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一分钱的疏忽造成数万元的损失
sharks 发表于 2005-11-4 15:17 侃单片机
小弟去年给外面公司设计了一台智能型阀门伺服控制器，在本地几个小站现场工作都没问题，今年开始投入生产。上个月，突然接到公司电话，第一批发给烟台、青岛等外地十几台全部不能正常工作！ 吓出一身冷汗，这一批要是都有问题，损失可是将近10万阿！ 现场的工程师反映回来的问题是：在实验室测试没有任何问题，一接到现场的控制线上，立刻死机，无任何动作，复位后程序正常运行，却无法接收控制信号的变化。因为实验都没问题，我怀疑是抗干扰的问题，但是不能很肯定，因为现场人员说只要出过一次死机问题的控制器，即使回到实验室也无法正常工作，这应该是又元器件损坏的表现，当然也有可能是程序跑飞后将EEPROM里面存储的校准参数冲掉了造成故障。
焦急的等待了一个星期，等到报废的一批产品寄回西安。
控制信号是4-20mA信号，用于控制阀门从全关到全开。CPU用的是C8051F005。因为内带了12bit ADC，外围的电路十分简单。见图1:
4-20mA信号通过R1(100欧)，变成0.4-2V信号，可以被ADC直接采样。C1的作用是滤波。实验中采样非常稳定，加上我做了一个具有50Hz零点的数字滤波算法，对工频干扰抑制效果相当好。
样品终于回来了，立刻拆开检查，把仿真机接上，重新下载代码，故障依旧，读取EEPROM数据，正常。松了一口气，不像干扰造成死机。
加10mA信号测量100欧姆两端电压，只有0.13V！拆下R1，测得100.1欧姆正常。
再测ADC输入引脚，居然对地短路！！
因为有100欧姆电阻接地，不可能是静电或者串电烧坏的，猜测必然有大电流灌入。而100欧姆电阻是一个贴片，大电流应该烧毁阿！十几台设备的R1不仅都没有烧毁，连发黑的痕迹都没有。现场工程师反复测量过现场控制信号，完全正常，而且接入老式设备可以正常工作。
想了很久，终于想起来一个被忽略的细节！ 因为许多设备不能停机，现场的控制信号是不允许断电的，也就是说，4-20mA控制信号在接入控制器的插座之前就是一直带电的。
我想到了电流信号开路，将会有比较高的电压，（一般会限制在24V）而现场控制线有200~500米长，上面的电容也不小了。插头相当于一个开关，接入前断开R1回路，接入后接通R1回路。见图2的等效电路
那么，在现场信号接入控制器的瞬间，相当于一个充满24V电压的电容通过100欧姆电阻放电！波形如图3，必然存在24V的瞬间尖峰。这个电压将被直接加在MCU的ADC输入口上。这么高的电压会引起IO口内部的泻放回路得导通。而泻放回路只能承受几十毫安的电流，于是这个尖峰电压将IO口的泻放电路烧毁，对地呈现短路。这一次冲击，引起MCU内部错误，所以表现出第一次加信号死机。ADC输入口烧毁，所以以后无法正确读取控制信号的值。
虽然滤波电容C1能起到一定的缓冲作用，但毕竟是一个独石电容，高频内阻很大，对尖峰削弱作用不是很明显。
在西安做实验为了方便，现场选的离控制室很近，十米不到，所以这个问题没有被发现。而发往外地的一批设备都离控制室很远。所以无一例外的全部烧毁。
改进后的电路如图4，增加了一个47K的电阻R2,即使存在尖峰，也被R2C2吸收了。即使仍有残留电压，有R2限流，单片机IO口的泻放回路也是完全可以承受的
因为少加了一只1分钱的电阻，造成了数万元的损失。虽然公司没有追究我的责任，但是，这一教训却让我感受深刻：作为一个电子工程师，严谨的设计思路和丰富的现场经验都是必不可少的。很多决定设计成败的地方并不是技术含量，而是细节！
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