80C51上電復位和復位延時(shí)的時(shí)序分析

1 上電復位時(shí)序

在單片機及其應用電路每次上電的過(guò)程中，由于電源同路中通常存在一些容量大小不等的濾波電容，使得單片機芯片在其電源引腳VCC和VSS之間所感受到的電源電壓值VDD，是從低到高逐漸上升的。該過(guò)程所持續的時(shí)間一般為1～100ms(記作tsddrise)。上電延時(shí)taddrise的定義是電源電壓從lO％VDD上升到90％VDD所需的時(shí)間，如圖1所示。

在單片機電源電壓上升到適合內部振蕩電路運行的范圍并且穩定下來(lái)之后，時(shí)鐘振蕩器開(kāi)始了啟動(dòng)過(guò)程(具體包括偏置、起振、鎖定和穩定幾個(gè)過(guò)程)。該過(guò)程所持續的時(shí)間一般為1～50 ms(記作tOSC)。起振延時(shí)tOSC的定義是時(shí)鐘振蕩器輸出信號的高電平達到Vih1所需的時(shí)間。從圖1所示的實(shí)際測量圖中也可以看得很清楚。這里的Vih1是單片機電氣特性中的一個(gè)普通參數，代表XTALl和RST引腳上的輸入邏輯高電平。例如，對于常見(jiàn)的單片機型號AT89C5l和AT89S5l，廠(chǎng)家給出的Vih1值為0．7VDD～VDD+0．5V。

從理論上講，單片機每次上電復位所需的最短延時(shí)應該不小于treset。這里，treset等于上電延時(shí)taddrise與起振延時(shí)tOSC之和，如圖1所示。從實(shí)際上講，延遲一個(gè)treset往往還不夠，不能夠保障單片機有--一個(gè)良好的工作開(kāi)端。

在單片機每次初始加電時(shí)，首先投入工作的功能部件是復位電路。復位電路把單片機鎖定在復位狀態(tài)上并且維持一個(gè)延時(shí)(記作TRST)，以便給予電源電壓從上升到穩定的一個(gè)等待時(shí)間；在電源電壓穩定之后，再插入一個(gè)延時(shí)，給予時(shí)鐘振蕩器從起振到穩定的一個(gè)等待時(shí)間；在單片機開(kāi)始進(jìn)入運行狀態(tài)之前，還要至少推遲2個(gè)機器周期的延時(shí)，如圖2所示。

2 上電復位電路3款

上述一系列的延時(shí)，都是利用在單片機RST引腳上外接一個(gè)RC支路的充電時(shí)間而形成的。典型復位電路如圖3(a)所示，其中的阻容值是原始手冊中提供的。在經(jīng)歷了一系列延時(shí)之后，單片機才開(kāi)始按照時(shí)鐘源的工作頻率，進(jìn)入到正常的程序運行狀態(tài)。從圖2所示的實(shí)測曲線(xiàn)中可以同時(shí)看到4條曲線(xiàn)：VDD、Vrst、XTAL2和ALE。在電源電壓以及振蕩器輸出信號穩定之后，又等待了一段較長(cháng)的延時(shí)才釋放RST信號，使得CPU脫離復位鎖定狀態(tài)；而RST信號一旦被釋放，立刻在A(yíng)LE引腳上就可檢測到持續的脈沖信號。

由于標準80C51的復位邏輯相對簡(jiǎn)單，復位源只有RST一個(gè)(相對新型單片機來(lái)說(shuō)，復位源比較單一)，因此各種原因所導致的復位活動(dòng)以及復位狀態(tài)的進(jìn)入，都要依靠在外接引腳RST上施加一定時(shí)間寬度的高電平信號來(lái)實(shí)現。

標準80C5l不僅復位源比較單一，而且還沒(méi)有設計內部上電復位的延時(shí)功能，因此必須借助于外接阻容支路來(lái)增加延時(shí)環(huán)節，如圖3(a)所示。其實(shí)，外接電阻R還是可以省略的，理由是一些CMOS單片機芯片內部存在一個(gè)現成的下拉電阻Rrst。例如，AT89系列的Rrst阻值約為50～200kΩ；P89V51Rx2系列的Rrst阻值約為40～225 kΩ，如圖4所示。因此，在圖3(a)基礎上，上電復位延時(shí)電路還可以精簡(jiǎn)為圖3(b)所示的簡(jiǎn)化電路(其中電容C的容量也相應減小了)。

在每次單片機斷電之后，須使延時(shí)電容C上的電荷立刻放掉，以便為隨后可能在很短的時(shí)間內再次加電作好準備。否則，在斷電后C還沒(méi)有充分放電的情況下，如果很快又加電，那么RC支路就失去了它應有的延遲功能。因此，在圖3(a)的基礎上添加一個(gè)放電二極管D，上電復位延時(shí)電路就變成了如圖3(c)所示的改進(jìn)電路。也就是說(shuō)，只有RC支路的充電過(guò)程對電路是有用的，放電過(guò)程不僅無(wú)用，而且會(huì )帶來(lái)潛在的危害。于是附加一個(gè)放電二極管D來(lái)大力縮短放電持續時(shí)間，以便消除隱患。二極管D只有在單片機斷電的瞬間(即VCC趨近于0V，可以看作VCC對地短路)正向導通，平時(shí)一直處于反偏截止狀態(tài)。

3 上電復位失敗的2種案例分析

假如上電復位延遲時(shí)間不夠或者根本沒(méi)有延時(shí)過(guò)程，則單片機可能面臨以下2種危險，從而導致CPU開(kāi)始執行程序時(shí)沒(méi)有一個(gè)良好的初始化，甚至陷入錯亂狀態(tài)。

①在時(shí)鐘振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖還沒(méi)有穩定，甚至還沒(méi)有起振之前，就因釋放RST信號的鎖定狀態(tài)而放縱CPU開(kāi)始執行程序。這將會(huì )導致程序計數器PC中首次抓取的地址碼很可能是0000H之外的隨機值，進(jìn)而引導CPU陷入混亂狀態(tài)。參考圖5所示的實(shí)測信號曲線(xiàn)。

②在電源電壓還沒(méi)有上升到合適范圍之前(自然也是時(shí)鐘尚未穩定之前)，就釋放RST信號的鎖定狀態(tài)，將會(huì )使單片機永遠感受不到復位信號、經(jīng)歷不到復位過(guò)程、包含PC在內的各個(gè)SFR內容沒(méi)有被初始化而保留了隨機值，從而導致CPU從一個(gè)隨機地址開(kāi)始執行程序，進(jìn)而也陷入混亂狀態(tài)。參考圖6所示的實(shí)測信號曲線(xiàn)。

4 外接監控器MAX810x

為了提高單片機應用系統的穩定性，以及保障單片機應用系統的可靠復位，許多世界著(zhù)名的半導體公司，陸續推出了種類(lèi)繁多、功能各異、封裝微小的專(zhuān)用集成電路。本文僅以帶有電源電壓跌落復位和上電延遲復位功能的3腳芯片MAX810x為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明。

MAX810x(x=L、M、J、T、S或R)是美國Maxim公司研制的一組CMOS電源監控電路，能夠為低功耗微控制器MCU(或μC)、微處理器MPU(或μP)或數字系統監視3～5V的電源電壓。在電源上電、斷電和跌落期間產(chǎn)生脈寬不低于140ms的復位脈沖。與采用分立元件或通用芯片構成的欠壓檢測電路相比，將電壓檢測和復位延時(shí)等功能集成到一片3引腳封裝的小芯片內，大大降低了系統電路的復雜性，減少了元器件的數量，顯著(zhù)提高了系統可靠性和精確度。應用電路如圖7所示。

MAX810x系列產(chǎn)品提供高電平復位信號，并且還能提供6種固定的檢測門(mén)限(4．63V、4．38V、4．OOV、3．08V、2．93V和2．63V)。例如，MAX810M的檢測門(mén)限電壓就是4．38V，回差電壓約為O．16V。

對于MAX810，在電源上電、斷電或跌落期間，只要VCC還高于1．1V，就能保證RESET引腳輸出高電壓。在VCC上升期問(wèn)RESET維持高電平，直到電源電壓升至復位門(mén)限以上。在超過(guò)此門(mén)限后，內部定時(shí)器大約再維持240 ms后釋放RESET，使其返回低電平。無(wú)論何時(shí)只要電源電壓降低到復位門(mén)限以下(即電源跌落)，RESET引腳就會(huì )立刻變高。