使用單片機實現(xiàn)復位電路的資料詳細說明

單片機現(xiàn)了“死機”、“程序跑飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機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(tǒng)有時會出現(xiàn)一些不可預料的現(xiàn)象，如無規(guī)律可循的“死機”、“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(fā)現(xiàn)在關(guān)閉電源后的短時間內(nèi)再次開啟電源，單片機可能會工作不正常。這些現(xiàn)象，都可認為是由于單片機復位電路的設計不當

影響單片機系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的因素可大體分為外因和內(nèi)因兩部分：

1、外因

射頻干擾，它是以空間電磁場的形式傳遞 在機器內(nèi)部的導體（引線或零件引腳）感生出相應的干擾，可通過電磁屏蔽和合理的布線/器件布局衰減該類干擾；

電源線或電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾，它是通過電源線或電源內(nèi)的部件耦合或直接傳導，可通過電源濾波、隔離等措施來衰減該類干擾 。

2、內(nèi)因

振蕩源的穩(wěn)定性，主要由起振時間 頻率穩(wěn)定度和占空比穩(wěn)定度決定 起振時間可由電路參數(shù)整定 穩(wěn)定度受振蕩器類型 溫度和電壓等參數(shù)影響單片機復位電路的可靠性。

二、復位電路的可靠性設計

1、基本復位電路

單片機復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖1所示的RC復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A 點）和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題 而且調(diào)整 RC 常數(shù)改變延時會令驅(qū)動能力變差。左邊的電路為高電平復位有效 右邊為低電平 Sm為手動復位開關(guān) Ch可避免高頻諧波對電路的干擾

圖1 RC復位電路

圖2所示的復位電路增加了二極管，在電源電壓瞬間下降時使電容迅速放電，一定寬度的電源毛刺也可令系統(tǒng)可靠復位。 圖3所示復位電路輸入輸出特性圖的下半部分是其特性，可與上半部比較增加放電回路的效果 單片機編程器 HPOO

圖2 增加放電回路的RC復位電路

使用比較電路，不但可以解決電源毛刺造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且電源緩慢下降也能可靠復位。圖4 是一個實例 當 VCC x （R1/（R1+R2） ） = 0.7V時，Q1截止使系統(tǒng)復位。Q1的放大作用也能改善電路的負載特性，但跳變門檻電壓 Vt 受 VCC 影響是該電路的突出缺點，使用穩(wěn)壓二極管可使 Vt 基本不受VCC影響。見圖5，當VCC低于Vt（Vz+0.7V）時電路令系統(tǒng)復位。

圖3 RC復位電路輸入-輸出特性

圖4 帶電壓監(jiān)控功能的單片機復位電路

圖5 穩(wěn)定門檻電壓

圖6 實用的復位監(jiān)控電路

在此基礎(chǔ)上，增加延時電容和放電二極管構(gòu)成性能優(yōu)良的復位電路，如圖6所示。調(diào)節(jié)C1可調(diào)整延時時間，調(diào)節(jié)R1可調(diào)整負載特性，如圖7所示上半部分是圖5電路的特性，下半部分對應圖6。

圖7 帶電壓監(jiān)控功能的復位電路的輸入-輸出特性

2、電源監(jiān)控電路

上述的帶電壓監(jiān)控的復位電路又叫電源監(jiān)控電路 監(jiān)控電路必須具備如下功能：

上電復位，保障上電時能正確地啟動系統(tǒng)；

掉電復位，當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，復位系統(tǒng)；

市面上有類似的集成產(chǎn)品，如PHILIPS半導體公司生產(chǎn)的MAX809、MAX810。此類產(chǎn)品體積小、功耗低，而且可選門檻電壓?？杀Ｕ舷到y(tǒng)在不同的異常條件下可靠地復位，防止系統(tǒng)失控。圖8中的Rm和Sm實現(xiàn)手動復位 無需該功能時可把Reset端（或/Reset）端 直接與單片機的RST端（或/RST端）相連 最大限度地簡化外圍電路 也可選擇PHILIPS半導體公司帶手動單片機復位功能的產(chǎn)品MAX708。

圖8 集成單片機復位監(jiān)控電路

此外，MAX708還可以監(jiān)視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時到復位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)送警報信號或切換后備電池等。圖9電表的應用實例 利用MAX708 電表可在電源毛刺或停電前把當前電度數(shù)保存到E2PROM中 再配合保存多個電度數(shù)備份算法，可有效解決令工程師頭疼E2PROM中的電度數(shù)掉失問題使用該電路必須選擇適當?shù)念A警電壓點，以保證靠電源的儲能供電情況下，VCC電壓從預警電壓跌到復位電壓的維持時間（tB）必須足夠長 E2PROM的寫周期約為10－20ms 一般取tB》200ms就可確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定寫入。預警電壓調(diào)整方法 當VDC等于預警電壓時調(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是該應用的程序流程圖

圖9 MAX708的典型應用 電子元件郵購

圖10. 電表應用中E2PROM數(shù)據(jù)保護程序流程圖

3. 多功能電源監(jiān)控電路

除上電復位和掉電復位外，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，當電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進行必要的保護，如寫保護、數(shù)據(jù)備份或切換后備電池；

看門狗定時器，當系統(tǒng)程序“跑飛”或“死鎖”時，復位系統(tǒng)；

其它的功能，如溫度測控、短路測試等等用這些芯片來制作單片機復位電路會得到事半功倍的效果。

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)應用。當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)生復位！同樣不需要手動復位功能時可節(jié)省Rm和Sm兩個元件。

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 被設計用在電源電壓降低或斷電時作保護微電腦系統(tǒng)中SRAM 的數(shù)據(jù)。當電源電壓下降到通常值 4.2V 時，輸出 CS 變?yōu)檫壿嫷碗娖?，?CE 也拉低，從而禁止對 SRAM 的操作。同時，產(chǎn)生一個低電平有效的復位信號，供系統(tǒng)使用，如果電源電壓繼續(xù)下降，到達通常值 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，當主電源恢復正常（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，當主電源上升至大于典型值4.2V 時 輸出 CS 變?yōu)檫壿嫺唠娖剑?CE 變?yōu)楦唠娖?，使?SRAM 的操作，復位信號一直持續(xù)到系統(tǒng)恢復正常操作為止。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系統(tǒng)在SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖12. 內(nèi)置SRAM數(shù)據(jù)保護電路的監(jiān)控器件SA56600-42的典型應用 單片機編程器 HPOO

4. ARM 單片機復位電路設計

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 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)標準。由于 ARM 高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低 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的問題。ARM的應用工程師，切記少走彎路！

圖13. 用PHILIPS MAX708實現(xiàn)的ARM復位電路 單片機學習 HPOO

圖13 是實用可靠的 ARM 復位電路。ARM 內(nèi)核的工作電壓較低。R1 可保證電壓低于 MAX708 的工作電源還能可靠復位。其中 TRST 信號是給 JTAG 接口用的。使用 HC125 可實現(xiàn)多種復位源對 ARM 復位，如通過PC機串口或JTAG接口復位ARM

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本站還介紹如下單片機復位電路

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(shù)器，使得計數(shù)器的值不超過某一值；當CPU不能正常工作時，由于計數(shù)器不能被復位，因此其計數(shù)會超過某一值，從而產(chǎn)生復位脈沖，使得CPU恢復正常工作狀態(tài)。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(fā)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(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(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(guān)閉中斷，從而使Watchdog復位電路會產(chǎn)生一個復位脈沖將CPU復位。當然這種技術(shù)用于實時性較強的控制或處理軟件中有一定的困難。

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1 比較器型復位電路

比較器型單片機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(wǎng)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(wǎng)絡的時間常數(shù)遠遠小于正相端RC網(wǎng)絡的時間常數(shù)，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(jīng)反相器后產(chǎn)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(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，復位不可靠；（2）當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(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。

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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(jiān)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(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(jiān)控CPU運行的能力。在使用中應根據(jù)電路板的空間、電源電壓特性、系統(tǒng)運行現(xiàn)場等情況，綜合考慮而定。般有以下幾條可供參考：

（1）在使用微分型復位電路并且使用穩(wěn)壓電源時，應考慮在電容輸入端加入適當?shù)碾姼幸詼p少負載突變而引起的干擾復位脈沖的產(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(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，從而導致不正常的復位。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）當毛剌電壓峰峰值沒有達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(tǒng)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(tǒng)最小正常電壓值。