单片机复位电路的设计与分析

2005年6月ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICATION　June.2005文章编号:1673-1255(2005)03-0066-04

单片机复位电路的设计与分析

包国彬1,张建民1,刘　嬴2

(1.东北电子技术研究所,辽宁锦州121000;2.锦州海事局,辽宁锦州121000)

　　摘　要:分析了目前使用比较广泛的四种单片机复位电路,为微分型、积分型复位电路建立了数学模型,提出了设计复位电路应注意的问题及提高抗干扰性的措施.

关键词:单片机;电路设计;复位;

中图分类号:TN710.9　　　　文献标识码:A

DesignandAnalysisofMonolithicResetCircuit

BAOGuo-bin,ZHANGJian-min,LIUYing

1

1

2

(1.NortheastResearchInstituteofElectronicTechnology,Jinzhou121000,China;

2.MaritimeAffairsBureauofJinzhou,Jinzhou121000,China)

　　Abstract:Fourkindsofmonolithicresetcircuitsthatarewidelyusedareanalyzed,andthemathe-maticmodelsfordifferentialandintegralrestcircuitsaresetup.Theissuestobeconsideredintheresetcircuitdesignandtheanti-jammingmeasurestobeimprovedareputforward.

Keywords:monolithic;reset

　　单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域.市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机,Motorola公司的M6800系列单片机,Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机.无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计.而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性.许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的.图1是一个单片机与大功率LED八段显示器共享一个电源,并采用微分复位电路的实例.在这种情况下,系统有时会出现一些不可预料的现象,如无规律可循的“死机”、“程序走飞”等.而用仿真器调试时却无此现象发生或极少发生此现象.图2所示的单片机复位采用另外

收稿日期:2005-01-13

作者简介:包国彬(1979-),男,辽宁人,毕业于吉林大学,专业方向为电子线路.一种复位电路.在此电路的应用中,用户有时会发现在关闭电源后的短时间内再次开启电源,单

图1　单片机系统与大功率LED显示组　　共享电源原理示意图

图2　单片机积分复位电路原理示意图

第3期　　　　　　　　　　　　　包国彬等:单片机复位电路的设计与分析　　　　　　　　　　　　　　　67

片机可能会工作不正常.上述两种情况,都是由于单片机复位电路的设计不当引起的.

目前为止,单片机复位电路主要有四种类型:①微分型复位电路;②积分型复位电路;③比较器型复位电路;④看门狗型复位电路.另外,Maxim等公司也推出了专用于复位的专用芯片.

用微分复位电路,由此也将造成复位的不正常现象.具体分析如图4所示.

1　复位电路的数学模型的建立与分析

1.1　微分型复位电路

微分型复位电路如图3所示.以高电平复位为例.建立如下方程:

图4　微分电路与稳压电源、功率器件一起　　应用的示意图

　　将功率器件等效为电阻RL,其中开关特性即Rl很小或RL很大两种工作状态.负载的变化必然引电流和电压的变化:ΔRl※ΔI1※ΔUa※ΔI2※ΔUrst.为了分析简单,假设R>RL,并

且R>>R0.这样,可以把图4的电路网络近似地看作是两个网络的组合,并且网络之间的负载

图3　微分复位电路原理示意图

效应可以忽略不计.

第一个电路网络等效为一个分压电路.当RL从RLmax※RLmin时,使其变化为阶跃特性,则

(1)

UA为一个负的阶跃信号.

RLmaxUA(t)=·V(t)≥0

RLmax+R0cc

RLmin

UA(t)=·V(t)<0(3)

RLmin+R0cc

用此阶跃信号UA作为第二个电路网络(一阶微分电路)的输入,则可得下式:

Ir=I2

Urst(t)d(UA(t)-Urst(t))=CRdtdUa(t)Urst(t)dUrst(t)

=+dtRCdt解之得:

tRLminRLmax

rcUrst(t)=(-)·e(5)

RLmin+R0RLmax+R0

从式(5)可以看出,由于负载的突变和稳压

Urst(0)=U0

tUrst(t)=U0+Vcc·e-τ电源上电时,可以认为Vcc为阶跃信号.其中U0是由于下拉电阻R在CPU复位端引起的电压值,一般为0.3V以下.但在实际应用中,Vcc不可能为理想的阶跃信号.其主要原因有两点:①稳压电源的输出开关特性;②设计人员在设计电路时,为保证电源电压稳定性,往往在电源的输入端并联一个大电容,从而导致了Vcc不可能为阶跃信号特征.由于第一种情况与第二种情况在本质上是一样的,即对Vcc的上升斜率产生影响,从而影响了的Urst的复位特性.为此假设Vcc的上升斜率为k,从0～Vcc需要T时间,即:Vcc=KT

　　Urst(t)=U0+KT·e-τt

(4)

(2)

由此可见,当T<<τ时,Vcc上电时可等效为阶跃信号,复位信号良好.当T>>τ时,在复位信号结束时复位电平还没有达到所需的电压,此时复位电路的可靠性下降.

另一种情况就是设计人员将一些开关性质的功率器件,如大功率LED发光管与单片机系统共享一个稳压电源,而单片机系统的复位端采电源的稳压作用,将在复位端引入一个负脉冲,从而导致CPU工作不正常.1.2　积分型复位电路

积分型复位电路如图5所示.仍以高电平复位为例,建立如下方程:

当系统上电时,假设U(t)=At,A为常数则:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　电　技　术　应　用　　　　　　　　　　　　　　　第20卷68

C·dUc(U(t)-Uc(t))

=dtR　　Uc(t)=A(1-e

t/Rc

出针对以上现象的改进型Ⅱ积分复位电路(如图7所示).图7中,R1<)

图5　基本积分型复位电路

图7　改进型Ⅱ积分复位电路

　　当反相器正常工作后,Uc若仍能保持在输入低电平电压Vil以下,则其输出就可以为高电平;

而且如果从反相器正常工作后开始,经过不小于复位脉冲宽度的时间Tr后,Uc才能达到Vil以上,那么上电复位就能保证可靠.所以在实际应用中,设计人员常常将R、Cf的值增大以提高时间常数,并且应用具有斯密特输入的CMOS反相器以提高抗干扰性.然而此复位电路常常在两次开关电源时间间隔相对较短的情况下出现异常.这主要是由于放电回路与充电回路相同,导致放电时间常数较大,从而导致Uc电压保持在低电平时间过长.为此如图6所示的改进电路Ⅰ.

1.3　比较器型复位电路

比较器型复位电路的基本原理如图8所示.

图8　基本比较器型复位电路

　　上电复位时,由于组成了一个RC低通网络,

所以比较器的正相输入端的电压比负相端输入电压延迟一定时间.而比较器的负相端网络的时间常数远远小于正相端RC网络的时间常数,因此在正端电压还没有超过负端电压时,比较器输出低电平,经反相器后产生高电平.复位脉冲的宽度主要取决于正端电压上升的速度.由于负端电压放电回路时间常数较大,因此对电源电压的波动不敏感.但是容易产生以下2种不利现象:(1)电源两次开关间隔太短时,复位不可靠;(2)当电源

图6　改进型I积分复位电路

　　从图6可以看出放电回路的时间常数一般远远小于充电时间常数.这时,上面所提到的重复开关电源而造成上电复位不可靠的现象就可

以得到控制.然而,由于放电时间常数过短,降低了此复位电路在工作中对电源电压波动的不敏感性.例如,当电源电压有波动时,此时由于放电过快,从而有可能造成Uc低于反相器的Vil电压值,带来不必要的复位脉冲.此现象在单片机工作于Sleep方式与Active方式相互切换,而且电源输出功率又相对较弱时可能出现.为此又提电压中有浪涌现象时,可能在浪涌消失后不能产

生复位脉冲.为此,将电路进行改进,如图9所示.这个改进电路可以消除第一种现象,并减少第二种现象的产生.为了彻底消除这二种现象,可以利用数字逻辑的方法与比较器配合,设计如图10所示的进一步改进的比较器电路.此电路稍加改进即可作为上电复位与看门狗复位电路共同复位的电路,大大提高了复位的可靠性.1.4　看门狗型复位电路

看门狗型复位电路主要利用CPU正常工作时,定时复位计数器,使得计数器的值不超过某第3期　　　　　　　　　　　　　包国彬等:单片机复位电路的设计与分析　　　　　　　　　　　　　　　69

使Watchdog复位电路会产生一个复位脉冲将CPU复位.当然这种技术用于实时性较强的控制或处理软件中有一定的困难.

图9　改进型比较器复位电路

图11　看门狗型复位电路

2　专用复位芯片简介(MAX813L)

目前,在市场上有许多流行的专用复位芯片,了解它们的工作原理对电路可靠性的分析及设计至关重要.以Maxim公司生产的MAX813L

为例,解剖专用复位芯片的工作原理.对于其它芯片,可根据本文所提供的四种复位电路一一对

图10　进一步改进的比较器复位电路

一值;当CPU不能正常工作时,由于计数器不能被复位,因此其计数会超过某一值,从而产生复位脉冲,使得CPU恢复正常工作状态.典型应用的Watchdog复位电路如图11所示.此复位电路的可靠性主要取决于软件设计,即将定时向复位电路发出脉冲的程序放在何处.在一般设计中,将此段程序放在定时器中断服务子程序中.然而,有时这种设计仍然会引起程序走飞或工作不正常.原因主要是:当程序“走飞”发生时定时器初始化以及开中断之后的话,这种“走飞”情况就有可能不能由Watchdog复位电路校正回来.因为定时器中断一直在产生,即使程序不正常,Watchdog也能被正常复位.为此提出定时器加预设的设计方法.即在初始化时压入堆栈一个地址,在此地址内执行的是一条关中断和一条死循环语句.在所有不被程序代码占用的地址尽可能地用子程序返回指令RET代替.这样,当程序走飞后,其进入陷阱的可能性将大大增加.而一旦进入陷阱,定时器停止工作并且关闭中断,从而其分析即可求得结论.

MAX813L具有上电复位、Watchdog输出、掉电电压监视、手动复位四大功能.具体原理框图如图12所示.本文局限于讨论复位电路部分及看门狗定时器部分.从图12中可以看出,WDI(WatchdogInput)主要是作为Watchdog计数器重定用的.在1.6s内若CPU不触发复位看门狗定时器,则WDO(WatchdogOutput)将输出低电平.复位电路分为手工复位与上电复位.从图12中可以看出,上电复位与图10所提到的电路原理相同,即用比较器产生触发信号触发触发器,以此产生复位信号.同时,对时基产生的脉冲进行定时,当复位时间达140ms时,Reset发生器产生一个脉冲使复位信号无效.上电复位时,只要电压低于4.63V,复位信号Reset就有效;当电源电压超过4.63V时,Reset信号仍将继续保持140ms左右,以保证CPU复位可靠后无效.手动复位时,MR(ManualReset)接地时间不小于150ns,则可产生一个手动复位过程.即

(下接第74页)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　电　技　术　应　用　　　　　　　　　　　　　　　第20卷74

3　结束语

随着计算机的应用范围日益广泛,计算机软件变得日益复杂,软件产品质量是产品质量的重要内容.软件是由人开发的,人不可避免地会犯错误从而造成软件的缺陷,这些缺陷一旦在系统运行中暴露,就会造成系统危险,只有充分了解软件缺陷的特性,科学地划分软件开发阶段并对各阶段的产品进行有效评审,才能有的放矢,及时发现和消除错误,才可以确保软件的质量,以免失之毫厘,差之千里.(上接第69页)

1998.26-48

参　考　文　献

1　张海藩.软件工程导论[M].北京:清华大学出版社,2　陈逢田.软件工程大纲———软件度量指南[M].2000.

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3　GB/T11457-1995软件工程术语

4　管野文友.软件质量管理[M].张然译.北京:北京航

空学院出版社,1987.13-41

5　何国伟.软件可靠性[M].北京:国防工业出版社,

1998.10-54

少负载突变而引起的干扰复位脉冲的产生.在电路板空间有限的情况下可以选用此复位电路.

(2)在使用积分型复位电路时,一方面应着重考虑上电复位时电源电压的上升率,特别在电源电压上升率较小时,应考虑用较为复杂的比较型复位电路.另一方面应考虑电路是否有降压举措以降低功耗,若有则应考虑二极管的正向压降对复位电路的影响.

(3)在设计比较器型复位电路时,应着重考虑电源电压的波动性.当系统工作在恶劣环境下时,外界干扰的窜入可能引起毛刺电压,从而导致不正常的复位.为此有必要根据手刺电压的峰峰值

图12　MAX813L原理图

在复位端产生140ms的有效复位信号(高电平有效).若将WDO端与MR连接,则可组成上电复位及看门狗复位电路.

以及脉宽采取以下措施:(a)当毛刺电压峰峰值没有达到电源电压的正常值与系统正常工作所需最低电压值之差时,可适当降低比较器的复位电压下限;(b)当毛刺电压峰峰值超过电源电压的正常值与系统正常工作所需电压之差时,一方面应采取措施降低毛刺电压,另一方面应采用较为复杂的比较器型上电复位电路(如图10所示).(4)在选用或自己设计Watchdog型复位电路时,应注意输入Watchdog的“喂狗”信号应该是沿信号,而不是电平信号.

参　考　文　献

1　潘新民.微型计算机控制技术[M].北京:人民邮电

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2　何力民.MCS—51系列单片机应用系统设计[M].北

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3　周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:航空

航天大学出版社,2002

3　复位电路设计时的注意点

本文所提到的各种复位电路中,微分复位电路简单,但易引入干扰,没有监控CPU运行的能力;积分复位电路简单可靠,但由于对电源电压波动不敏感,从而有可能出现CPU由于电源电

压的瞬间过低而造成工作不正常的情况;比较器和Watchdog复位电路较复杂,工作可靠,后者还具有监控CPU运行的能力.在使用中应根据电路板的空间、电源电压特性、系统运行现场等情况,综合考虑选择那一种复位电路.有以下几条经验可供参考:

(1)在使用微分型复位电路并且使用稳压电源时,应考虑在电容输入端加入适当的电感以减