX ; передачи информации
LJMP RESTART ; завершение цикла программы, переход на метку RESTART
END
Взаимосвязь основных аппаратурных компонент метода представлена на рис.1.
Временные диаграммы устройства Watch Dog Supervisor представлены на рис. 2 – рис. 5.
USS US =5 v
Рисунок 1 – Основные аппаратурные компоненты метода
WATCH DOG SUPERVISOR – внешний по отношению к МП сторожевой таймер
напряжения питания МП; WDI – вход супервизора; USS – напряжение питания МП
АТ89S8253; P2.3 – выход порта, формирующего меандр с плавающим» периодом от
5,12 мс и более. Подключение супервизора к микропроцессору показано на рис. 2.
Принципиальным является то обстоятельство, что электрорадиоэлементы суперви-
зора типа резистора, емкости, полевого транзистора типа IRLR024 и кремниевых транзи-
сторов устойчивы к воздействию ЭСР. Влияние на них ЭСР не наблюдалось при ЭСР, не
превышающих их порог разрушения, в течение всего срока службы.
P2.3 t < TLO MAX
t < TL1 MAX
USS
Рисунок 2 – Временная диаграмма № 1. TLO MAX– максимальное время «0» меандра P2.3;
TL1 MAX – максимальное время «1» меандра P2.3
МП US
АТ89S8253
P2.3
USS
WATCH DOG
SUPERVISOR
WDI
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1 187
P2.3 t > TLO MAX
TSS
USS
Рисунок 3 – Временная диаграмма № 2.Порт P2.3 меандра завис в «0».
TSS – время отключения супервизором питания МП при перезапуске
P2.3 t > TL1 MAX
TSS
USS
Рисунок 4 – Временная диаграмма № 3.Порт P2.3 меандра завис в «1».
TSS – время отключения супервизором питания МП при перезапуске
P2.3 t > TLO MAX
TSS TSS
USS
Рисунок 5 – Временная диаграмма № 4. Порт P2.3 меандра завис в «0».
TSS – время при многократном отключении супервизором питания МП до успешного перезапуска
Рассмотренный выше программно-аппаратный метод в подавляющем большинстве
случаев отказа, связанного с воздействием ЭСР, обеспечивает восстановление работоспо-
собности микропроцессорной платы. Так, если из находившихся в эксплуатации трехсот
систем до внедрения автоматического перезапуска по рассмотренному методу перезапуска
ежемесячно сообщалось о зависании около 10 систем, то после его внедрения подобные
отказы полностью исчезли.
Обратимся к блок-схеме микроконтроллера, представленной на рис. 6.
188 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
Рисунок 6 – Блок-схема микроконтроллера АТ89S8253
Относительно возможных причин зависаний при воздействии ЭСР на микропроцес-
сорную плату.
При замене рабочей программы МК на программу, представленную ниже:
LJMP RECTART ; Передача управления на программу после начального сброса
RESTART: CPL P0.0 ; Инверсия контрольного LED состояния порта P0.0.
NOP ; Число NOP команд формирует задержку около 50 мкс
NOP ;
……………………
NOP ;
LJMP RESTART ; завершение цикла программы, переход на метку RESTART
END,
зависания этой программы, выражающиеся в прекращении инверсии свечения контроль-
ного LED порта Р0.0, также наблюдались. Визуально факт зависания фиксировался по
прекращению инверсии свечения контрольного LED порта Р0.0. Несанкционированного
изменения флеш-памяти программ микроконтроллера у микросхем, давших эффект зави-
сания, при контроле флеш-памяти программ на программаторе, зафиксировано не было.
На взгляд автора, в этом случае повреждение вследствие воздействия ЭСР возника-
ет или (и) в блоках синхронизации и управления, регистра инструкции, сдвоенного указа-
теля DPTR, программного счетчика, инкрементора программного счетчика. Это обстоя-
тельство позволяет сделать заключение, что программные методы дублирования информа-
ции в регистрах общего назначения или методы предотвращения зацикливаний при ис-
пользовании регистров общего назначения и регистров специальных функций могут не
дать желаемого результата.
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1 189
Отметим также, что информация о воздействии ЭСР на микроконтроллеры ППМ
радиоэлектронной аппаратуры в таком объеме и столь длительное время, как показывает
анализ научно-технической литературы, изученной автором, отсутствует. Резюмируя воз-
действие ЭСР на МК, можно отметить, что повреждения МК в своей массе возникают по-
степенно, усиливаясь в процессе эксплуатации. Могли быть МК, которые после перезапус-
ка однократно выполняли свои функции по сбору и передаче информации, после чего сра-
зу следовал перезапуск. С другой стороны, в ряде систем был внедрен программный при-
ем, который давал «перезапуск» каждый раз при касании человеком (возможно, заряжен-
ным электростатикой), «таблеткой» j-button типа DS1971F5 приемного устройства изделия.
По отзывам десятков пользователей (что по сути является методом экспертной оценки),
эффективность использования таких систем повысилась, по-видимому, в результате
предотвращения накопления электростатики вообще.
7. Выводы
В результате внедрения изложенного метода восстановления работоспособности микро-
процессорных систем высокой готовности (охранно-пожарных систем, систем стационар-
ных объектов как помещений, так и размещенных на открытых пространствах; охранных
автомобильных систем; систем санкционированного проезда в лифтах) повышается отка-
зоустойчивость функционирования систем.
Этот метод позволяет освоить выпуск автоматизированных приборов сбора, обра-
ботки и передачи, не нуждающихся в стационарном монтаже и последующем обслужива-
нии их специализированными сервисными организациями.
Гарантийные обязательства производителя таких приборов будут аналогичны га-
рантиям приборов типа телевизионных драйверов цифрового телевидения Т2, различных
медицинских приборов индивидуального пользования и т.д.
Более широкое распространение могут получить малогабаритные индивидуальные
приборы охраны жилищ, контроля микроклимата, экологических параметров атмосферы
жилищ и систем жизнеобеспечения в них с передачей информации на мобильные устрой-
ства пользователя.
На основе представленного материала данного исследования можно сделать следу-
ющие выводы.
1. Достигнута научно-техническая цель настоящего исследования, заключающаяся
в повышении как отказоустойчивости, так и помехоустойчивости процедур записи, хране-
ния, считывания и передачи данных при использовании микропроцессорного прибора с
автоматическим «жестким» перезапуском (сброс по питанию, hard reset или жесткий пере-
запуск). Теоретическое обоснование данного метода не представляется возможным в дета-
лях, однако результаты экспериментальных наблюдений на более чем 500 устройствах
подтверждают его эффективность.
Поставленная цель достигнута за счет применения в приборе узла автоматического
«жесткого» перезапуска, при использовании в нем устойчивых к воздействию электроста-
тического электричества электрорадиоэлементов.
2. Внедрение предложенного метода повышает срок службы микропроцессорных
систем, обеспечивает возможность их длительного функционирования в автономном ре-
жиме. Это обстоятельство создает предпосылки для выпуска индивидуальных мониторин-
говых приборов и систем охраны жилищ, контроля микроклимата жилищ, управления си-
стемами жизнеобеспечения и экологии.
3. Эксплуатация системы c «жестким» перезапуском путем отключения/включения
питания показала также следующие частные положительные результаты:
– подтверждена устойчивость электрорадиоэлементов (ЭРЭ) системы перезапуска к
воздействию электростатического электричества;
190 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2019, № 1
– система «жесткого» перезапуска путем отключения/включения питания поддер-
живает работоспособность и частично поврежденного микроконтроллера. Так, микросхема
AT89S8253 с превышением тока потребления по питанию, которая уже не перепрограмми-
руется, тем не менее после перезапуска обеспечивала передачу информации с охранных и
температурных датчиков;
– на основании длительных, в течение нескольких лет наблюдений, сделан вывод о
том, что перезапуски системы после вероятного воздействия электростатики предотвра-
щают усиление (суммирование) воздействия этого эффекта.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Прибор приемно-контрольный охранно-пожарный «Комкон-10». Технические условия Украины
ТУ У 16473752.001-97. Киев, 1997. 28 с.
2. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике (ССНТ). Термины и определения. Межгосударствен-
ный стандарт. МКС 21.020. Дата введения 2017-03-01. Москва: Стандартинформ, 2015. 24 с.
3. Пискун Г.А., Алексеев В.Ф. Контроль функционирования микроконтроллеров при воздействии
электростатических разрядов. Доклады БГУИР. Минск, 2012. № 6 (68). С. 12–18.
4. Горлов М.И., Строгонов А.В. Воздействие электростатических разрядов на интегральные микро-
схемы. Компоненты и технологии. Санкт-Петербург, 2008. № 3. С. 188–192.
5. Брылева О.А., Пискун Г.А., Алексеев В.Ф. Основные механизмы повреждения микроконтролле-
ров вследствие влияния электростатических разрядов. Вестник Белорусско-Российского универси-
тета. Могилев, 2013. № 2 (39). С. 130–137.
6. Карпович М.С., Лысь В.Д. Разработка электростатической защиты элементов ввода – вывода ин-
тегральных микросхем, выполненных по субмикронной высоковольтной КМОП-технологии.
Вестник СибГУТИ. Новосибирск, 2015. № 3. С. 55–65.
7. Абрамешин А.Е. Методология проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры косми-
ческих аппаратов с учетом воздействия поражающих факторов электризации: дис. … д-ра техн.
наук: 05.12.04. Москва, 2017. 262 с.
8. Пискун Г.А., Алексеев В.Ф. Влияние разрядов статического электричества на программное
обеспечение, инсталлированное во встроенную flash-память микроконтроллеров. Радиоэлектрони-
ка и информатика. 2012. № 3 (58). С. 8–12.
9. ГОСТ 11 073.062-2001. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Требования
и методы защиты от статического электричества при разработке, производстве и применении. Дата
введения 2001. Москва, 2001. 16 с.
10. AT89S8253. DATASHEET. URL: https://www.alldatasheet.com/datasheet.../AT89S8253.html (дата
обращения 15.10.2018).
11. Reliability handbook. URL: www.analog.com. (дата обращения 15.10.2018).
12. Beebe S.G. Characterization, modeling and design of ESD protection circuits. Technical Report pre-
pared under Semiconductor Research Corporation Contract. 94 – SJ116. 1998. March. 206 с.
13. MAXIM. Application note 651. ESD Protection for I/O Ports. 2000. March 13.
URL: http://www.maxim-ic.com/an651 (дата обращения 15.10.2018).
Стаття надійшла до редакції 07.12.2018
https://www.alldatasheet.com/datasheet.../AT89S8253.html
http://www.analog.com/
http://www.maxim-ic.com/an651
|