关于在电子产品设计中的通信接口设计。

miraclever · 发表于 2012-10-13 17:22:55

之前发的两个帖子颇受大家欢迎，在此谢过

在低功耗系统中MOS管的应用
关于低功耗设计的一个案例
这次再来一个关于在设计中需要注意的问题，同样这个问题也是比较容易忽视。

开始：
1、问题出现：
根据公司售后服务部反应，在最近的一个低成本的产品设计中频繁出现CPU烧坏的现象，测试发现都是CPU电源引脚对地呈短路状态，怀疑是CPU供电电源部分出现了异常，用示波器和万用表等设备对CPU引脚进行长时间观察未发现异常，进一步调查发现烧坏CPU一般都是在进行固件升级的时候，或者在升级之前，或者在升级之后。
2、问题分析：
从硬件工程师那边将原理图和PCB要来之后进行分析，发现这款产品由于定位为低成本，所以其中精简了不少元器件，只保留了基本功能，包括在线升级固件的电路也去掉，这样就需要在产品的外部接一个TTL转RS232的设备（以下简称“转接盒”），通过此转接盒可以连接到电脑或者链接到调试屏（如上图所示），测试工程师在进行测试的时候一般流程为：
1、将设备上电。
2、将转接盒接和调试屏链接，再与终端设备连接。
3、用调试屏查看固件版本号，如版本较低则升级为最新版本，否则进行软件功能测试。
这其中没有其他严重违规操作，与其它同类型产品的流程也一样，同样进行了电压测试未发现异常，于是将设备拿到测试工程师那边让其从头至尾做一遍，在测试过程中居然又发现了一台设备CPU烧坏，真是在眼皮下发生的，于是让测试工程师反复重复刚才的过程，终于发现了问题，如下图1所示，硬件工程师在设计升级接口时采用了如下的线序：
1、地
2、RX
3、TX
4、Power
但是问题来了，由于调试屏是从设备中取电，电压为DC 24V，当设备在上电状态时将已和调试屏连接好的转接盒插到终端接口上时会产生一个很大的电火花，然而就是这个电火花造成了CPU的RX、TX引脚直接暴露在了24V的强电下，造成了损坏，由于公司的设备都是汽车产品，所以在供电上要求一个较宽的电压范围（9V-40V）所以在调试屏中电源入口处皆有一个50V 220uF的电解电容，将转接盒接入到终端设备上时由于电容特性瞬间等同于短路状态，于是出现了一个放电火花，如果硬件工程师在设计电路的时候充分考虑到了这个问题那么通信接口按照下图2中的设计线序更改为：
1、 RX
2、TX
3、地
4、Power
则放电火花就只会产生在Power与地之间，RX TX就避免了损坏。

3、问题解决：（大家以为事情到这就结束了？no，没那么简单。）
剩下的就是解决问题了，当然最简单的就是改板，将通信接口按照图2中的引脚定义重新做板即可，然而事与愿违，由于此设计缺陷的隐藏性在小批量试未发现，此接口定义已经与客户确定下来，设备已发送到各经销商处，所以改版的可能性没有了，至少在这一批产品中是没可能改版了，于是老总下命令了，一定要想办法解决这个问题（所以说，人都是逼出来的，这句话没错！），好吧，再想办法，既然产品都是在接入转接盒的时候出现电火花烧坏问题，那么只能在转接盒的电路上做手脚了，ok，电火花的产生原理是什么？在瞬间大量的电荷释放！那么如果在转接盒的电源处增加一个可自动调节电阻的电位器是不是可以解决问题呢？对了，有同学已经想到了“软启动”！！于是在转接盒的的电路中增加这样一个电路即可达到目的，如下图所示，经测试可以将转接盒以外的电路电压延迟400ms左右，至此问题解决。

写在后面的话：1、关于转接盒，这款产品由于定位在低端，低成本，所以转接盒不是每一个产品都配有的，只有经销商或者售后服务部门才有。2、至于第二种线序的接线方式也不是很好，只要产生电火花就有可能涉及到RX TX两根线，具体原因大家可以查查电火花短路的相关知识。

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1、可完全替代CTM8251AT、CTM1050、CTM1040的CAN总线隔离模块 MRT1040DLT

1、具有DC 1500V隔离功能；
2、真正隔离电源，不发热、高效、稳定；
3、宽压工作（2.9V-5.25V）；
4、完全符合"ISO 11898-24 V"标准；
5、速率最高达1Mbit/s；
6、在24V系统中防止电池对地的短路；
7、热保护；
8、对电磁干扰有高的抗干扰性；
9、至少可连接110个节点；
10、内部具有TVS防过压保护(MRT1040DLPT)；
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1、具有隔离及总线保护功能于一身；
2、采用专用隔离电源芯片，真正隔离电源，不发热、高效、稳定；
3、同一个网络至少可连接 32 个节点；
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5、最高波特率达 1Mbps；
6、电磁辐射 EME 极低；
7、电磁抗干扰 EMI 性极高；
8、线缆：双绞线或 PROFIBUS 专用线缆；
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3、可完全替代RSM232的RS232总线隔离模块MRT232DLT

1、具有 DC 1500V 隔离功能；
2、满足 EIA/TIA-232-F 标准；满载最
3、小数据速率 120Kbps；热保护；
4、电磁辐射（EMI）低；
5、电磁敏感度（EMS）低；
5、直接使用，无需外加任何组件。
6、3.0V~5.25V 超宽工作电压范围。
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miraclever · 发表于 2012-10-13 18:02:46

不知各位大侠是否有更好的解决方案？

miraclever · 发表于 2012-10-14 13:07:40

没有回应？看来辛辛苦苦手打的几百字又没人欣赏了.....
难得认真没有欣赏

zhangshixing · 发表于 2012-10-14 18:38:04

楼主这个直接热拔插啊，还cpu端口直接到端子，

bbs2009 · 发表于 2012-10-14 19:35:49

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miraclever · 发表于 2012-10-14 19:53:11

zhangshixing 发表于 2012-10-14 18:38
楼主这个直接热拔插啊，还cpu端口直接到端子，

是CPU I/O口直接到端子，本来不应该热拔插的，但是在实际操作中大多数人都是热拔插，所以造成了CPU损坏。

miraclever · 发表于 2012-10-14 19:55:34

本帖最后由 miraclever 于 2012-10-14 19:58 编辑

bbs2009 发表于 2012-10-14 19:35
模块的价格是关键。
模块的体积小，使用方便是优点。但内部的收发芯片坏了整个报废，太浪费。
...

内部收发芯片有ESD保护器件，所以比一般的常规设计要好很多，并且如果将模块内部的电路摊开做成分离元器件的话需要占用较多的PCB面积，对于一个产品来说简洁设计性能可靠才是硬道理！

By the way：这篇文章主要目的是将在电子设计中需要注意接口的设计，广告嘛顺便做一下，没仔细看？

wajlh · 发表于 2012-10-14 20:00:11

调试设备另外供电。

miraclever · 发表于 2012-10-14 20:04:50

wajlh 发表于 2012-10-14 20:00
调试设备另外供电。

这个是不可能的，因为该产品是汽车上使用的，并且是前装方式，即：机车在工厂组装的时候讲设备安装好，在调试过程中没有其他电源供电接口，即使有很麻烦，一般售后服务人员不愿意将调试设备搞的太复杂，也是没办法。

bbs2009 · 发表于 2012-10-14 20:06:16

提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

miraclever · 发表于 2012-10-14 20:07:16

我的本意是通过这个帖子给大家一个提示，在任何设备中类似的这样的接口在设计时都需要注意，其实我这边的问题已经完美解决，如果各位有什么更好的办法希望多多交流。

aworker · 发表于 2012-10-14 20:09:08

是不是比ZLG的要便宜些？还是便宜很多？

miraclever · 发表于 2012-10-14 20:12:29

本帖最后由 miraclever 于 2012-10-14 20:15 编辑

bbs2009 发表于 2012-10-14 20:06
所以比一般的常规设计要好很多
-----------------------------------
常规设计的也可加 ESD啊。

模块化是将来电路设计的一个趋势！有以下好处：

1、模块对于设计工程师来说是一个黑盒状态，不需要知道模块内部原理，只需要知道功能和如何实现功能即可。
2、对于产品设计周期大大减少，使产品从研发到上市所花费的时间更少。
3、维护、维修难度大大降低。
4、使工程师在设计电路时更加专注功能上的设计，而不需要考虑如何实现，避免了设计中的一些不合理之处。

想一想分立元器件和集成电路便可知。

miraclever · 发表于 2012-10-14 20:13:46

aworker 发表于 2012-10-14 20:09
是不是比ZLG的要便宜些？还是便宜很多？

便宜一些，并没有便宜很多

主要原因是成本比周立功的更高，我公司的产品利润更低一些罢了。

lzfemc · 发表于 2012-10-14 21:13:30

用个1W的电阻串联在正极线中电阻值100-500欧应该可以吧，屏消耗不了多少电吧

lzfemc · 发表于 2012-10-14 21:14:00

最好是绕线电阻

miraclever · 发表于 2012-10-14 21:18:32

lzfemc 发表于 2012-10-14 21:13
用个1W的电阻串联在正极线中电阻值100-500欧应该可以吧，屏消耗不了多少电吧 ...

在24V下大概100ma左右吧，主要是背光很耗电。

WoShiMaJia · 发表于 2012-10-16 14:44:43

感谢分享，在产品设计中的确需要注意，一般都不会注意线序问题，之前设计的几款都是采用LZ说的第一种方式，不过电压都是5V的，看来还是存在隐患。
真是细节决定成败啊

lsr0304 · 发表于 2012-11-15 23:08:39

多谢分享！
这个也一直没有注意。基本都是根据工程配合，如何连接方便就如何走；工程没有要求的话，就依布板时走线方便为准；以后得特别注意热插拔的问题了。

cash95 · 发表于 2012-11-15 23:12:08

加个TVS或ESD阵列就完了。1块钱吧。

miraclever · 发表于 2012-11-16 20:16:55

cash95 发表于 2012-11-15 23:12
加个TVS或ESD阵列就完了。1块钱吧。

你觉得TVS或ESD就能解决问题？
那我只能说你在设计电路的时候不够严谨。

cash95 · 发表于 2012-11-16 20:54:32

miraclever 发表于 2012-11-16 20:16
你觉得TVS或ESD就能解决问题？
那我只能说你在设计电路的时候不够严谨。

再不严谨，电源和地中间怎么也要加个P6KE27的TVS管吧(0.25元)。其实你们工程师第1个图是对的，在电源里串个二极管即使接反了也不会烧接口，第2个图就完了，可以看看如果插反了线必烧。估计接插件也有距离过短的问题，因为没看到接插件型号不好判定。

propor123 · 发表于 2012-12-31 23:03:47

学习一下。

tyou · 发表于 2013-10-1 01:17:03

in rush current, esd

bingxiin8 · 发表于 2014-8-2 02:40:25

电源火花干扰

bingxiin8 · 发表于 2014-8-2 02:40:39

电源火花干扰的问题解决

xiangqian1114 · 发表于 2014-11-7 10:16:00

mark，
电源火花干扰的问题解决

dengterry · 发表于 2014-11-7 10:20:23

RX TX 直接对板外这个设计感觉不太好，最好串个电阻，预留小并联到地的电容、TVS

LFan · 发表于 2016-1-5 14:46:08

虽然是12年的帖子了但是经验确实很好这样的帖子很赞很感谢楼主的无私分析

huarana · 发表于 2016-1-5 15:33:43

不支持热插拔的设备用于热插拔

我们遇到过，485的热插拔

本来解决方法之一就是 485的4PIN航空插座选择2长2短的插头插座长的接信号线短的接电源，意义在于信号线先连接然后上电。
最后觉得选这样的插座比较麻烦

解决方法是给485电平芯片做个软开关，只有手持设备插入正常后才给485ic供电。

wanyi · 发表于 2016-5-13 15:27:45

水平未到，不是很理解楼主这个地方的软启动的意思，不知道这样为什么解决了这个问题！

s1j2h3 · 发表于 2017-8-2 15:04:56

TX,RX中串个100～200欧的电阻是否可行？

关于在电子产品设计中的通信接口设计。

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