節電設計中掉電狀態(tài)MCU的復位喚醒速度

0 前言

在MCU的節電措施中，除了降低工作頻率與工作電壓以外，剩下的就是如何選擇MCU的節電模式了。由于節電的機理是設法停掉片內一部分電路的工作，因此節電效果最好的是片內電路全停的掉電方式。以MCS51系列的AT89C2051為例，其休閑方式（CPU凍結，但振蕩器、中斷、定時(shí)器與串行口等仍繼續運行）的耗電約為850uA，而掉電方式（片內所有電路均停止工作，僅保持I/O端口引腳狀態(tài)和片內RAM內容不變）的耗電僅為1uA不到。顯然，對于那些正常運行中存在等待狀態(tài)的MCU應用項目來(lái)說(shuō)，應當盡可能地選擇這種掉電方式來(lái)作節電設計。但由于掉電狀態(tài)下MCU片內的時(shí)鐘和中斷系統均不工作，所以無(wú)法以片外中斷方式喚醒片內的CPU，而只能以復位方式予以喚醒。然而實(shí)際應用需求往往對MCU的喚醒速度有所要求，而在一般概念中MCU的復位速度是很慢的（如上電復位），且相關(guān)的數據手冊和應用資料均未對此給出明確清晰的說(shuō)明，因此MCU掉電時(shí)的復位喚醒速度便成了能否采用這種節電方式的關(guān)鍵所在。為此，有必要從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行探討并尋求相關(guān)答案。

1 MCU的復位方式及其特點(diǎn)

一般說(shuō)來(lái)，MCU的復位操作通?？煞譃樯想姀臀?、手動(dòng)復位、看門(mén)狗復位、失電復位、以及節電方式下的掉電復位。根據這些復位操作發(fā)生時(shí)的系統狀態(tài)又可將它們歸為三類(lèi)：上電復位、運行復位、掉電復位。下面分別對這三類(lèi)復位操作及其特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

1．1 上電復位

上電復位幾乎是所有MCU應用系統都在使用的啟動(dòng)方式，它是指系統加電開(kāi)始運行時(shí)的自動(dòng)復位，一般是在電源上升穩定后利用模擬或數字的延時(shí)環(huán)節給MCU提供一定時(shí)間進(jìn)行片內復位操作。常見(jiàn)的復位電路有片外RC延時(shí)電路[1]和片內復位定時(shí)器等[5]。

對于該上電復位操作所需的時(shí)間，一般的MCU數據手冊都給出了相應的說(shuō)明。以Intel公司的MCS51 PDF文檔為例[1] ：①振蕩器起振到穩定的時(shí)間大約為1ms～10ms，(即10MHz的晶振為1ms，1MHZ的晶振為10ms)；②為確?？煽繌臀?，RST引腳上的高電平必須保持到振蕩器起振再加兩個(gè)機器周期；③上電時(shí)VCC必須在10ms左右的時(shí)間內完成其上升。

以上三點(diǎn)說(shuō)明給人的印象是上電復位所需的時(shí)間是很長(cháng)的，而且很容易造成這樣的錯覺(jué)：上電復位所需時(shí)間=電源上升時(shí)間+振蕩器起振時(shí)間+片內初態(tài)建立時(shí)間。這也影響了某些文獻關(guān)于上電復位時(shí)間的相關(guān)論述[3][4]。也正因為如此，在實(shí)際設計中為了確?？煽繌臀?，設計者通常都把片外復位電路的RC數值取得較大（文獻[1]的推薦值是8.2K與10uF）。

然而事實(shí)并非如此。圖一給出了AT89C51的一個(gè)測試實(shí)例：當電源電壓上升到2V左右時(shí)振蕩器開(kāi)始起振（此時(shí)距電源上升起點(diǎn)約1ms），爾后其振蕩幅度基本上跟隨電源電壓逐步攀升，直至2.3ms時(shí)兩者均達最大（VCC=5V，Vx2≈5Vpp）；與此同時(shí)，復位時(shí)片內初態(tài)的設置操作將I/O引腳（圖一中P1.4）電平抬高發(fā)生在VCC上升到50％時(shí)，此后若將RST引腳的高電平拉低，MCU將立即開(kāi)始執行程序，而不必等到振蕩器振幅達到最大。（以上兩個(gè)時(shí)間參數系指振蕩器的片外定時(shí)元件為4MHz陶瓷諧振器）。

圖一AT89C51上電復位時(shí)的起振時(shí)序

由此可以得出這樣的結論：上電時(shí)的復位操作（初態(tài)設置+振蕩器起振）在電源電壓上升到其50％時(shí)便可完成，而不是在片內振蕩器振幅穩定的兩個(gè)機器周期之后（即片內初態(tài)的建立并不依賴(lài)于片內振蕩器的狀態(tài)）。此后RST引腳的電平是否變低決定了MCU何時(shí)開(kāi)始取指執行。但為避免在電源電壓不足時(shí)倉促執行程序可能對片外帶來(lái)的意外結果，復位信號還是應當持續到電源電壓上升結束時(shí)方可撤除。從這一點(diǎn)出發(fā)可以認為，上電復位所需時(shí)間完全取決于電源電壓的上升時(shí)間。由于此處電源電壓上升的實(shí)測時(shí)間為2.3ms，因而可以確定文獻[1]的推薦值選得過(guò)大（8.2k×10uF=82ms），會(huì )使上電開(kāi)機時(shí)間拖得太長(cháng)。

1．2 運行復位

運行復位是指系統異常時(shí)的手動(dòng)復位、程序跑飛時(shí)的看門(mén)狗復位、電源電壓下降時(shí)的失電復位等。它們的共同點(diǎn)是片內振蕩器及其它電路都在正常運行，CPU正在執行程序。

由文獻[1]中相關(guān)的運行復位時(shí)序圖可知，此時(shí)提供給MCU的RST引腳上的復位信號必須不小于兩個(gè)機器周期。這是因為MCU每個(gè)機器周期只對片外的 RST引腳采樣一次。為了避免RST引腳上的干擾信號導致復位的誤動(dòng)作，必須連續采樣到兩次有效的片外RST復位信號，MCU才會(huì )啟動(dòng)片內的復位流程，使片內的RESET信號有效（直到此時(shí)片外的RST信號方可撤去），并以此片內RESET信號去設置片內各部件的初始狀態(tài)以及控制隨后的取指執行?？紤]到送達片外RST引腳上的復位信號有可能正好發(fā)生在一次片內采樣之后，所以為實(shí)現運行時(shí)的可靠復位RST引腳上的復位信號至少得維持2個(gè)機器周期。

1．3 掉電復位

掉電復位是指MCU處于節電的掉電狀態(tài)下以復位方式將其喚醒重新執行指令的操作。掉電后MCU片內的所有電路均已停止工作，但其片內RAM內容和各端口引腳的狀態(tài)保持不變，而且MCU的供電電壓也大都保持不變（也有少數應用中將掉電狀態(tài)下的MCU供電電壓降為2V以求最大限度的節電）。這種情況下的復位操作與上電復位所實(shí)現的目標是相同的：振蕩器起振并穩定、片內相關(guān)部件建立初態(tài)。但與上電復位不同的是：MCU的工作電壓仍然存在。