基于TRIZ的RAM存儲器掉電保護(hù)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

劉修泉，楊 偉，李艷紅

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣東佛山 528137）

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)際加工中有著廣泛的應(yīng)用。加工數(shù)據(jù)等信息一般采用RAM存儲器，在系統(tǒng)掉電時RAM存儲器采用掉電保護(hù)電路，一般通過備用電池或者基于控制器專用保護(hù)電路。其中，基于備用電池保護(hù)電路較為簡單，應(yīng)用較多[1-2]。

近年來，TRIZ創(chuàng)新方法越來越多應(yīng)用于科學(xué)研究與工程實(shí)踐領(lǐng)域[3-6]。特別是在機(jī)電一體化領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，在電子電氣領(lǐng)域應(yīng)用鮮有報道。本文主要利用TRIZ理論和工具解決數(shù)控系統(tǒng)RAM存儲器掉電保護(hù)電路存在的問題。

1 RAM存儲器掉電保護(hù)電路工作原理

圖1 所示為數(shù)控系統(tǒng)用戶程序RAM 存儲器掉電保護(hù)系統(tǒng)電路原理。當(dāng)VCC為典型值5 V時，穩(wěn)壓管D1為3.6 V，該基準(zhǔn)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(diào)節(jié)R3，從而調(diào)節(jié)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(dāng)來自CPU的控制信號是高電平，邏輯運(yùn)算輸出為高電平，禁止存儲器寫入；當(dāng)來自CPU 的控制信號是低電平時，邏輯運(yùn)算輸出為低電平，容許存儲器寫入。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)用戶程序RAM存儲器掉電保護(hù)系統(tǒng)電路原理

當(dāng)系統(tǒng)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(yùn)算輸出均為高電平，禁止存儲器寫入，從而達(dá)到存儲器掉電保護(hù)。

2 基于TRIZ理論的工程問題

2.1 問題描述

在數(shù)控機(jī)床實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床掉電后重啟，有時發(fā)現(xiàn)加工有問題，經(jīng)檢查，用戶程序被修改，導(dǎo)致加工問題。重新加載用戶程序，機(jī)床可以正常工作；進(jìn)行多次掉電重啟，發(fā)現(xiàn)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(fā)事件，但極大影響數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)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(tǒng)和超系統(tǒng)組件功能，特點(diǎn)等分析工具[7]。

（1）組件及相互作用

以數(shù)控系統(tǒng)用戶程序存儲器保護(hù)電路為工程系統(tǒng)，其他組件作為超系統(tǒng)，組件由穩(wěn)壓環(huán)節(jié)1、電壓取樣環(huán)節(jié)2、電壓比較器3、邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)4、RAM存儲器5、存儲器供電環(huán)節(jié)6以及系統(tǒng)電源組成，超系統(tǒng)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(gòu)建功能模型

根據(jù)相互作用分析表，建立數(shù)控系統(tǒng)用戶程序RAM存儲器掉電保護(hù)系統(tǒng)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?zhǔn)侨孀R別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具，主要用于挖掘隱藏初始缺點(diǎn)背后的各種缺點(diǎn)，從而找出關(guān)鍵缺點(diǎn)。在系統(tǒng)功能模型基礎(chǔ)上進(jìn)行因果鏈分析，步驟如下。

（1）初始缺點(diǎn)：RAM存儲器用戶數(shù)據(jù)被修改。

（2）尋找中間缺點(diǎn)：導(dǎo)致RAM存儲器用戶數(shù)據(jù)被修改原因有如下2 個：第一，可能是邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)4 輸出低電平信號，從而導(dǎo)致存儲器6264 寫信號WE 有效，導(dǎo)致存儲器6264用戶數(shù)據(jù)可以被修改；第二，可能是存儲器系統(tǒng)電源斷電或者不足時，備用電池電壓也較低，導(dǎo)致存儲器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，從而使得存儲器6264用戶數(shù)據(jù)被修改。

（3）確定相互關(guān)系：邏輯運(yùn)算芯片74HC32輸出低電平信號和備用電池電壓低都有可能導(dǎo)致存儲器6264用戶數(shù)據(jù)被修改，是或者關(guān)系。

（4）重復(fù)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(jīng)反復(fù)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(wěn)壓基準(zhǔn)信號和電壓基準(zhǔn)信號環(huán)節(jié)都是采用分立電子元件構(gòu)成，均正常；那么原因可能是系統(tǒng)掉電時邏輯運(yùn)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(diǎn)，在系統(tǒng)掉電時候，芯片電壓比較器LM393、邏輯運(yùn)算74HC32電壓過低，有可能導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)被修改，無法起到掉電保護(hù)作用，是關(guān)鍵缺點(diǎn)。

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?yàn)橐岣呒尚酒╇姺€(wěn)定性，但是需要不增加芯片備用供電電源，因?yàn)橄到y(tǒng)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(jìn)行解決。與邏輯芯片7432 和比較器LM393 采用系統(tǒng)電源供電，掉電時電壓低，導(dǎo)致RAM存儲器用戶數(shù)據(jù)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(guān)鍵缺點(diǎn)，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(wěn)壓和電壓取樣環(huán)節(jié)信號，傳遞信號給邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)74HC32，邏輯運(yùn)算74HC32 有用功能是接受電壓比較器輸出信號，接受超系統(tǒng)CPU的控制信號，同時傳遞信號給存儲器RAM。選擇合適裁剪規(guī)則。然后運(yùn)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(guī)則A，電壓比較器與邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)同時裁剪，如圖5所示。

圖5 裁剪電壓比較器和邏輯運(yùn)算環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)功能模型

表2 裁剪后產(chǎn)生的裁剪模型

在上述模型基礎(chǔ)上繼續(xù)裁剪電壓取樣環(huán)節(jié)，功能模型如圖6 所示。根據(jù)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(dāng)VCC 為典型值5 V 時候，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓3.6 V，電阻R5上端電壓為1.4 V，Q1導(dǎo)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(dāng)來自CPU 的控制信號是低電平時，容許存儲器寫入。當(dāng)VCC 為小于5 V，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓3.6 V，電阻R5 上端電壓小于1.4 V；當(dāng)VCC 電壓繼續(xù)降低，當(dāng)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(dǎo)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(hù)作用。

圖6 裁剪電壓取樣環(huán)節(jié)后的功能模型

圖7 采用三極管的存儲器掉電保護(hù)改進(jìn)電路

3.2 物場模型構(gòu)建及求解

物場模型是一種將工程系統(tǒng)進(jìn)行圖形化的描述方法。物場分析方法，是指從物質(zhì)和場的角度來分析和構(gòu)造工程系統(tǒng)的理論和方法學(xué)，是阿奇舒勒提出的一種解決問題的方法。然后從76 個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)解應(yīng)用

針對系統(tǒng)掉電時，芯片供電存在不足，S1 為系統(tǒng)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)解中選擇第二類標(biāo)準(zhǔn)解，增強(qiáng)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(zhì)，代替原有場或者原有場和物質(zhì)，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(tài)場，當(dāng)系統(tǒng)上電時，可以給RC 電路充電，當(dāng)系統(tǒng)掉電時，RC 可以放電。其電路原理如圖10所示。

圖9 引入物質(zhì)和場解決方案物場模型

圖10 引入RC的存儲器掉電保護(hù)改進(jìn)電路

（2）采用鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ停隨3 和F2，增強(qiáng)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(dāng)系統(tǒng)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?zhǔn)轿飯瞿Ｐ徒鉀Q方案

圖12 增加備用電池的存儲器掉電保護(hù)改進(jìn)電路

4 方案評估與實(shí)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(jìn)行分析和物理矛盾問題模型進(jìn)行解決問題，該系統(tǒng)電路簡單，穩(wěn)定性高，成本低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

方案2：利用物場模型，引入備用電池和電場，增強(qiáng)物場模型。該系統(tǒng)提高芯片供電穩(wěn)定性，但電路稍微復(fù)雜，成本增加。

方案3：利用物場模型，引入RC 時延電路，將靜態(tài)電場轉(zhuǎn)換為動態(tài)電場，增強(qiáng)物場模型。該系統(tǒng)一定程度上可提高芯片供電穩(wěn)定性，但由于時延電路動態(tài)性，穩(wěn)定性須待提高，電路較為復(fù)雜。

綜上所述，選擇方案1。

5 結(jié)束語

本文選題來自于實(shí)際工程問題，利用TRIZ創(chuàng)新理論與方法研究了數(shù)控機(jī)床掉電重啟用戶程序丟失問題。根據(jù)工程問題描述，通過功能分析、因果分析等對該實(shí)際工程問題進(jìn)行了深入剖析，明確了關(guān)鍵問題，找到了產(chǎn)品丟失數(shù)據(jù)的原因；運(yùn)用裁剪工具與物理矛盾解決方法與創(chuàng)新原理、物場模型及分析查找標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)存儲器掉電保持電路，解決了RAM存儲器6264掉電數(shù)據(jù)被修改問題，并且在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。采用該新保護(hù)電路以來，效果明顯，至今再也沒有出現(xiàn)過同類型問題，減少了維修工作量，增強(qiáng)了用戶對產(chǎn)品的信心。利用TRIZ 創(chuàng)新方法解決工程實(shí)際問題的成功案例，為以后的實(shí)際問題提供了一種新思路。