MSP43O單片機(jī)復(fù)位電路可靠性設(shè)計(jì)

0 引言
    TI公司的混合信號處理器MSP430系列單片機(jī)以其處理能力強(qiáng)大、外圍器件集成度高、功率消耗低、產(chǎn)品系列全面、全系列工業(yè)級等特點(diǎn)，作為目前MCU主流市場的產(chǎn)品之一，在電子應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，被越來越多的電子設(shè)計(jì)師所青睞。由于復(fù)位電路設(shè)計(jì)問題而導(dǎo)致的系統(tǒng)出現(xiàn)上電后不工作或狀態(tài)不正確是很多MSP430單片機(jī)電路設(shè)計(jì)者們在設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用中曾遇到過的問題，盡管這種情況發(fā)生的幾率很低，但對于可靠性要求較高的應(yīng)用場合，這個現(xiàn)象仍需引起電子設(shè)計(jì)人員的足夠重視。
    為此，本文對MSP430全系列單片機(jī)的復(fù)位系統(tǒng)和復(fù)位機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)深入的分析，并針對性地提出了具體的外圍復(fù)位電路設(shè)計(jì)方案和有關(guān)電子元器件的詳細(xì)介紹，以供同行參考和交流。

1 MSP430復(fù)位機(jī)制
1．1 MSP430復(fù)位電路
    MSP430的復(fù)位電路包括一個上電復(fù)位(POR)和上電清除信號(PUC)。POR是設(shè)備復(fù)位信號，它通常在以下三種事件發(fā)生時(shí)被觸發(fā)：a．上電；b．復(fù)位模式下RST／NMI腳出現(xiàn)低電平；c．電壓監(jiān)控設(shè)備(Brownout)觸發(fā)。
    POR時(shí)序見圖1(a)所示。

    當(dāng)供電電壓VCC緩慢上升時(shí)，POR監(jiān)測器保持POR信號有效直到VCC超出VPOR水平；當(dāng)供電電壓VCC快速上升時(shí)，POR延時(shí)t(POR DELAY)提供了足夠長的有效POR信號以確保MSP430有足夠的時(shí)間進(jìn)行初始化。
1．2 Brownout電路
    Brownout電路是電壓不足重置功能電路。它取代了POR檢測和POR延時(shí)電路。Brownout電路能夠檢測到上電或掉電過程中的較低的供電電壓值，并能在供電或掉電過程中通過觸發(fā)POR信號重置芯片。圖l(b)為Brownout電路的復(fù)位時(shí)序。從圖中看出，當(dāng)VCC超過啟動電壓VCC(star-t)時(shí)POR信號有效，POR信號保持有效直到VCC電壓值高于極限電壓V(B_IT+)并經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)t(BOR)；滯后電壓Vhys(B_IT-)用于確保供電電壓必須低于V(B_IT-)時(shí)Brownout電路才會產(chǎn)生下一個POR信號。
1．3 復(fù)位失效過程分析
    對于沒有Brownout復(fù)位電路的情況，如果MSP430的供電電源是周期性的，當(dāng)電源再次上電時(shí)，供電電壓VCC在上一個周期的下降期或在受到干擾時(shí)必須低于Vmin(見圖1)才能確保POR信號的發(fā)生，如果VCC不能低于Vmin，將不會產(chǎn)生POR信號，此時(shí)，即使在RST／NMI出現(xiàn)了低電平信號也不會產(chǎn)生一個有效的POR信號，系統(tǒng)無法正常復(fù)位。
    Brownout復(fù)位電路存在于部分MSP430系列芯片中，如MSP430F13X和MSP430F14X系列就沒有Brownout電路。對于沒有Brownout電路的芯片應(yīng)用系統(tǒng)，在工作時(shí)，由于受到干擾、電網(wǎng)波動、誤操作等原因，短暫的電壓下降造成供電恢復(fù)時(shí)由于電壓沒有滿足POR的發(fā)生條件(低于Vmin)，復(fù)位端的低電平復(fù)位信號無法再次啟動系統(tǒng)重新復(fù)位工作，此時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)盡管并不頻繁，但對于不能隨時(shí)進(jìn)行手動復(fù)位的遠(yuǎn)端自動控制系統(tǒng)而言，卻是致命的。
    在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)前仔細(xì)查看產(chǎn)品技術(shù)手冊，并針對各系列芯片的不同應(yīng)用條件設(shè)計(jì)不同的復(fù)位電路。

2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)方法
2．1 提高復(fù)位門限
    提高M(jìn)SP430的復(fù)位門限Vpor'，令Vpor'位于MSP430正常工作電壓范圍內(nèi)，且接近于MCU正常工作時(shí)的最低門限Vcc min，此時(shí)可以保證在供電電壓位于Vcc min附近且MCU仍能正常工作時(shí)，在門限處向MSP430發(fā)出復(fù)位信號。此時(shí)Vpor的值應(yīng)位于供電電源的低限(Vp min)和MSP430正常工作電壓的低限(Vcc min)之間。如圖3作圖所示。

    MSP430F149是目前用量最廣的MSP430芯片之一，其工作電壓范圍在Vcc min=1．8V，Vcc max=3．6V之間，當(dāng)選擇低壓差線性穩(wěn)壓器件TP-S76033時(shí)，其供電電壓Vp max=3．34V，Vp min=3．23V，此時(shí)應(yīng)選擇復(fù)位門限范圍在3．23V和1．8V之間。為提高系統(tǒng)可靠工作的條件，Vpor盡可能選擇低一些。選擇復(fù)位芯片MAX809S(如圖4右圖)，其復(fù)位門限為2．89V(Vpor min)<Vpor<-2．96V(Vpor_max)，典型值為2．93V，當(dāng)供電電壓低于2．93時(shí)，此電壓值已超出(低于)TPS76033的供電范圍，但MSP430F149仍處在工作狀態(tài)，此時(shí)MAX809S發(fā)出復(fù)位信號，MSP430F149執(zhí)行POR復(fù)位過程，避免死機(jī)。
    此方法適用于供電系統(tǒng)的容差很小、供電電壓精度很高的情況下。
2．2 延長外復(fù)位信號時(shí)間
    由于MSP430內(nèi)部POR只有在上電時(shí)提供復(fù)位，對于遇到短暫波動至供電壓值降至Vpor以下但仍高于Vcc-min又迅速恢復(fù)的情況(如圖l(a)所示的第二次電壓下降)，上述方法不能觸發(fā)有效復(fù)位，此時(shí)，可以采取延長復(fù)位信號持續(xù)時(shí)間或增加復(fù)位周期的方法。讓復(fù)位信號在壓值恢復(fù)后維持足夠長的周期，仍可促使芯片正常復(fù)位。MAX809S最高可維持140ms的有效復(fù)位信號，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MSP430F149的有效復(fù)位信號要求時(shí)間(25μs)與POR信號維持時(shí)間(250μs)之和，在系統(tǒng)遇到周期120ms以內(nèi)的電壓波動時(shí)可保證系統(tǒng)正確復(fù)位。
    利用帶有看門狗定時(shí)器的復(fù)位芯片MAX803，還可以控制發(fā)送長達(dá)1s的復(fù)位信號發(fā)送間隔，適用于周期更長的電壓波動情況使用。
2．3 監(jiān)控電源
    對于供電系統(tǒng)的容差范圍較大(如圖3(a)中Vp的范圍大于或接近于VCC的范圍時(shí))，壓值精度較低的情況，或者是遇到電網(wǎng)長期工作在欠壓狀態(tài)下時(shí)，單純地降低復(fù)位電壓閥值會造成系統(tǒng)在正常工作條件下頻繁復(fù)位。此時(shí)可以監(jiān)控電源電壓，當(dāng)監(jiān)測到出現(xiàn)上述電壓波動時(shí)，監(jiān)控芯片向MSP430發(fā)送電壓異常信號，MSP430響應(yīng)該信號并中斷正在運(yùn)行的程序進(jìn)入掉電保護(hù)子程序、設(shè)置復(fù)位狀態(tài)寄存器，避免下次上電時(shí)由于寄存器狀態(tài)錯誤而無法啟動POR復(fù)位。
    MAX6342是具有內(nèi)部電源失效比較器的復(fù)位芯片，比較器將不穩(wěn)定的電壓送入調(diào)節(jié)器，并產(chǎn)生為處理器和監(jiān)控電路供電的電源，因?yàn)椴环€(wěn)定的電壓會在調(diào)節(jié)器輸出電壓之前跌落，檢測到不穩(wěn)定或較低的電壓后產(chǎn)生電源失效信號(PFO)，MSP430在被復(fù)位之前進(jìn)入掉電處理程序。

3 總結(jié)
    對于內(nèi)部復(fù)位機(jī)制不同(Brownout電路)的子系列MSP430單片機(jī)，面對不同的系統(tǒng)工作環(huán)境，通過提高復(fù)位門限、延長復(fù)位時(shí)間和監(jiān)控電壓源等方法設(shè)計(jì)復(fù)位電路，可以有效避免在實(shí)際應(yīng)用中遇到的偶發(fā)復(fù)位失效的問題，提高系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)實(shí)踐表明，上述方法能有效降低系統(tǒng)偶發(fā)復(fù)位失效現(xiàn)象的發(fā)生。