剖析單片機(jī)各種復(fù)位電路原理

在上電或復(fù)位過(guò)程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無(wú)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(jì)。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后,在現(xiàn)場(chǎng)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(jì)不可靠引起的。

復(fù)位電路的工作原理

在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動(dòng)的時(shí)候復(fù)位一次，當(dāng)按鍵按下的時(shí)候系統(tǒng)再次復(fù)位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會(huì)復(fù)位。所以可以通過(guò)按鍵的斷開(kāi)和閉合在運(yùn)行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。

** 開(kāi)機(jī)的時(shí)候?yàn)槭裁礊閺?fù)位**

在電路圖中，電容的的大小是10uf，電阻的大小是10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機(jī)的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時(shí)間是10K*10UF=0.1S。也就是說(shuō)在電腦啟動(dòng)的0.1S內(nèi)，電容兩端的電壓是在03.5V增加。這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為從51.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1S內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V~1.5V。在5V正常工作的51單片機(jī)中小于1.5V的電壓信號(hào)為低電平信號(hào)，而大于1.5V的電壓信號(hào)為高電平信號(hào)。所以在開(kāi)機(jī)0.1S內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（RST引腳接收到的高電平信號(hào)時(shí)間為0.1S左右）。

按鍵按下的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)復(fù)位

在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

基本的復(fù)位方式

單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。

單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。

1、手動(dòng)按鈕復(fù)位

手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平（圖1）。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則Vcc的+5V電平就會(huì)直接加到RST端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。

圖1

圖2

2、上電復(fù)位

AT89C51的上電復(fù)位電路如圖2所示，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個(gè)電阻到地即可。對(duì)于CMOS型單片機(jī)，由于在RST端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1μF。

上電復(fù)位的工作過(guò)程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加給RST端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著Vcc對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

上電時(shí)，Vcc的上升時(shí)間約為10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時(shí)間為1ms；

晶振頻率為1MHz，起振時(shí)間則為10ms。

在圖2的復(fù)位電路中，當(dāng)Vcc掉電時(shí)，必然會(huì)使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。

另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器PC將得不到一個(gè)合適的初值，因此，CPU可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開(kāi)始執(zhí)行程序。

3、積分型上電復(fù)位

常用的上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位電路如圖3所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門(mén)的作用，使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵K后松開(kāi)，也能使RST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位的操作。根據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，下面給出這種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。圖3中：C：＝1uF，Rl＝lk，R2＝10k

圖3積分型上電復(fù)位電路

專用芯片復(fù)位電路：

上電復(fù)位電路在控制系統(tǒng)中的作用是啟動(dòng)單片機(jī)開(kāi)始工作。但在電源上電以及在正常工作時(shí)電壓異?；蚋蓴_時(shí)，電源會(huì)有一些不穩(wěn)定的因素，為單片機(jī)工作的穩(wěn)定性可能帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

因此，在電源上電時(shí)延時(shí)輸出給芯片輸出一復(fù)位信號(hào)。上復(fù)位電路另一個(gè)作用是，監(jiān)視正常工作時(shí)電源電壓。若電源有異常則會(huì)進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位。

復(fù)位輸出腳輸出低電平需要持續(xù)三個(gè)(12/fcs)或者更多的指令周期，復(fù)位程序開(kāi)始初始化芯片內(nèi)部的初始狀態(tài)。等待接受輸入信號(hào)（若如遙控器的信號(hào)等）。

圖4上電復(fù)位電路原理圖

上電復(fù)位電路原理分析

5V電源通過(guò)MC34064的2腳輸入，1腳便可輸出一個(gè)上升沿，觸發(fā)芯片的復(fù)位腳。電解電容C13是調(diào)節(jié)復(fù)位延時(shí)時(shí)間的。當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)，電解電容C13上的殘留電荷通過(guò)D13和MC34064內(nèi)部電路構(gòu)成回路，釋放掉電荷。以備下次復(fù)位啟用。

四、上電復(fù)位電路的關(guān)鍵性器件

關(guān)鍵性器件有：MC34064。

圖5內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

輸入輸出特性曲線：

上電復(fù)位電路關(guān)鍵點(diǎn)電氣參數(shù)

MC34064的輸出腳1腳的輸出(穩(wěn)定之后的輸出)如下圖所示：

三極管欠壓復(fù)位電路

欠壓復(fù)位電路工作原理（圖6）w接通電源，＋5V電壓從“0V”開(kāi)始上升，在升至3.6V之前，穩(wěn)壓二極管DH03都處于截止?fàn)顟B(tài)，QH01(PNP管)也處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)復(fù)位電壓輸出。w當(dāng)＋5V電源電壓高于3.6V以后，穩(wěn)壓二極管DH03反向擊穿，將其兩端電壓“箝位”于3.6V。當(dāng)＋5V電源電壓高于4.3V以后，QH01開(kāi)始導(dǎo)通，復(fù)位電壓開(kāi)始形成，當(dāng)＋5V電源電壓接近＋5V時(shí)，QH01已經(jīng)飽和導(dǎo)通，復(fù)位電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6欠壓復(fù)位電路圖

看門(mén)狗型復(fù)位電路

看門(mén)狗型復(fù)位電路主要利用CPU正常工作時(shí),定時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器,使得計(jì)數(shù)器的值不超過(guò)某一值;當(dāng)CPU不能正常工作時(shí),由于計(jì)數(shù)器不能被復(fù)位,因此其計(jì)數(shù)會(huì)超過(guò)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7所示。

此復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計(jì),即將定時(shí)向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。一般設(shè)計(jì),將此段程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中。然而,有時(shí)這種設(shè)計(jì)仍然會(huì)引起程序走飛或工作不正常。

原因主要是：

當(dāng)程序“走飛”發(fā)生時(shí)定時(shí)器初始化以及開(kāi)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(lái)。因?yàn)槎〞r(shí)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(shí)器加預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)方法。

即在初始化時(shí)壓入堆棧一個(gè)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(yǔ)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(shí)器停止工作并且關(guān)閉中斷,從而使Watchdog復(fù)位電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖將CPU復(fù)位。

當(dāng)然這種技術(shù)用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制或處理軟件中有一定的困難

圖7看門(mén)狗型復(fù)位電路

**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(shí),由于組成了一個(gè)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(shí)間。而比較器的負(fù)相端網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正相端RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù),因此在正端電壓還沒(méi)有超過(guò)負(fù)端電壓時(shí),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(shí)間常數(shù)較大,因此對(duì)電源電壓的波動(dòng)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(kāi)關(guān)間隔太短時(shí),復(fù)位不可靠;

（2）當(dāng)電源電壓中有浪涌現(xiàn)象時(shí),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(gè)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(jì)如圖9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(mén)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。

圖8比較器型復(fù)位電路

圖9改進(jìn)型比較器型復(fù)位電路