单片机复位电路分析

1、单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。时钟电路：8031 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。图中，电容器Col，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值 为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号

2、比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图所示。由上图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。基本时序单位：单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2 分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或1

3、2个振荡周期。1个到4个机器周期 确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8031 单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1 个到 4 个机器周期之间。4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。下面是单片机外接晶振频率 12MHZ 时的各种时序单位的大小：振荡周期= 1/fosc=1/12MHZ=复位电路：当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和

4、上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图A中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图（A）中右图所示。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复 位。常用的上电或开关复位电路如上图（B）所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持 -1续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位

5、的操作。根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。上图(A)中：Cl = 10-30uF, Rl = lkO上图 1. 27(B)中：C：=1uF, Rl = lkO, R2 = 10k0单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC = OOOOH，这表明程序从0000H地 址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值,见下表。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的韧始化部分是十分必要的。

6、说明：表中符号*为随机状态；A = 00H，表明累加器已被清零；特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUF不定ip*00000BSCON00HIE0*00000Bpcon0*BPSW = OOH,表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP = 07H,表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内 容写入到08H单元中；Po-P3 = FFH，表明已向各端口线写入1,此时，各端口既可用于输入又可用于

7、输出；IP=XXX00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE = 0XX00000B，表明各个中断均被关断；系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，（在特殊寄存器介绍时再做详细说明）至于内部RAM内部的数据则不变。影响单片机系统运

8、行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分:1、外因射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰；电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰2、内因振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数影响复位电路的可靠性。二、复位电路的可靠性设计1、基本复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延

9、时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图1所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图3为其输入-输出特性。但解决不了电源毛刺(A点)和电源缓慢下降(电池电压不足)等问题而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差。左边的电路为高电平复位有效右边为低电平Sm为手动复位开关Ch可避免高频谐波对电路的干扰图 1 RC 复位电路图 2 所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。图 3 所示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部比较增加放电回路的效果图2增加放电回路的RC复位电路使用比较电路，不

10、但可以解决电源毛刺造成系统不稳定，而且电源缓慢下降也能可靠复位图 4 是一个实例当VCC x (R1/(R1+R2)=时，Q1截止使系统复位。Q1的放大作用也能改善电路的负载特性，但跳变门槛电压 Vt 受 VCC 影响是该电路的突出缺点，使用稳压二极管可使 Vt 基本不受VCC影响。见图5,当VCC低于Vt(Vz+时电路令系统复位。图3 RC复位电路输入-输出特性图4 带电压监控功能的复位电路图5 稳定门槛电压图6 实用的复位监控电路在此基础上，增加延时电容和放电二极管构成性能优良的复位电路，如图6所示。调节C1可 调整延时时间，调节R1可调整负载特性，如图7所示上半部分是图5电路的特性，下半

11、部分对 应图 6。图7 带电压监控功能的复位电路的输入-输出特性2、电源监控电路上述的带电压监控的复位电路又叫电源监控电路监控电路必须具备如下功能：上电复位，保障上电时能正确地启动系统；掉电复位，当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统；市面上有类似的集成产品，如PHILIPS半导体公司生产的MAX809、MAX810。此类产品体积小、功耗低，而且可选门槛电压。可保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控。图8中的Rm和Sm实现手动复位无需该功能时可把Reset端（或/Reset ）端直接与单片机的RST端（或/RST端）相连最大限度地简化外围电路也可选择PHILIPS半导体公司

12、带手动复位功能的产品MAX708。图8 集成复位监控电路此外，MAX708还可以监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能，利用此功能，系统可在电源跌落时到复位前执行某些安全操作，保存参数，发送警报信号或切换后备电池等。图9电表的应用实例利用MAX708电表可在电源毛刺或停电前把当前电度数保存到E2PROM中再配合保存多个电度数备份算法，可有效解决令工程师头疼E2PROM中的电度数掉失问题使用该电路必须选择适当的预警电压点，以保证靠电源的储能供电情况下，VCC电压从预警电压跌到复位电压的维持时间（tB）必须足够长E2PROM的写周期约为1020ms 般取tB200ms就可确保数据稳定写

13、入。预警电压调整方法当VDC等于预警电压时调整R1和R2使PFI的电压为 此时可检测/PFO来确认内部的电压比较器是否动作，调整时必须注意此比较器是窗口比较器。图 10是该应用的程序流程图图9 MAX708的典型应用图10.电表应用中E2PROM数据保护程序流程图多功能电源监控电路除上电复位和掉电复位外，很多监控电路集成了系统所需的功能，如：电源测控，供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理；数据保护，当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如写保护、数据备份或切换后备电池；看门狗定时器，当系统程序“跑飞”或“死锁”时，复位系统；其它的功能，如温度测控、短路测试

14、等等。我们把其称作多功能电源监控电路。下面介绍两款特别适合在工控、安防、金融行业中广泛应用多功能的监控电路 :Catalyst 公司的 CAT1161 是一个集成了开门狗、电压监控和复位电路的 16K 位 E2PROM（I2C接口）不但集成度高、功耗低（E2PR0M部分静态时真正实现零功耗）而且清看门狗是通过改变SDA的电平实现的，节省系统I/O资源，其门槛电压可通过编程器修改，该修改范围覆盖绝大多数应用。当电源下降到门槛电压以下时硬件禁止访问 E2PROM 确保数据安全。使用时注意的是 RST， /RST 引脚是 I/O 脚， CAT1161 检测到两引脚中任何一个电压异常都会产生复位信号，

15、与 RST /RST 引脚相连的下拉电阻 R2 和上拉电阻 R1 必须同时连接，否则CAT1161将不断产生复位！同样不需要手动复位功能时可节省Rm和Sm两个元件。图11.内置WDT RESET /RESET E PROM监控器件接口电路PHILIPS 公司的 SA56600-42 被设计用在电源电压降低或断电时作保护微电脑系统中SRAM 的数据。当电源电压下降到通常值 时，输出 CS 变为逻辑低电平，把 CE 也拉低，从而禁止对 SRAM 的操作。同时，产生一个低电平有效的复位信号，供系统使用，如果电源电压继续下降，到达通常值或更低时，SA56600-42切换系统操作，从主电源供电切换到后备

16、锂电池供电，当主电源恢复正常（电压上升至或更高时）将SRAM的供电电源将由后备锂电池切换回主电源，当主电源上升至大于典型值 时输出 CS 变为逻辑高电平，使 CE 变为高电平，使能 SRAM 的操作，复位信号一直持续到系统恢复正常操作为止。在系统电源电压不足或突然断电的时候，这个器件能可靠地保护系统在SRAM内的数据。图12.内置SRAM数据保护电路的监控器件SA56600-42的典型应用4. ARM 单片机的复位电路设计无论在移动电话高端手持仪器还是嵌入式系统，32位单片机ARM占据越来越多的份额，ARM已成为事 实的高端产品工业标准。由于 ARM 高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低

17、这是对数字电路极限的挑战，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定度、电源监控 可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。ARM监控技术是复杂并且非常重要的。分立元件实现的监控电路，受温度、湿度、压力等外界的影响大而且对不同元件影响不一致较大板面积，过多过长的引脚容易引入射频干扰，功耗大也是很多应用难以接受，而集成电路能很好的解决此类问题。目前也有不少微处理器中集成监控电路，处于制造成本和工艺技术原因，此类监控电路大多数是用低电压CMOS工艺实现的，比起用高电压、高线性度的双极工艺制造的专用监控电路性能还有一段差距。结论是：使用 ARM 而不用专用监控电路，可能导致得不偿失，经验也告诉我们使用专用监

18、控电路可以避免很多离奇古怪的问题。ARM的应用工程师，切记少走弯路！图13.用PHILIPS MAX708实现的ARM复位电路图 13 是实用可靠的 ARM 复位电路。 ARM 内核的工作电压较低。 R1 可保证电压低于MAX708 的工作电源还能可靠复位。其中 TRST 信号是给 JTAG 接口用的。使用 HC125可实现多种复位源对ARM复位，如通过PC机串口或JTAG接口复位ARM。单片机系统设计的误区与对策时间:2007-03-20 来源: 作者:王柏林点击：533 字体大小:【大 中 小】摘 要：用电磁兼客性理论剖析了单片机系统设计中的某些传统现念，指出其过时和失误之 处给出了根据电

19、磁兼容性理论设计单片机系统的新理念，还给出了双时限看门狗、定时 复位看门狗、抗快速脉冲群滤波器、电磁兼容PCB等新的设计方法。单片机系统在军事、工业、民用产品中的应用越来越广。它将许多以往用硬件实现的功能 由软件来完成，体积小巧、功能丰富、智能化程度高，但在可靠性方面也面临许多新问题 用现代电磁兼容性(EMC)理论剖析单片机系统设计中的某些传统观念，会发现许多误区，并 且有些误区至今还在工程界广为存在。1、误区之一：有了看门狗就不会死机死机是指CPU的程序指针进入一个死循环。无法执行正常的程序流程。其外在表现常常是： 正常功能丧失，按键无响应。显示凝固。单片机死机后，只有复位才能走出死循环，执

20、行 正常的程序流程。众所周知，克服死机的最有效手段是加看门狗(WatchDog)。目前用得最广泛的看门狗实际上是一个特殊的定时器DogTimer。DogTimer接固定速率计 时，计满预定时间就发出溢出脉冲使单片机复位。如果每次在 DogTimer 溢出前强行让 DogTimer清零，就不会发出溢出脉冲。清零脉冲由CPU发出，在单片机程序中每隔一段语 句放一个清DogTimer的语句 FeedDog语句，以保证程序正常运行时DogTimer不会溢 出。一旦程序进入一个不含FeedDog语句的死循环，DogTimer将溢出，导致单片机复位， 跳出这个死循环。本文称这种看门狗为典型看门狗，典型看门

21、狗已被集成化.如MAX706, MAX791等；还有许多单片机本身集成了这种看门狗，如PIC16C57、MC68HC705等，具 体电路可参阅这些芯片的技术资料。有一个错误观点：加了看门狗单片机就不会死机。实际上，看门狗有时会完全失效。当 程序进入某个死循环，而这个死循环中又包含FeedDog语句，这时DogTimer始终不会溢 出，单片机始终得不到复位信号，程序也就始终跳不出这个死循环。针对这一弊端，笔者 设计了双时限看门狗和定时复位看门狗。双时限看门狗有两个定时器：一个为短定时器，一个为长定时器。短定时器定时为T1,长 定时器定时为T2，0vTLvvT2v font；长、短定时器的Feed

22、Dog是各自独立的。短定时 器象典型看门狗那样工作，它保证一般情况下看门狗有快的反应速度；长定时器的定时T2 大于CPU执行一个主循环程序的时问，并且每一个主循环才FeedDog 一次，用来防止看门 狗失效。-8这样，当程序进入某个死循环，如果这个死循环包含短定时器FeedDog语句而不包含长定 时器FeedDog语句.那么长定时器终将溢出，使单片机复位。巧妙安排长定时器FeedDog 语句的位置，可保证出现死机的概率极低。在水轮发电机组微机控制装置中的对比应用证 明了这一点。目前几乎所有的看门狗都是依赖于CPU(依赖于CPU FeedDog)。这可以比作：一个保险设 备能否起到保险作用还依赖

23、于被它保护的对象的行为。显然，依赖于CPU看门狗是不能保 证单片机百分之百不死机的。在绝对不允许死机的装置中，笔者设汁了一种完全不依赖于CPL的看门狗 定时复位看 门狗。定时复位看门狗的主体也是一个定时器，到预定时间就发出溢出脉冲，此溢出脉冲 使单片机强行复位。定时复位看门狗不需要CPU FeedDog。简言之，定时复位看门狗就是定时地让单片机强行复位。这样，即使装置死机，其最大死 机时间也不会大于定时器的定时时间。显然，只要硬件完好，这种看门狗百分之百地保证 了单片机不会长时间死机。在智能电表(包括IC卡电能表、复费率电能表、多功能电能表) 中采用定时复位看门狗，每1秒让CPU强行复位，迄令

24、数十万电表运行了近五年，无一例 死机报告。必须指出，采用这种看门狗， CPU 的编程要适应定时复位的环境保证定时复位不打断那 些不能打断的程序不造成任何误动作。2、误区之二：加电源滤波器能提高EMC性能在单片机系统中，为了抑制电磁干扰(EMI),常常在交流电源进线与电源变压器之间加电源 滤波器。常用的电源滤波器如图1。图1电源滤波器图1都是双n型LC滤波器。其中Co专用于旁路差模干扰。两者的不同之处在于：图1(b) 两个电容接大地。设电感的电阻为R,它们的幅频特性分别是：当 R 很小时，上述两个滤波器的谐振频率分别为：可见，它们的幅频特性相似谐振频率不同。从滤波效果来看，两者对于降低来自交流电

25、 的差模干扰效果差不多，但是后者对于降低共模干扰效果更好。不过，对于采用浮地方式 的装置，由于电容不可能直接到大地，所以只能用前者。设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率，处理不好不仅不能衰减干扰，反而放大干扰。以图1(a)的双n型滤波器为例，如果取L=1mh, R=IQ. C=(这是许多资料推荐的 参数)，可计算出fO=。而EMC测试中的快速脉冲群频率是(2kV)或(4kV)；刚好谐振，也不 会被衰减，如图2虚线所示。可见，不是所有的电源滤波器都能提高EMC性能。工程中.许 多装置尽管采用了成本不菲的滤波器，但EMC测试仍难通过，原因大多在此。图2双n型滤波器的幅频特性实际上：如果取L

26、=30mh，R=5Q, C=。可计算出fO=，脉冲群幅值衰减为，脉冲群幅值 衰减为。这时，电源滤波器确实提高了系统的EMC性能。图2实线是相应的幅频特性。3、误区之三：光偶器件隔离干扰很彻底 光偶器件是最常用的隔离干扰器件。例如现场的开关量引到测控装置后都要加光隔，以切 断来自现场的传导干扰； RS485 通讯口经光隔再与外部通讯线连接，防止来自外部通讯线 的传导干扰。有不少人认为：光偶器件隔离干扰很彻底，用了光偶隔离干扰就过不去了。其实，光电隔 离并非万全之策。首先，光偶器件本身只能隔离传导干扰，它隔离不断幅射、感应干扰。幅射来自空间，感 应来自相邻的导体。最常见的败笔是：设计PCB时将光偶

27、器件的输入和输出电路布在了一 起.这时干扰从光偶器件是过不去了，但却很容易经输入电路感应到输出电路。其次.光偶器件隔离传导干扰的能力也只有1kV左右，1kV以上的干扰或浪涌一般是力所 不能及的。比如EMC的快速脉冲群测试，施加的干扰信号幅值是2kV、4kV、8kV,光偶器-10件是无法隔离的。4、误区之四：PCB布线要横平竖直提起PCB布线，许多工程技术人员都知道一个传统的经验：正面横向走线、反面纵向走线, 横平竖直，既美观又短捷；还有一个传统经验是：只要空间允许，走线越粗越好。可以明 确地说，这些经验在注重EMC的今天已经过时。要使单片机系统有良好的EMC性能,PCB设计十分关键。一个具有良好的EMC性能的PCB， 必须按高频电路来设计一一这是反传统的。单片机系统按高频电路来设计PCB的理由在于： 尽管单片机系统大部分电路的工作频率并不高，但