СХЕМЫ КОНТРОЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

September 4, 2013 by admin Комментировать »

Предполагается, что вы уже знакомы с основными понятиями цифровой техники (системы исчисления, логические схемы, микропроцессоры, цифровое измерительное оборудование и т.п.). Если это не так, прочтите сначала книгу John D. Lenk, «Digital Handbook», McGraw-Hill, 1992. В начале главы кратко рассмотрены способы тестирования и выявления неисправностей цифровых интегральных схем. Материал расположен так, что читатель, не знакомый с процедурами электронных измерений и методами выявления неисправностей, сможет выполнить тестирование схем, приведенных в этой главе, и локализовать неисправность в случае, если исследуемое устройство не пройдет проверки. Прежде чем углубиться в детали, начнем с краткого обзора схем контроля микропроцессоров.

ИС контроля микропроцессоров

ИС контроля микропроцессоров (супервизоры) выполняют как аналоговые, так и цифровые операции, что позволяет упростить и ускорить весь процесс разработки электронной аппаратуры. Основное назначение этих микросхем – жизненно важное для микропроцессорных систем обеспечение безопасности и функционирования при различных нарушениях работы и электрических сбоях. Некоторые микропроцессоры выполняют функции контроля, но они, как правило, не могут выявить свои собственные неисправности. Для повышения эффективности и надежности работы контроль должен выполняться внешними ИС.

Обычно ИС контроля выполняют следующие задачи: системный сброс при включении питания, сброс при внезапном понижении питающего напряжения, запрет записи в память при пониженном напряжении питания, предупреждение о возможном отключении питания, переключение на резервную батарею и контроль с помощью сторожевого таймера Все это можно легко реализовать по отдельности. Но если необходимо совместное выполнение перечисленных действий, особенно при недостатке свободного места на плате, могут возникнуть проблемы. Рассмотрим кратко эти функции и их роль в работе микропроцессорной системы в целом.

Сброс при включении питания

При подаче питания на микропроцессор его внутренние регистры устанавливаются в произвольные состояния и содержат, таким образом, случайные данные. Применение команды RESET (сброс) позволяет решить эту проблему за счет установки всех регистров в заранее определенное начальное состояние. Для обеспечения правильного начала работы на вход RESET микропроцессора должен поступать сигнал низкого логического уровня в течение 20-120 мс после включения питания. Точнее, внешняя схема сброса должна удерживать на входе RESET этот логический уровень, пока напряжение питания не достигнет минимального значения, необходимого для нормального функционирования микропроцессора. Только после этого сигнал сброса должен быть снят. Если отсчет начнется слишком рано или закончится слишком быстро, внутренние регистры микропроцессора останутся в хаотическом начальном состоянии. Следовательно, схема сброса при включении питания должна содержать таймер, компаратор и источник опорного напряжения, а также цепи, обеспечивающие электрическое сопряжение с входом RESET микропроцессора.

Сброс при понижении напряжения питания

После включения микропроцессор сохраняет работоспособность, пока напряжение питания остается номинальным. Чтобы обеспечить надежность работы, схема контроля должна фиксировать как кратковременные колебания, так и длительные спады напряжения питания. Пониженное напряжение редко бывает непосредственной причиной поломок аппаратуры, но способно вызвать не предусмотренные программой действия, что, в свою очередь, может вывести из строя всю систему. Так как микропроцессор не способен управлять собственным сбросом, то этот сигнал должен автоматически вырабатываться внешним устройством.

В большинстве ИС контроля (например, компании Maxim) цепи, формирующие сброс при понижении напряжения питания, используют те же прецизионные схемы контроля напряжения, что и цепи, работающие при включении питания. Поэтому при возвращении значения питающего напряжения к минимально допустимому выход RESET ИС контроля, подключенный к соответствующему входу микропроцессора, остается в состоянии низкого логического уровня на время задержки включения, как и при обычном первоначальном включении питания.

Запрет записи в память при пониженном напряжении питания

Обычные системные сбои иногда становятся причиной серьезной проблемы. В момент сбоя микропроцессор может ошибочно записать в энергонезависимое ЗУ случайные данные, что приведет к потере информации и нарушениям программы, которые нельзя восстановить при простом сбросе. Для предотвращения подобных ситуаций система должна блокировать сигнал, разрешающий запись в память (СЕ), при кратковременном или продолжительном снижении напряжения питания. С этой целью выходной сигнал компаратора, следящего за напряжением питания, и команда СЕ подаются на логический элемент, сигнал с выхода которого используется для управления входом СЕ энергонезависимого ЗУ. Но такой логический элемент должен надежно функционировать даже при снижении напряжения питания до 2 В (учитывая, что обычно напряжение питания цифровых устройств равно 5 В).

Предупреждение об отключении питания

Полная защита цифровых систем требует не только обнаружения падения питающего напряжения и последующего сброса. До сброса могут быть необходимы и другие действия. Например, запись микропроцессором содержимого регистров в энергонезависимую память (такую, как КМОП ОЗУ с батарейным питанием). При построении схем предупреждения об отключении питания учитывается то, что у большинства стабилизаторов напряжения во входном фильтре стоят конденсаторы большой емкости. В типичном пятивольтовом источнике питания они заряжаются до 8-10 В. Такой заряд позволяет стабилизатору поддерживать выходное напряжение на уровне номинального в течение 50-100 мс после отключения первичного питания, пока конденсатор не разрядится до напряжения примерно 6,5 В (или менее, при использовании стабилизатора с малым падением напряжения). Поэтому схема контроля может следить за напряжением на конденсаторе входного фильтра. В ИС компании Maxim это осуществляется с помощью входа контроля отключения питания (PFI). Когда входное нестабилизированное напряжение на конденсаторе фильтра снижается до заданного значения (как правило, около 7,5 В), внутренний компаратор выдает сигнал о предстоящем отключении питания (PFO). Это предоставляет микропроцессору достаточное время для процедур, которые необходимо выполнить перед выключением системы. Сигнал PFO обычно подается на вход немаскируемого прерывания (MNI) микропроцессора, что обеспечивает высший приоритет исполнения.

В ИС контроля сигнал PFI, формируемый из напряжения на конденсаторе фильтра с помощью внешнего делителя на двух резисторах, поступает на один из входов внутреннего КМОП компаратора; на другой его вход подается опорное напряжение (обычно 1,3 В). Это позволяет выбрать требуемый порог срабатывания ИС при снижении напряжения на конденсаторе.

Переключение на резервную батарею

КМОП ОЗУ обычно питается от того же источника напряжения 5 В, что и микропроцессор. При переключении на батарею с напряжением 3 В в режиме резервирования ОЗУ сохраняет ранее записанную информацию при потреблении очень малой мощности (ток питания снижается от нескольких миллиампер в номинальном режиме до нескольких микроампер в режиме резервирования). Поэтому резервная батарея может быть небольшой емкости.

Схема, которая переводит питание ОЗУ с основного на резервное, должна оставаться в активном состоянии, чтобы произвести обратное переключение при восстановлении основного питания. Она также получает энергию от батареи, следовательно, ее ток потребления должен составлять несколько микроампер. Кроме небольшого энергопотребления необходима также надежная работа схемы переключения при снижении напряжения питания в случае постепенного разряда резервной батареи. Те же требования относятся к схемам сброса и защиты ОЗУ от случайной записи, которые также остаются в активном состоянии в режиме резервирования.

Сторожевой таймер

Как правило, программное обеспечение состоит из взаимосвязанных последовательно выполняемых модулей. Иногда из-за непредусмотренных и зачастую непредсказуемых обстоятельств выполнение программы останавливается на каком- то из модулей, и происходит бесконечное выполнение одного и того же бесполезного или даже вредного действия. Сторожевой таймер следит за выполнением программы и дает команду сброса при появлении признаков остановки.

Для использования сторожевого таймера его вход подключается к порту микропроцессора, программа которого составляется таким образом, чтобы предусмотреть запись несколько раз в секунду каких-либо данных в порт. При отсутствии периодических сигналов от микропроцессора в течение заранее заданного времени ожидания таймер оценивает ситуацию как сбой программы и выдает команду системного сброса. Оптимальная длительность этого интервала времени зависит как от аппаратного, так и от программного обеспечения. Так, больший период обеспечит дополнительное время для микропроцессора, который инициирует систему после включения до запуска основного пакета программного обеспечения. В некоторых системах сторожевой таймер активизируется только для определенных приложений.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты