基于TRIZ的RAM存储器掉电保护电路的优化设计*

刘修泉，杨 伟，李艳红

（佛山职业技术学院机电工程学院， 广东佛山 528137）

0 引言

数控系统在实际加工中有着广泛的应用。加工数据等信息一般采用RAM存储器，在系统掉电时RAM存储器采用掉电保护电路，一般通过备用电池或者基于控制器专用保护电路。其中，基于备用电池保护电路较为简单，应用较多[1-2]。

近年来，TRIZ创新方法越来越多应用于科学研究与工程实践领域[3-6]。特别是在机电一体化领域应用最为广泛，在电子电气领域应用鲜有报道。本文主要利用TRIZ理论和工具解决数控系统RAM存储器掉电保护电路存在的问题。

1 RAM存储器掉电保护电路工作原理

图1 所示为数控系统用户程序RAM 存储器掉电保护系统电路原理。当VCC为典型值5 V时，稳压管D1为3.6 V，该基准电压作为比较器LM393同相输入端；VCC、R2、R3组成电源电压采样信号，通过调节R3，从而调节比较器LM393反相输入端电压信号，使得反相端电压大于3.6 V时，LM393输出为0；当来自CPU的控制信号是高电平，逻辑运算输出为高电平，禁止存储器写入；当来自CPU 的控制信号是低电平时，逻辑运算输出为低电平，容许存储器写入。

图1 数控系统用户程序RAM存储器掉电保护系统电路原理

当系统掉电时，比较器LM393 同相输入端电压信号大于反相端电压，LM393输出为1，不管CPU的控制信号是高电平还是低电平，逻辑运算输出均为高电平，禁止存储器写入，从而达到存储器掉电保护。

2 基于TRIZ理论的工程问题

2.1 问题描述

在数控机床实际使用过程中，发现数控机床掉电后重启，有时发现加工有问题，经检查，用户程序被修改，导致加工问题。重新加载用户程序，机床可以正常工作；进行多次掉电重启，发现大部分时间用户程序是完好的，有时用户程序丢失。说明掉电后用户程序丢失是一个偶发事件，但极大影响数控机床加工质量和速度，因此需要解决用户程序被修改问题。

2.2 功能分析

功能分析是主要用来识别工程系统和超系统组件功能，特点等分析工具[7]。

（1）组件及相互作用

以数控系统用户程序存储器保护电路为工程系统，其他组件作为超系统，组件由稳压环节1、电压取样环节2、电压比较器3、逻辑运算环节4、RAM存储器5、存储器供电环节6以及系统电源组成，超系统为CPU，如图2所示，相互作用分析如表1所示。

图2 组件分析

表1 组件相互作用分析

（2）构建功能模型

根据相互作用分析表，建立数控系统用户程序RAM存储器掉电保护系统功能模型，如图3所示。

图3 功能模型

2.3 因果链分析

因果链是全面识别工程系统缺点的分析工具，主要用于挖掘隐藏初始缺点背后的各种缺点，从而找出关键缺点。在系统功能模型基础上进行因果链分析，步骤如下。

（1）初始缺点：RAM存储器用户数据被修改。

（2）寻找中间缺点：导致RAM存储器用户数据被修改原因有如下2 个：第一，可能是逻辑运算环节4 输出低电平信号，从而导致存储器6264 写信号WE 有效，导致存储器6264用户数据可以被修改；第二，可能是存储器系统电源断电或者不足时，备用电池电压也较低，导致存储器工作状态不稳定，从而使得存储器6264用户数据被修改。

（3）确定相互关系：逻辑运算芯片74HC32输出低电平信号和备用电池电压低都有可能导致存储器6264用户数据被修改，是或者关系。

（4）重复以上步骤，最终建立起来的因果链分析如图4所示。

图4 因果分析链

经反复检查与测量，掉电时候备用电池电压均正常，不存在电压过低的情况；CPU 的写控制信号也不存在问题；稳压基准信号和电压基准信号环节都是采用分立电子元件构成，均正常；那么原因可能是系统掉电时逻辑运算芯片或者电压比较器芯片电源电压过低。集成芯片有个非常大的缺点，在系统掉电时候，芯片电压比较器LM393、逻辑运算74HC32电压过低，有可能导致用户数据被修改，无法起到掉电保护作用，是关键缺点。

3 TRIZ工具问题求解

3.1 基于物理模型和裁剪的问题求解

物理矛盾：需要增加芯片备用供电电源，因为要提高集成芯片供电稳定性，但是需要不增加芯片备用供电电源，因为系统简单、成本低。通过分析，很难用分离和满足的方法解决该物理矛盾，通过绕过矛盾需求方法进行解决。与逻辑芯片7432 和比较器LM393 采用系统电源供电，掉电时电压低，导致RAM存储器用户数据被修改。在这个问题中，可以绕过集成芯片供电电源问题解决这个矛盾。

LM393 和74HC32 是关键缺点，可以作为被裁掉组件。芯片电压比较器LM393 电压比较器有用功能是接受稳压和电压取样环节信号，传递信号给逻辑运算环节74HC32，逻辑运算74HC32 有用功能是接受电压比较器输出信号，接受超系统CPU的控制信号，同时传递信号给存储器RAM。选择合适裁剪规则。然后运用功能再分配原则，选择一个新的功能载体，裁剪模型如表2所示。鉴于以上分析，采用裁剪规则A，电压比较器与逻辑运算环节同时裁剪，如图5所示。

图5 裁剪电压比较器和逻辑运算环节后的系统功能模型

表2 裁剪后产生的裁剪模型

在上述模型基础上继续裁剪电压取样环节，功能模型如图6 所示。根据裁剪后模型，加入三极管来控制存储器的读写，形成了方案1，如图7 所示。当VCC 为典型值5 V 时候，稳压管稳压3.6 V，电阻R5上端电压为1.4 V，Q1导通，这样Q1 集电极为低电平，这样Q2 截止，Q2 集电极为高电平，存储器6264 片选信号CE2 高电平有效，来自CPU 的控制信号是高电平，禁止存储器写入；当来自CPU 的控制信号是低电平时，容许存储器写入。当VCC 为小于5 V，稳压管稳压3.6 V，电阻R5 上端电压小于1.4 V；当VCC 电压继续降低，当电阻R5上端电压小于0.7 V时，Q1截至，这样Q1集电极为高电平，这样Q2导通，Q2 集电极为低电平，存储器6264 片选信号CE2 为低电平，存储器6264 片无效，无论来自CPU的控制信号是高电平还是低电平时，都禁止存储器写入；这样起到存储器掉电保护作用。

图6 裁剪电压取样环节后的功能模型

图7 采用三极管的存储器掉电保护改进电路

3.2 物场模型构建及求解

物场模型是一种将工程系统进行图形化的描述方法。物场分析方法，是指从物质和场的角度来分析和构造工程系统的理论和方法学，是阿奇舒勒提出的一种解决问题的方法。然后从76 个标准解中找出解决方案，具体流程如图8 所示[8]。

图8 物场模型标准解应用

针对系统掉电时，芯片供电存在不足，S1 为系统电源，S2 为集成芯片74HC32 或LM393，两者之间通过电场F1 相互作用，但其作用是不足的，构建物场模型如图9（a）所示，这是一个不足物场模型。从76 个标准解中选择第二类标准解，增强物场模型，完善不足作用。

（1）引入第二个场或者第二个场和第三个物质，代替原有场或者原有场和物质，完善不足作用。其物场模型如图9（b）所示。 将芯片LM393供电电源换成一个动态场，当系统上电时，可以给RC 电路充电，当系统掉电时，RC 可以放电。其电路原理如图10所示。

图9 引入物质和场解决方案物场模型

图10 引入RC的存储器掉电保护改进电路

（2）采用链式物场模型，引入S3 和F2，增强物场模型，完善不足作用。物场模型如图11 所示。增加S3（备用电池）和F2（电场），当系统掉电时，采用备用电池给芯片供电。其电路原理如图12所示。

图11 链式物场模型解决方案

图12 增加备用电池的存储器掉电保护改进电路

4 方案评估与实施

通过分析和求解可以得出3种方案，具体如下。

方案1：利用裁剪工具进行分析和物理矛盾问题模型进行解决问题，该系统电路简单，稳定性高，成本低，具有较好的经济效益。

方案2：利用物场模型，引入备用电池和电场，增强物场模型。该系统提高芯片供电稳定性，但电路稍微复杂，成本增加。

方案3：利用物场模型，引入RC 时延电路，将静态电场转换为动态电场，增强物场模型。该系统一定程度上可提高芯片供电稳定性，但由于时延电路动态性，稳定性须待提高，电路较为复杂。

综上所述，选择方案1。

5 结束语

本文选题来自于实际工程问题，利用TRIZ创新理论与方法研究了数控机床掉电重启用户程序丢失问题。根据工程问题描述，通过功能分析、因果分析等对该实际工程问题进行了深入剖析，明确了关键问题，找到了产品丢失数据的原因；运用裁剪工具与物理矛盾解决方法与创新原理、物场模型及分析查找标准解的方法，提出了3种解决方案，最后通过分析对比选择最终解决方案，改进了数控系统存储器掉电保持电路，解决了RAM存储器6264掉电数据被修改问题，并且在实际应用中得到验证。采用该新保护电路以来，效果明显，至今再也没有出现过同类型问题，减少了维修工作量，增强了用户对产品的信心。利用TRIZ 创新方法解决工程实际问题的成功案例，为以后的实际问题提供了一种新思路。