單片機復位電路分析

摘要：總結了目前使用比較廣泛的四種單片機復位電路，為微分型、積分型復位電路建立了數學模型，并比較了它們在使用中的可靠性，同時介紹了專用復位芯片。最后提出了設計復位電路應注意的問題及提高抗干擾性的措施。   

    關鍵詞：復位 死機 可靠性    

    單片機目前已被廣泛地應用于家電、醫療、儀器儀表、工業自動化、航空航天等領域。市場上比較流行的單片機種類主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列單片機，Motorola公司的M6800系列單片機，Intel公司的MCS96系列單片機以及Microchip公司的PIC系列單片機。無論用戶使用哪種類型的單片機，總要涉及到單片機復位電路的設計。而單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統，并在實驗室調試成功后，在現場卻出現了“死機”、“程序走飛”等現象，這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。圖1是一個單片機與大功率LED八段顯示器共享一個電源，并采用微分復位電路的實例。在這種情況下，系統有時會出現一些不可預料的現象，如無規律可循的“死機”、“程序走飛”等。而用仿真器調試時卻無此現象發生或極少發生此現象。又如圖2所示，在此圖中單片機復位采用另外一種復位電路。在此電路的應用中，用戶有時會發現在關閉電源后的短時間內再次開啟電源，單片機可能會工作不正常。這些現象，都可認為是由于單片機復位電路的設計不當引起的。

    目前為止，單片機復位電路主要有四種類型：（1）微分型復位電路；（2）積分型復位電路；（3）比較器型復位電路；（4）看門狗型復位電路。另外，Maxim等公司也推出了專用于復位的專用芯片[1]。

    1 復位電路的數學模型及可靠性分析

    1.1 微分型復位電路

    微分型復位電路的等效電路如圖3所示。以高電平復位為例。建立如下方程：

    電源上電時，可以認為Us為階躍信號，即

    。其中U0是由于下拉電阻R在CPU復位端引起的電壓值，一般為0.3V以下。但在實際應用中，Us不可能為理想的階躍信號。其主要原因有兩點：（1）穩壓電源的輸出開關特性；（2）設計人員在設計電路時，為保證電源電壓穩定性，往往在電源的輸入端并聯一個大電容，從而導致了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上是一樣的，即對Us的上升斜率產生影響，從而影響了的URST的復位特性。為此假Us的上升斜率為k，從0V～Us需要T時間，即：

    當T<<τ時，Us上電時可等效為階躍信號。與前相同，當T>>τ時，令A=T/τ，則：

    即此時的復位可靠性較前面的好。

    另一種情況就是設計人員將一些開關性質的功率器件，如大功率LED發不管與單片機系統共享一個穩壓電源，而單片機系統的復位端采用微分復位電路，由此也將造成復位的不正常現象。具體分析如圖4所示。

    將器件等效為電阻RL，其中開關特性即RL很小或RL很大兩種工作狀態。而穩壓電源的基本工作原理是：ΔRL→ΔI→ΔU→-ΔI→-ΔU。從中可以看出，負載的變化必然引電流的變化。為了分析簡單，假設R>RL，并且R>>R0.這樣，可以近似地鈄以上電路網絡看作兩個網絡的組合，并且網絡之間的負載效應可以忽略不計。

    第一個電路網絡等效為一個分壓電路。當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絡，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，由于負載的突變和穩壓電源的穩壓作用，將在復位端引入一個類脈沖，從而導致CPU工作不正常。

    1.2 積分型復位電路

    此電路的等效電路如圖5所示。仍以高電平復位為例，同樣可以建立如下方程：

    當系統上電時，假設Us(t)=AU（t）為階躍函數，U0=0，則：

    當反相器正常工作后，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，經過不小于復位脈沖寬度的時間TR后，Uc才能達到VIL以上，那么上電復位就能保證可靠。所以在實際應用中，設計人員常常將R、CF的值增大以提高時間常數，并且應用具有斯密特輸入的CMOS反相器以提高抗干擾性。然而此復位電路常常在二次電源開關相對較短的時間間隔情況下出現異常。這主要是由于放電回路與充電回路相同，導致放電時間常數較大，從而導致UC電壓下降過度。為此有文獻[2]介紹如圖6所示的改進電路。

    從圖6可以看出放電回路的時間常數一般遠遠小于充電時間常數。這時，上面所提到的重復開關電源而造成上電復位不可靠的現象就可以得到控制。然而，由于放電時間常數過短，降低了此復位電路在工作中對電源電壓波動的不敏感性。例如，當電源電壓有波動時，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，帶來不必要的復位脈沖。此現象在單片機工作于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。為此提出針對以上現象的改進積分型復位電路（如圖7所示）。圖7中，R1<

    1.3 比較器型復位電路

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

    1.4 看門狗型復位電路

    看門狗型復位電路主要利用CPU正常工作時，定時復位計數器，使得計數器的值不超過某一值；當CPU不能正常工作時，由于計數器不能被復位，因此其計數會超過某一值，從而產生復位脈沖，使得CPU恢復正常工作狀態。典型應用的Watchdog復位電路如圖11所示。此復位電路的可靠性主要取決于軟件設計，即將定時向復位電路發出脈沖的程序放在何處。一般設計，將此段程序放在定時器中斷服務子程序中。然而，有時這種設計仍然會引起程序走飛或工作不正常[3]。原因主要是：當程序“走飛”發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復位電路校正回來。因為定時器中斷一真在產生，即使程序不正常，Watchdog也能被正常復位。為此提出定時器加預設的設計方法。即在初始化時壓入堆棧一個地址，在此地址內執行的是一條關中斷和一條死循環語句。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，當程序走飛后，其進入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進入陷阱，定時器停止工作并且關閉中斷，從而使Watchdog復位電路會產生一個復位脈沖將CPU復位。當然這種技術用于實時性較強的控制或處理軟件中有一定的困難。

    2 專用復位芯片簡介（MAX813L）

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

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

    3 復位電路設計時的注意點

    本文所提到的各種復位電路中，微分復位電路簡單，但易引入干擾沒有監控CPU運行的能力；積分復位電路簡單可靠，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；比較器復位電路電路較復雜，工作可靠；Watchdog復位電路電路較復雜，工作可靠并且具有監控CPU運行的能力。在使用中應根據電路板的空間、電源電壓特性、系統運行現場等情況，綜合考慮而定。般有以下幾條可供參考：

    （1）在使用微分型復位電路并且使用穩壓電源時，應考慮在電容輸入端加入適當的電感以減少負載突變而引起的干擾復位脈沖的產生。在電路板空間有限的情況下可以選用此復位電路。

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

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

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