單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計

1、摘要：總結(jié)了目前使用比較廣泛的四種單片機(jī)復(fù)位電路，為微分型、積分型復(fù)位電路建立了數(shù)學(xué)模型，并比較了它們在使用中的可靠性，同時介紹了專用復(fù)位芯片。最后提出了設(shè)計復(fù)位電路應(yīng)注意的問題及提高抗干擾性的措施。 關(guān)鍵詞：復(fù)位 死機(jī) 可靠性 單片機(jī)目前已被廣泛地應(yīng)用于家電、醫(yī)療、儀器儀表、工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。市場上比較流行的單片機(jī)種類主要有intel公司、atmel公司和philip公司的8051系列單片機(jī)，motorola公司的m6800系列單片機(jī)，intel公司的mcs96系列單片機(jī)以及microchip公司的pic系列單片機(jī)。無論用戶使用哪種類型的單片機(jī)，總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計。而單

2、片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計完單片機(jī)系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。圖1是一個單片機(jī)與大功率led八段顯示器共享一個電源，并采用微分復(fù)位電路的實例。在這種情況下，系統(tǒng)有時會出現(xiàn)一些不可預(yù)料的現(xiàn)象，如無規(guī)律可循的“死機(jī)”、“程序走飛”等。而用仿真器調(diào)試時卻無此現(xiàn)象發(fā)生或極少發(fā)生此現(xiàn)象。又如圖2所示，在此圖中單片機(jī)復(fù)位采用另外一種復(fù)位電路。在此電路的應(yīng)用中，用戶有時會發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時間內(nèi)再次開啟電源，單片機(jī)可能會工作不正常。這些現(xiàn)象，都可認(rèn)為是由于單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計不

3、當(dāng)引起的。 目前為止，單片機(jī)復(fù)位電路主要有四種類型：（1）微分型復(fù)位電路；（2）積分型復(fù)位電路；（3）比較器型復(fù)位電路；（4）看門狗型復(fù)位電路。另外，maxim等公司也推出了專用于復(fù)位的專用芯片1。 1 復(fù)位電路的數(shù)學(xué)模型及可靠性分析 1.1 微分型復(fù)位電路 微分型復(fù)位電路的等效電路如圖3所示。以高電平復(fù)位為例。建立如下方程： 電源上電時，可以認(rèn)為us為階躍信號，即 。其中u0是由于下拉電阻r在cpu復(fù)位端引起的電壓值，一般為0.3v以下。但在實際應(yīng)用中，us不可能為理想的階躍信號。其主要原因有兩點：（1）穩(wěn)壓電源的輸出開關(guān)特性；（2）設(shè)計人員在設(shè)計電路時，為保證電源電壓穩(wěn)定性，往往在電源的輸

4、入端并聯(lián)一個大電容，從而導(dǎo)致了us不可能為階躍信號特征。由于第一種情況與第二種情況在本質(zhì)上是一樣的，即對us的上升斜率產(chǎn)生影響，從而影響了的urst的復(fù)位特性。為此假us的上升斜率為k，從0vus需要t時間，即： 當(dāng)t時，令a=t/，則： 即此時的復(fù)位可靠性較前面的好。 另一種情況就是設(shè)計人員將一些開關(guān)性質(zhì)的功率器件，如大功率led發(fā)不管與單片機(jī)系統(tǒng)共享一個穩(wěn)壓電源，而單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位端采用微分復(fù)位電路，由此也將造成復(fù)位的不正?，F(xiàn)象。具體分析如圖4所示。 將器件等效為電阻rl，其中開關(guān)特性即rl很小或rl很大兩種工作狀態(tài)。而穩(wěn)壓電源的基本工作原理是：rliu-i-u。從中可以看出，負(fù)載的變化必

5、然引電流的變化。為了分析簡單，假設(shè)rrl，并且rr0.這樣，可以近似地鈄以上電路網(wǎng)絡(luò)看作兩個網(wǎng)絡(luò)的組合，并且網(wǎng)絡(luò)之間的負(fù)載效應(yīng)可以忽略不計。 第一個電路網(wǎng)絡(luò)等效為一個分壓電路。當(dāng)rl從rlminrlmax時，使其變化為階躍性持，則ua為一個賦的階躍信號。 ua（t）=rlmax/(rlmax+r0)u t0 ua(t)=rlmin/(rlmin+r0)u t0 用此階躍信號作為第二個電路網(wǎng)絡(luò)，一階微分電路的輸入，則可得下式： (d/dt)ua(t)=(1/rc)urst(t)+(d/dt)urst(t) urst(0)=0 解之得： 從上式可以看出，由于負(fù)載的突變和穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓作用，將在復(fù)位

6、端引入一個類脈沖，從而導(dǎo)致cpu工作不正常。 1.2 積分型復(fù)位電路 此電路的等效電路如圖5所示。仍以高電平復(fù)位為例，同樣可以建立如下方程： 當(dāng)系統(tǒng)上電時，假設(shè)us(t)=au（t）為階躍函數(shù)，u0=0，則： 當(dāng)反相器正常工作后，uc若仍能保持在vil以下，則其輸出就可以為高電平；而且如果從反相器正常工作后開始，經(jīng)過不小于復(fù)位脈沖寬度的時間tr后，uc才能達(dá)到vil以上，那么上電復(fù)位就能保證可靠。所以在實際應(yīng)用中，設(shè)計人員常常將r、cf的值增大以提高時間常數(shù)，并且應(yīng)用具有斯密特輸入的cmos反相器以提高抗干擾性。然而此復(fù)位電路常常在二次電源開關(guān)相對較短的時間間隔情況下出現(xiàn)異常。這主要是由于放電

7、回路與充電回路相同，導(dǎo)致放電時間常數(shù)較大，從而導(dǎo)致uc電壓下降過度。為此有文獻(xiàn)2介紹如圖6所示的改進(jìn)電路。 從圖6可以看出放電回路的時間常數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充電時間常數(shù)。這時，上面所提到的重復(fù)開關(guān)電源而造成上電復(fù)位不可靠的現(xiàn)象就可以得到控制。然而，由于放電時間常數(shù)過短，降低了此復(fù)位電路在工作中對電源電壓波動的不敏感性。例如，當(dāng)電源電壓有波動時，此時由于放電過快，從而有可能造成uc低于反相器的vil電壓值，帶來不必要的復(fù)位脈沖。此現(xiàn)象在單片機(jī)工作于sleep方式與active方式切換，而電源輸出功率又相對較弱時可能出現(xiàn)。為此提出針對以上現(xiàn)象的改進(jìn)積分型復(fù)位電路（如圖7所示）。圖7中，r1200ms就

8、可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定寫入。預(yù)警電壓調(diào)整方法當(dāng)vdc等于預(yù)警電壓時調(diào)整r1和r2使pfi的電壓為1.25v 此時可檢測/pfo來確認(rèn)內(nèi)部的電壓比較器是否動作，調(diào)整時必須注意此比較器是窗口比較器。圖10是該應(yīng)用的程序流程圖 調(diào)頻fm發(fā)射話筒制作套件圖9 max708的典型應(yīng)用單片機(jī)學(xué)習(xí) hpoo圖10. 電表應(yīng)用中e2prom數(shù)據(jù)保護(hù)程序流程圖3. 多功能電源監(jiān)控電路 除上電復(fù)位和掉電復(fù)位外，很多監(jiān)控電路集成了系統(tǒng)所需的功能，如： 電源測控，供電電壓出現(xiàn)異常時提供預(yù)警指示或中斷請求信號，方便系統(tǒng)實現(xiàn)異常處理； 數(shù)據(jù)保護(hù)，當(dāng)電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的保護(hù)，如寫保護(hù)、數(shù)據(jù)備份或切換后備電池； 看

9、門狗定時器，當(dāng)系統(tǒng)程序“跑飛”或“死鎖”時，復(fù)位系統(tǒng)； 其它的功能，如溫度測控、短路測試等等。單片機(jī)編程器 hpoo 我們把其稱作多功能電源監(jiān)控電路。下面介紹兩款特別適合在工控、安防、金融行業(yè)中廣泛應(yīng)用多功能的監(jiān)控電路 : catalyst 公司的 cat1161 是一個集成了開門狗、電壓監(jiān)控和復(fù)位電路的 16k 位 e2prom（i2c 接口）不但集成度高、功耗低（e2prom部分靜態(tài)時真正實現(xiàn)零功耗）而且清看門狗是通過改變sda的電平實現(xiàn)的，節(jié)省系統(tǒng)i/o 資源，其門檻電壓可通過編程器修改，該修改范圍覆蓋絕大多數(shù)應(yīng)用。當(dāng)電源下降到門檻電壓以下時硬件禁止訪問 e2prom 確保數(shù)據(jù)安全。 使

10、用時注意的是 rst，/rst 引腳是 i/o 腳，cat1161 檢測到兩引腳中任何一個電壓異常都會產(chǎn)生復(fù)位信號，與 rst /rst 引腳相連的下拉電阻 r2 和上拉電阻 r1 必須同時連接，否則cat1161將不斷產(chǎn)生復(fù)位！同樣不需要手動復(fù)位功能時可節(jié)省rm和sm兩個元件。 電子元件郵購圖11. 內(nèi)置wdt reset /reset e prom監(jiān)控器件接口電路 philips 公司的 sa56600-42 被設(shè)計用在電源電壓降低或斷電時作保護(hù)微電腦系統(tǒng)中sram 的數(shù)據(jù)。當(dāng)電源電壓下降到通常值 4.2v 時，輸出 cs 變?yōu)檫壿嫷碗娖剑?ce 也拉低，從而禁止對 sram 的操作。同

11、時，產(chǎn)生一個低電平有效的復(fù)位信號，供系統(tǒng)使用，如果電源電壓繼續(xù)下降，到達(dá)通常值 3.3v或更低時，sa56600-42切換系統(tǒng)操作，從主電源供電切換到后備鋰電池供電，當(dāng)主電源恢復(fù)正常（電壓上升至3.3v或更高時）將sram的供電電源將由后備鋰電池切換回主電源，當(dāng)主電源上升至大于典型值4.2v 時 輸出 cs 變?yōu)檫壿嫺唠娖?，?ce 變?yōu)楦唠娖剑鼓?sram 的操作，復(fù)位信號一直持續(xù)到系統(tǒng)恢復(fù)正常操作為止。在系統(tǒng)電源電壓不足或突然斷電的時候，這個器件能可靠地保護(hù)系統(tǒng)在sram內(nèi)的數(shù)據(jù)。圖12. 內(nèi)置sram數(shù)據(jù)保護(hù)電路的監(jiān)控器件sa56600-42的典型應(yīng)用 單片機(jī)編程器 hpoo4. ar

12、m 單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計 無論在移動電話 高端手持儀器還是嵌入式系統(tǒng)，32 位單片機(jī) arm 占據(jù)越來越多的份額，arm 已成為事實的高端產(chǎn)品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于 arm 高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低這是對數(shù)字電路極限的挑戰(zhàn)，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定度、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。arm監(jiān)控技術(shù)是復(fù)雜并且非常重要的。 分立元件實現(xiàn)的監(jiān)控電路，受溫度、濕度、壓力等外界的影響大而且對不同元件影響不一致較大板面積，過多過長的引腳容易引入射頻干擾，功耗大也是很多應(yīng)用難以接受，而集成電路能很好的解決此類問題。目前也有不少微處理器中集成監(jiān)控電路，處于制造成本和工藝技術(shù)原因，此類監(jiān)控電路大多數(shù)是用低電壓cmos工藝實現(xiàn)的，比起用高電壓、高線性度的雙極工藝制造的專用監(jiān)控電路性能還有一段差距。結(jié)論是：使用 arm而不用專用監(jiān)控電路，可能導(dǎo)致得不償失，經(jīng)驗也告訴我們使用專用監(jiān)控電路可以避免很多離奇古怪