Reset的相关应用与设计分析

嵌入式系统的应用领域越来越广泛，干扰或者恶劣环境常影响嵌入式系统运行的稳定性和可靠性。Reset是维护系统稳定的一个关键因素，正确地设计复位电路，巧妙地应用复位操作，能使整个系统更可靠、稳定地运行。本文结合实际项目经验分析Reset的相关应用与设计，展示Reset对系统稳定性的重要性。
　　引言
　　在嵌入式系统电子设备的运行中，当出现程序跑飞的情况或程序跳转时，可用手动或自动的方法发信号给硬件特定接口，使软件的运行恢复到特定的程序段运行，这一操作就是复位（Reset）；这一过程中，手动或自动发给硬件特定接口的信号，就是复位信号。为了克服系统由于内因（时钟振荡源的稳定性）和外因（射频干扰）所引起的运行不稳定的情况，在嵌入式系统软件和硬件上，必须作相应的处理和保护。复位操作是一种行之有效的保护措施，同时复位系统本身也是引起嵌入式系统运行不稳定的因素，在设计时需特别注意。
　　本文结合笔者亲身经历的实例来说明Reset的重要性，巧妙地运用Reset使系统工作更稳定可靠。
　　1 Reset方式及手段
　　在嵌入式应用系统中，复位操作包括两个方面——处理器本身的复位和系统中外设（外接功能模块）的复位，如图1所示。
　　
　　总的说来，嵌入式复位方式主要分硬件复位和软件复位。硬件复位，即采用硬件的手段、通过硬件复位信号对系统处理器或者外设进行复位。只要在RST端出现一定时间（具体看系统和处理器的机器周期）的复位电平信号，由CPU采样复位信号，启动复位时序，即可完成复位操作。硬件复位一般包括上电复位、按键复位、电压监控复位和看门狗复位等，这些复位信号，在系统设计时可用逻辑电路组合起来加载到系统的RST端。软件复位，即通过软件手段，在软件框架里对系统复位，重新初始化系统。
　　按处理器内外来划分，又分为芯片内复位和芯片外复位。于是，硬件复位又分外部硬件复位和内部硬件复位。
　　对于硬件复位，按复位信号电平高低又可分为高电平复位和低电平复位。高电平复位是高电平有效，并在复位脉冲的下降沿完成复位过程；低电平复位是低电平有效，并在复位脉冲的上升沿完成复位。具体用什么复位信号，视嵌入式系统本身而定，但大多采用低电平复位，这与TTL的功耗有关，因为TTL电路中高电平的吸收电流要远小于低电平的吸收电流。
　　2上电复位的实现及稳定性设计
　　2.1上电复位
　　上电复位（Power On Reset，POR），即系统上电时通过复位电路，在RST引脚提供一个足够长时间的复位电平信号，直至系统电源稳定后，再撤销复位电平。在嵌入式系统中，上电复位是系统启动初始化复位，全面而系统地复位处理器内的所有逻辑单元与模块，将初始化内部逻辑操作，如存储器控制器、中断控制器和I/O引脚等的配置。
　　
　　上电复位是保证嵌入式系统正常运行的基本操作。通常处理器芯片内部自带上电复位电路，图2（a）所示为某MCU（微控制器）Reset引脚示意图，内部自带上电复位电路。MCU芯片上电时，片内POR将产生内部复位信号以初始化芯片内的数字模块，其时序如图2（b）所示。
　　有的处理器芯片通过在片外添加RC延时电路来得到上电复位信号。RC复位电路的复位脉冲宽度由芯片要求的复位时间决定，持续时间取决于RC电路参数，电容太大复位时间很长，电容太小复位时间不够，不足以稳定复位。
　　2.2上电复位失效及应对措施
　　实际工作时，由于各方面的原因，上电复位会失效。由于受到干扰、电源波动、误操作等原因，短暂的电压下降造成供电恢复时由于电压没有满足POR的发生条件，复位端的低电平复位信号无法再次启动系统重新复位工作，此时会出现系统死机；电源二次开关时间间隔太短时，复位不可靠；当电源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。这些现象尽管并不频繁，但对于某些特殊应用场景，如不能随时进行手动复位的远程自动控制系统，却是致命的。
　　出现失效时，常采用提高复位门限来应对，使复位门限位于处理器正常工作电压范围内，且接近处理器正常工作时的最低门限。另一应对措施是延长复位信号时间，让复位信号在电压值恢复后维持足够长的时间。电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防止电源开关或电源捕头分一合过程中引起的抖动影响复位。另外，为了解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题引起的POR不可靠现象，有设计人员在RC电路中增加了二极管放电回路，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，这样，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。