單片機(jī)復(fù)位電路分析

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0V～Us需要T時間，即：

    當(dāng)T<<τ時，Us上電時可等效為階躍信號。與前相同，當(dāng)T>>τ時，令A(yù)=T/τ，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：ΔRL→ΔI→ΔU→-ΔI→-ΔU。從中可以看出，負(fù)載的變化必然引電流的變化。為了分析簡單，假設(shè)R>RL，并且R>>R0.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RLmin→Rlmax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 t≥0

    UA(t)=[Rlmin/(Rlmin+R0)]U t<0

    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，R1<<R2，適當(dāng)調(diào)整R1值的大小就可避免以上情況發(fā)生。

    1.3 比較器型復(fù)位電路

    比較器型復(fù)位電路的基本原理如圖8所示。上電復(fù)位時，由于組成了一個RC低通網(wǎng)絡(luò)，所以比較器的正相輸入端的電壓比負(fù)相端輸入電壓延遲一定時間。而比較器的負(fù)相端網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正相端RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)，因此在正端電壓還沒有超過負(fù)端電壓時，比較器輸出低電平，經(jīng)反相器后產(chǎn)生高電平。復(fù)位脈沖的寬度主要取決于正常電壓上升的速度。由于負(fù)端電壓放電回路時間常數(shù)較大，因此對電源電壓的波動不敏感。但是容易產(chǎn)生以下二種不利現(xiàn)象：（1）電源二次開關(guān)間隔太短時，復(fù)位不可靠；（2）當(dāng)電源電壓中有浪涌現(xiàn)象時，可能在浪涌消失后不能產(chǎn)生復(fù)位脈沖。為此，將改進(jìn)比較器重定電路，如圖9所示。這個改進(jìn)電路可以消除第一種現(xiàn)象，并減少第二種現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了徹底消除這二種現(xiàn)象，可以利用數(shù)字邏輯的方法與比較器配合，設(shè)計如圖10所示的比較器重定電路。此電路稍加改進(jìn)即可作為上電復(fù)位與看門狗復(fù)位電路共同復(fù)位的電路，大大提高了復(fù)位的可靠性。

    1.4 看門狗型復(fù)位電路

    看門狗型復(fù)位電路主要利用CPU正常工作時，定時復(fù)位計數(shù)器，使得計數(shù)器的值不超過某一值；當(dāng)CPU不能正常工作時，由于計數(shù)器不能被復(fù)位，因此其計數(shù)會超過某一值，從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使得CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)。典型應(yīng)用的Watchdog復(fù)位電路如圖11所示。此復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計，即將定時向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。一般設(shè)計，將此段程序放在定時器中斷服務(wù)子程序中。然而，有時這種設(shè)計仍然會引起程序走飛或工作不正常[3]。原因主要是：當(dāng)程序“走飛”發(fā)生時定時器初始化以及開中斷之后的話，這種“走飛”情況就有可能不能由Watchdog復(fù)位電路校正回來。因為定時器中斷一真在產(chǎn)生，即使程序不正常，Watchdog也能被正常復(fù)位。為此提出定時器加預(yù)設(shè)的設(shè)計方法。即在初始化時壓入堆棧一個地址，在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語句。在所有不被程序代碼占用的地址盡可能地用子程序返回指令RET代替。這樣，當(dāng)程序走飛后，其進(jìn)入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進(jìn)入陷阱，定時器停止工作并且關(guān)閉中斷，從而使Watchdog復(fù)位電路會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖將CPU復(fù)位。當(dāng)然這種技術(shù)用于實時性較強(qiáng)的控制或處理軟件中有一定的困難。

    2 專用復(fù)位芯片簡介（MAX813L）

    目前，在市場上有許多流行的專用復(fù)位芯片，了解它們的工作原理對電路可靠性的分析及設(shè)計至關(guān)重要。以Maxim公司生產(chǎn)的MAX813L為例，解剖專用復(fù)位芯片的一般工作原理。對于其它芯片，可根據(jù)本文所提供的四種復(fù)位電路一一對其分析即可求得結(jié)論。

    MAX813L具有上電復(fù)位、Watchdog輸出、掉電電壓監(jiān)視、手動復(fù)位四大功能。具體原理框圖如圖12所示。本文局限于討論復(fù)位電路部分及看門狗定時器部分。從圖12中可以看出，WDI（Watchdog Input）主要是作為Watchdog計數(shù)器重定用的。在1.6秒內(nèi)若CPU不觸發(fā)復(fù)位看門狗定時器，則WDO（Watchdog Output）將輸出低電平。復(fù)位電路分為手工復(fù)位與上電復(fù)位。從原理圖12中可以看出，上電復(fù)位與本文圖10所提到的電路原理相同，即用比較器產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)觸發(fā)器，以此產(chǎn)生復(fù)位信號。同時，對時基產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行定，當(dāng)復(fù)位時間達(dá)140毫秒時，Reset發(fā)生器產(chǎn)生一脈沖使復(fù)位信號無效。上電復(fù)位時，只要電壓低于4.63V，復(fù)位信號Reset就有效；當(dāng)電源電壓超過4.63V時，Reset信號仍將繼續(xù)保持140毫秒左右，以保證CPU復(fù)位可靠后無效。手動復(fù)位時，MR（Manual Reset）接地時間不小于150納秒，則可產(chǎn)生一個手動復(fù)位過程。即在復(fù)位端產(chǎn)生140毫秒的有效復(fù)位信號（高電平有效）。若將WDO端與MR連接，則可組成上電復(fù)位及看門狗復(fù)位電路。

    3 復(fù)位電路設(shè)計時的注意點

    本文所提到的各種復(fù)位電路中，微分復(fù)位電路簡單，但易引入干擾沒有監(jiān)控CPU運(yùn)行的能力；積分復(fù)位電路簡單可靠，但由于對電源電壓波動不敏感，從而有可能出現(xiàn)CPU由于電源電壓的瞬間過低而造成工作不正常的情況；比較器復(fù)位電路電路較復(fù)雜，工作可靠；Watchdog復(fù)位電路電路較復(fù)雜，工作可靠并且具有監(jiān)控CPU運(yùn)行的能力。在使用中應(yīng)根據(jù)電路板的空間、電源電壓特性、系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場等情況，綜合考慮而定。般有以下幾條可供參考：

    （1）在使用微分型復(fù)位電路并且使用穩(wěn)壓電源時，應(yīng)考慮在電容輸入端加入適當(dāng)?shù)碾姼幸詼p少負(fù)載突變而引起的干擾復(fù)位脈沖的產(chǎn)生。在電路板空間有限的情況下可以選用此復(fù)位電路。

    （2）在使用積分型復(fù)位電路時，一方面應(yīng)著重考慮上電復(fù)位時電源電壓的上升率，特別在電源電壓上升率較小時，應(yīng)考慮用較為復(fù)雜的比較型復(fù)位電路。另一方面應(yīng)考慮電路是否有降壓舉措以降低功耗，若有則應(yīng)考慮二極管的正向壓降對復(fù)位電路的影響。

    （3）在設(shè)計比較器型復(fù)位電路時，應(yīng)著重考慮電源電壓的波動性。當(dāng)系統(tǒng)工作在惡劣環(huán)境下時，外界干擾的竄入可能引起毛刺電壓，從而導(dǎo)致不正常的復(fù)位。為此有必要根據(jù)手刺電壓的峰峰值以及脈寬采取以下措施：（a）當(dāng)毛剌電壓峰峰值沒有達(dá)到電源電壓的正常值與系統(tǒng)正常工作所需最低電壓值之差時，可適當(dāng)降低比較器的復(fù)位電壓下限；（b）當(dāng)毛刺電壓峰峰值超過電源電壓的正常值與系統(tǒng)正常工作所需電壓之差時，一方面應(yīng)采取措施降低毛刺電壓，另一方面應(yīng)采用較為復(fù)雜的比較器型上電復(fù)位電路（如圖10所示）。    

    （4）在選用或自己設(shè)計Watchdog型復(fù)位電路時，應(yīng)注意輸入Watchdog的“喂狗”信號應(yīng)該是沿信號，而不是電平信號，同時應(yīng)考慮撤銷復(fù)位電壓的電源電壓值應(yīng)大于系統(tǒng)最小正常電壓值。