基于TRIZ的RAM存儲器掉電保護電路的優化設計*

劉修泉，楊 偉，李艷紅

（佛山職業技術學院機電工程學院， 廣東佛山 528137）

0 引言

數控系統在實際加工中有著廣泛的應用。加工數據等信息一般采用RAM存儲器，在系統掉電時RAM存儲器采用掉電保護電路，一般通過備用電池或者基于控制器專用保護電路。其中，基于備用電池保護電路較為簡單，應用較多[1-2]。

近年來，TRIZ創新方法越來越多應用于科學研究與工程實踐領域[3-6]。特別是在機電一體化領域應用最為廣泛，在電子電氣領域應用鮮有報道。本文主要利用TRIZ理論和工具解決數控系統RAM存儲器掉電保護電路存在的問題。

1 RAM存儲器掉電保護電路工作原理

圖1 所示為數控系統用戶程序RAM 存儲器掉電保護系統電路原理。當VCC為典型值5 V時，穩壓管D1為3.6 V，該基準電壓作為比較器LM393同相輸入端；VCC、R2、R3組成電源電壓采樣信號，通過調節R3，從而調節比較器LM393反相輸入端電壓信號，使得反相端電壓大于3.6 V時，LM393輸出為0；當來自CPU的控制信號是高電平，邏輯運算輸出為高電平，禁止存儲器寫入；當來自CPU 的控制信號是低電平時，邏輯運算輸出為低電平，容許存儲器寫入。

圖1 數控系統用戶程序RAM存儲器掉電保護系統電路原理

當系統掉電時，比較器LM393 同相輸入端電壓信號大于反相端電壓，LM393輸出為1，不管CPU的控制信號是高電平還是低電平，邏輯運算輸出均為高電平，禁止存儲器寫入，從而達到存儲器掉電保護。

2 基于TRIZ理論的工程問題

2.1 問題描述

在數控機床實際使用過程中，發現數控機床掉電后重啟，有時發現加工有問題，經檢查，用戶程序被修改，導致加工問題。重新加載用戶程序，機床可以正常工作；進行多次掉電重啟，發現大部分時間用戶程序是完好的，有時用戶程序丟失。說明掉電后用戶程序丟失是一個偶發事件，但極大影響數控機床加工質量和速度，因此需要解決用戶程序被修改問題。

2.2 功能分析

功能分析是主要用來識別工程系統和超系統組件功能，特點等分析工具[7]。

（1）組件及相互作用

以數控系統用戶程序存儲器保護電路為工程系統，其他組件作為超系統，組件由穩壓環節1、電壓取樣環節2、電壓比較器3、邏輯運算環節4、RAM存儲器5、存儲器供電環節6以及系統電源組成，超系統為CPU，如圖2所示，相互作用分析如表1所示。

圖2 組件分析

表1 組件相互作用分析

（2）構建功能模型

根據相互作用分析表，建立數控系統用戶程序RAM存儲器掉電保護系統功能模型，如圖3所示。

圖3 功能模型

2.3 因果鏈分析

因果鏈是全面識別工程系統缺點的分析工具，主要用于挖掘隱藏初始缺點背后的各種缺點，從而找出關鍵缺點。在系統功能模型基礎上進行因果鏈分析，步驟如下。

（1）初始缺點：RAM存儲器用戶數據被修改。

（2）尋找中間缺點：導致RAM存儲器用戶數據被修改原因有如下2 個：第一，可能是邏輯運算環節4 輸出低電平信號，從而導致存儲器6264 寫信號WE 有效，導致存儲器6264用戶數據可以被修改；第二，可能是存儲器系統電源斷電或者不足時，備用電池電壓也較低，導致存儲器工作狀態不穩定，從而使得存儲器6264用戶數據被修改。

（3）確定相互關系：邏輯運算芯片74HC32輸出低電平信號和備用電池電壓低都有可能導致存儲器6264用戶數據被修改，是或者關系。

（4）重復以上步驟，最終建立起來的因果鏈分析如圖4所示。

圖4 因果分析鏈

經反復檢查與測量，掉電時候備用電池電壓均正常，不存在電壓過低的情況；CPU 的寫控制信號也不存在問題；穩壓基準信號和電壓基準信號環節都是采用分立電子元件構成，均正常；那么原因可能是系統掉電時邏輯運算芯片或者電壓比較器芯片電源電壓過低。集成芯片有個非常大的缺點，在系統掉電時候，芯片電壓比較器LM393、邏輯運算74HC32電壓過低，有可能導致用戶數據被修改，無法起到掉電保護作用，是關鍵缺點。

3 TRIZ工具問題求解

3.1 基于物理模型和裁剪的問題求解

物理矛盾：需要增加芯片備用供電電源，因為要提高集成芯片供電穩定性，但是需要不增加芯片備用供電電源，因為系統簡單、成本低。通過分析，很難用分離和滿足的方法解決該物理矛盾，通過繞過矛盾需求方法進行解決。與邏輯芯片7432 和比較器LM393 采用系統電源供電，掉電時電壓低，導致RAM存儲器用戶數據被修改。在這個問題中，可以繞過集成芯片供電電源問題解決這個矛盾。

LM393 和74HC32 是關鍵缺點，可以作為被裁掉組件。芯片電壓比較器LM393 電壓比較器有用功能是接受穩壓和電壓取樣環節信號，傳遞信號給邏輯運算環節74HC32，邏輯運算74HC32 有用功能是接受電壓比較器輸出信號，接受超系統CPU的控制信號，同時傳遞信號給存儲器RAM。選擇合適裁剪規則。然后運用功能再分配原則，選擇一個新的功能載體，裁剪模型如表2所示。鑒于以上分析，采用裁剪規則A，電壓比較器與邏輯運算環節同時裁剪，如圖5所示。

圖5 裁剪電壓比較器和邏輯運算環節后的系統功能模型

表2 裁剪后產生的裁剪模型

在上述模型基礎上繼續裁剪電壓取樣環節，功能模型如圖6 所示。根據裁剪后模型，加入三極管來控制存儲器的讀寫，形成了方案1，如圖7 所示。當VCC 為典型值5 V 時候，穩壓管穩壓3.6 V，電阻R5上端電壓為1.4 V，Q1導通，這樣Q1 集電極為低電平，這樣Q2 截止，Q2 集電極為高電平，存儲器6264 片選信號CE2 高電平有效，來自CPU 的控制信號是高電平，禁止存儲器寫入；當來自CPU 的控制信號是低電平時，容許存儲器寫入。當VCC 為小于5 V，穩壓管穩壓3.6 V，電阻R5 上端電壓小于1.4 V；當VCC 電壓繼續降低，當電阻R5上端電壓小于0.7 V時，Q1截至，這樣Q1集電極為高電平，這樣Q2導通，Q2 集電極為低電平，存儲器6264 片選信號CE2 為低電平，存儲器6264 片無效，無論來自CPU的控制信號是高電平還是低電平時，都禁止存儲器寫入；這樣起到存儲器掉電保護作用。

圖6 裁剪電壓取樣環節后的功能模型

圖7 采用三極管的存儲器掉電保護改進電路

3.2 物場模型構建及求解

物場模型是一種將工程系統進行圖形化的描述方法。物場分析方法，是指從物質和場的角度來分析和構造工程系統的理論和方法學，是阿奇舒勒提出的一種解決問題的方法。然后從76 個標準解中找出解決方案，具體流程如圖8 所示[8]。

圖8 物場模型標準解應用

針對系統掉電時，芯片供電存在不足，S1 為系統電源，S2 為集成芯片74HC32 或LM393，兩者之間通過電場F1 相互作用，但其作用是不足的，構建物場模型如圖9（a）所示，這是一個不足物場模型。從76 個標準解中選擇第二類標準解，增強物場模型，完善不足作用。

（1）引入第二個場或者第二個場和第三個物質，代替原有場或者原有場和物質，完善不足作用。其物場模型如圖9（b）所示。 將芯片LM393供電電源換成一個動態場，當系統上電時，可以給RC 電路充電，當系統掉電時，RC 可以放電。其電路原理如圖10所示。

圖9 引入物質和場解決方案物場模型

圖10 引入RC的存儲器掉電保護改進電路

（2）采用鏈式物場模型，引入S3 和F2，增強物場模型，完善不足作用。物場模型如圖11 所示。增加S3（備用電池）和F2（電場），當系統掉電時，采用備用電池給芯片供電。其電路原理如圖12所示。

圖11 鏈式物場模型解決方案

圖12 增加備用電池的存儲器掉電保護改進電路

4 方案評估與實施

通過分析和求解可以得出3種方案，具體如下。

方案1：利用裁剪工具進行分析和物理矛盾問題模型進行解決問題，該系統電路簡單，穩定性高，成本低，具有較好的經濟效益。

方案2：利用物場模型，引入備用電池和電場，增強物場模型。該系統提高芯片供電穩定性，但電路稍微復雜，成本增加。

方案3：利用物場模型，引入RC 時延電路，將靜態電場轉換為動態電場，增強物場模型。該系統一定程度上可提高芯片供電穩定性，但由于時延電路動態性，穩定性須待提高，電路較為復雜。

綜上所述，選擇方案1。

5 結束語

本文選題來自于實際工程問題，利用TRIZ創新理論與方法研究了數控機床掉電重啟用戶程序丟失問題。根據工程問題描述，通過功能分析、因果分析等對該實際工程問題進行了深入剖析，明確了關鍵問題，找到了產品丟失數據的原因；運用裁剪工具與物理矛盾解決方法與創新原理、物場模型及分析查找標準解的方法，提出了3種解決方案，最后通過分析對比選擇最終解決方案，改進了數控系統存儲器掉電保持電路，解決了RAM存儲器6264掉電數據被修改問題，并且在實際應用中得到驗證。采用該新保護電路以來，效果明顯，至今再也沒有出現過同類型問題，減少了維修工作量，增強了用戶對產品的信心。利用TRIZ 創新方法解決工程實際問題的成功案例，為以后的實際問題提供了一種新思路。