Управление работой микропроцессора с помощью супервизоров
Управление работой микропроцессора с помощью супервизоров
Цепи, контролирующие работу микропроцессоров известны так давно, что они часто считаются как нечто само собой разумеющееся. Существует большое количество таких интегральных схем, от простых трехножечных микросхем сброса до сложных, многофункциональных устройств. Один только Maxim предлагает почти сто основных типов, а вместе с модификациями почти тысячу.
Основная функция микропроцессорного (µP) супервизора это "power-on-reset" (POR)- сброс микропроцессора при включении питания. Иначе, в устройствах на микропроцессорах (и микроконтроллерах) может произойти сбой при включении или при кратковременных провалах напряжения питания (brownout). В течение многих лет эта проблема частично решалась добавлением резистора, конденсатора и диода на вывод сброса RESET микропроцессора (рисунок 1).
Рисунок 1. Эта простая схема, только частично решает проблему контроля напряжения питания VDD.
Благодаря RC цепочке, после включения напряжения питания, на выводе RESET некоторое время будет удерживаться низкий (активный) уровень. Если напряжение питания растет достаточно быстро, уровень на выводе RESET будет низким достаточно долго, чтобы, удерживая микропроцессор в режиме сброса, позволить закончиться внутренним переходным процессам перед началом нормальной работы. При выключении и уменьшении напряжения питания, диод обеспечивает быстрый разряд емкости.
Этот схема хорошо работает при включении питания, только в том случае, если напряжение Vcc растет достаточно быстро по сравнению с постоянной времени RC цепочки. Задача цепи - не допустить работу микропроцессора при напряжении питания ниже допустимого уровня.
Эта цепь также, не гарантирует надежного сброса микропроцессора при кратковременных провалах напряжения. Для формирования сброса в этом случае, напряжение питания должно упасть ниже, чем напряжение логического нуля минус падение напряжения на диоде (чтобы емкость разрядилась через диод).
Но напряжение питания обычно становиться значительно ниже минимально допустимого по техническим условиям, задолго до того как это происходит. Чтобы решить эту проблему, производители микропроцессоров часто рекомендуют схему похожую на изображенную на рисунке 2. Она формирует сигнал сброса при снижении питания, но точность установки порога напряжения, при котором формируется сброс, ограничена точностью стабилитрона и погрешностью вызываемой параметрами транзистора.
Какая точность является достаточной? Рассмотрим общий пример, в котором микропроцессор работает при номинальном напряжении 5 вольт, но по техническим характеристикам сохраняет свою работоспособность и при 4,5 вольтах. Цепь сброса должна удерживать активный (при котором происходит сброс) уровень на выводе RESET при напряжении питания меньше 4,5 вольт, поэтому минимальный порог, при котором происходит сброс, должен быть 4,5 вольта. Следует, однако, поднять эту границу, из-за разброса значения порога сброса от температуры и от устройства к устройству. Вы можете задать в тех. задании параметры напряжения питания как 5В ±0%, если хотите иметь проблемы с разработчиком блока питания, но лучше определить диапазон напряжения питания от 4,75 В до 5,25 В. Тогда вы должны обеспечить порог сброса между 4,5 В и 4,75В; т.e., 4,63 В ±2,7%. Пороговое напряжение сброса можно установить с помощью стабилитрона, но средняя точность стабилитрона составляет от ±5% до ±10%. За дополнительную цену можно найти стабилитрон и с более точными параметрами (до ±1%), но только при комнатной температуре и при определенном токе.
Все стабилитроны имеют существенную зависимость напряжения стабилизации от тока, а типичный температурный коэффициент составляет несколько мВ/°C. Только из-за температуры изменение порогового напряжения может составить несколько сот милливольт в диапазоне от 0°C до 70°C. Так что, цепь сброса на стабилитроне не подходит для обеспечения нормального сброса при включении и при провалах напряжения питания. Кроме того, даже слаботочные стабилитроны имеют ток стабилизации минимум 100 мкА, что является дополнительной нагрузкой в системах с батарейным питанием.
Как должна работать идеальная цепь сброса? Мы установили, что изменение порогового напряжения сброса из-за температуры не должно превышать ±2,7%. Но, кроме того, без соответствующей паузы при формировании сброса, схема будет приводить к сбоям в работе микропроцессора в следующих случаях: при медленном повышении напряжения питания, упомянутым ранее, при большом количестве помех в питании при включении, при неравномерном повышении напряжения питания, или при защите от кратковременных провалов напряжения питания. Так как, когда контролируемое напряжение питания будет почти равно порогу сброса, различные помехи будут вызывать многократные переключения цепи, приводя к пульсациям на входе RESET. Эту проблему можно было бы решить с помощью гистерезиса, и рынок предлагает несколько видов таких детекторов напряжения. К сожалению, наличие гистерезиса уменьшает допустимый разброс порогового напряжения. В выше упомянутом примере мы имели разброс в 250 мВ (4,75 В - 5,0 В). Если вы выделите 100 мВ на гистерезис, то минимальный порог для возрастающего напряжения питания составит на 100 мВ больше чем раньше, т.е. 4,6 В (больше 4,5 В). Этот сдвиг необходим, чтобы гарантировать порог срабатывания при уменьшающемся напряжении питания (при кратковременных провалах напряжения), не ниже 4,5 В. Таким образом, чтобы гарантировать, что оба пороговых напряжения будут находиться между 4,5 В и 4,75 В, верхний порог должен быть 4,67В ±1,6% (среднее значение между 4,6 В и 4,75 В). Типичные детекторы напряжения такого типа, такие как Ricoh Rx5VL/Rx5VT и Seiko S-807, имеют точность установки порога при 25°C - ±2,5% и ±2,4%.
Реально устройства работают в большем, чем 25°C диапазоне температур, но эти продукты имеют типичные температурные коэффициенты 100ppm/°C и 120ppm/°C. Это увеличивает разброс порогов до ±2,85% и ±2,82% соответственно, в диапазоне от 0° до 70°C. Серия Seiko S-808 - наиболее современный представитель из этого типа. Он имеет точность ±2% при 25°C и максимальный температурный коэффициент 350ppm/°C. В диапазоне от 0°C до 70°C, максимальный температурный коэффициент соответствует изменению 350e-6 x 70 = 0,0245, или 2,45%. В наихудшем случае ±3,225%. Если предположить, что обычно температурный коэффициент не будет максимальным, а скорее всего, будет соответствовать среднему значению, то в результате максимальный разброс (±2,6125%) в этом примере будет достаточно небольшим. Но мы еще не рассмотрели гистерезис до конца. Выше приведенный анализ показал, что порог по возрастающему напряжению удовлетворяет нашим требованиям. Однако порог для уменьшающегося напряжения будет ниже, чем нужно. Типичное значение гистерезиса у всех этих датчиков составляет 5%, а максимальное 7-8%. Порог по возрастающему напряжению в нашем примере находится в требуемом диапазоне (от 4,5 В до 4,75 В), но порог для уменьшающегося напряжения может снизиться до 4,13 В. Таким образом, мы не можем гарантировать обнаружение кратковременного провала напряжения питания до тех пор, пока оно не опуститься почти на 0,4 В ниже допустимого.
Решение - электронная пауза
Для предотвращения колебательного процесса при напряжении питания равном порогу сброса, без применения гистерезиса, мы должны удлинить импульс сброса. Как и в схеме с RC цепью описанной выше, импульс сброса должен удерживаться в течение определенного времени после превышения порога детектора, напряжением питания. Этот интервал называется период сброса. В отличие от схемы с RC цепью, этот период начинает формироваться, когда напряжение питания пересекает пороговое напряжение детектора.
Когда медленно увеличивающееся напряжение питания вызывает многократное переключение детектора, каждый раз, должен происходить перезапуск периода сброса для предотвращения колебания сигнала сброса микропроцессора. Устройства, выполняющие эту основную функцию, существуют давно, а в последние годы они стали доступны и в миниатюрных трехножечных SOT23 корпусах. Первое SOT23 устройство (MAX809) стало наиболее повторяемым индустриальным стандартом. Универсальный MAX 809 выпускается с несколькими пороговыми напряжениями, задаваемыми при производстве, и гарантирует точность ±2,6% в диапазоне -40°C до +85°C. Кроме того, MAX 809 гарантирует минимальный период сброса в 140 мс. MAX 809 удовлетворяет всем указанным выше требованиям к супервизорам, и более прост в использовании, чем дискретные компоненты. Рисунок 3 иллюстрирует применение MAX809.
MAX809 потребляет ток 60 мкА. Некоторые современные клоны этого типа, в том числе ETC809 и IMP809, имеют максимальный потребляемый ток в диапазоне от 15 до 20 мкА. Новые супервизоры семейства MAX6326 и MAX6346, обеспечивают те же самые функциональные возможности при еще меньшем потреблении. Они потребляют максимум 1 мкА (типичное значение 0,5 мкА) при пороговом напряжении ниже 3,2 В и 1,75 мкА (типичное значение 1 мкА) для более высокого порогового напряжения.
Когда не достаточно контроля за напряжением питания. Трехвыводные супервизоры обеспечивают только основные функции, но для многих применений требуются дополнительные. В качестве дополнительной функции часто требуется вход для ручного сброса (manual reset - MR). Это позволяет осуществлять сброс нажатием кнопки, а также различными логическими сигналами от других источников. Этот вход с подавлением дребезга контактов (использующий такую же задержку, как и при формировании сброса, при контроле за напряжением питания).
Такому супервизору необходимо 4 вывода, что обеспечивается SOT-143 (4-х ножечный SOT-23). Многие производители 3- х ножечных супервизоров, упомянутые выше, так же выпускают и 4-х ножечные микросхемы, имеющие данную функцию. Большинство ранее выпущенных SOT устройств предназначены для пяти-вольтового или другого стандартноо напряжения. Однако два из 4-х ножечных устройств от Maxim (MAX6314 и MAX6315) представляют первые из недавно появившихся супервизоров, которые делают доступным широкий диапазон пользовательских напряжений и длительностей сброса. Наиболее часто применяемые комбинации доступны как стандартные продукты, но инженеры могут также выбрать пороговое напряжение от 2,5 В до 5,0 В с шагом 100 мВ и минимальной длительностью сброса 1 мс, 20 мс, 140 мс, 1,12 с (устанавливается при производстве).
Гав! Другое обычное требование для микропроцессорных систем - сторожевой таймер (WDT). Сторожевой таймер обеспечивает защиту от "плохих" программ и других факторов, вызывающих программный сбой. Сторожевой таймер это просто перезапускаемый таймер, выход которого (WDO) изменяет свое состояние при истечении интервала, сбрасывая микроконтроллер или вызывая прерывание. Для предотвращения переполнения таймера, вы подключаете выход микроконтроллера к входу (WDI) сторожевого таймера. Затем программа должна периодически формировать импульсы на этом выводе, которые будут перезапускать сторожевой таймер, до того как произойдет его переполнения. Иначе на выходе (WDO) сторожевого таймера сформируется импульс прерывания или сброса.
Но мой микропроцессор имеет сторожевой таймер. Многие микропроцессоры имеют встроенный сторожевой таймер, но часто он не обеспечивает полной защиты. Обычно сторожевой таймер включается и выключается программно. Раз программа может выключить сторожевой таймер, значит, нет гарантии полной защиты вашей системы от сбоя программы. Для этого, вам необходим внешней сторожевой таймер, который нельзя отключить программно. Многие супервизоры могут выполнять эту функцию, в том числе и широко распространенный DS1232 от Dallas Semiconductor - это один из наиболее дублируемых супервизоров (рисунок 4a).
Он обеспечивает те же самые функции, что и 4-х ножечные устройства, плюс сторожевой таймер, который может быть запрограммирован с помощью входа TD на три различных периода времени. Используя вход TOL, вы можете также установить одно из двух пороговых напряжений сброса. DS1232 имеет также дополнительные выводы сброса. Оригинальная версия поставляется только в 8-ми выводных DIPs и 16-выводных wide-SO корпусах. Новые версии доступны и в 8-ми выводных SO. Многие применения не требуют программируемости DS1232 и дополнительных выходов. Отказ от этих функций уменьшает число выводов до 5, что позволяет, применить 5-ти ножечный корпус типа SOT23. Первые такие приборы доступные в 5-ти ножечных SOT23, это MAX823 и MAX824 (рисунок 4б). Как и в DS1232, их выход сброса сторожевого таймера внутри микросхемы соединен с выходом монитора питания, формируя один общий выход сброса. MAX823 имеет низкий, а MAX824 высокий активный уровень сброса.
 |
 |
| Рисунок 4a. | Рисунок 4b. |
Эти 5-ти ножечные устройства стали родоначальниками супервизоров дающих разработчику больше возможностей. Микросхем серий от MAX6316 до MAX6322, например, обеспечивают разнообразные функции и комбинации выводов в корпусе SOT23-5. Доступны типы этих приборов с порогами сброса в диапазоне 2,5 В и 5,0 В с шагом 100 мВ, четырьмя различными периодами сброса (1 мс, 20 мс, 140 мс, 1,12 с), и четырьмя различными периодами сторожевого таймера (4,4 мс, 71 мс, 1,12 с, 17,9 с).
Контроль нескольких напряжений с помощью одной микросхемы. Многие системы требуют для работы нескольких напряжений питания. Эти напряжения могут контролироваться с помощью нескольких микросхем, но большинство разработчиков предпочтут одну, для контроля двух или более напряжений. DS1834 фирмы Dallas, например, контролирует напряжения 5 В и 3 В (или 3,3 В). Устройства, имеющие в своем составе аналоговые и цифровые цепи, часто требуют, что бы вы контролировали напряжение питания цифровой части схемы, наряду с положительным или отрицательным аналоговым напряжением.
Справиться с этой задачей помогут MAX6304, MAX6307, или MAX6310 (доступны в SOT корпусе), плюс четыре внешних резистора. Микросхемы отличаются только типом выхода сброса: с открым стоком и низким активным уровнем, двухтактный с низким или высоким активным уровнем. Они контролируют напряжение питания на выводе VCC, используя устанавливаемые при производстве пороги сброса в диапазоне от 2,5 В до 5,0 В с шагом 100 мВ. Оба устройства имеют компараторы повышенного и пониженного напряжения, чьи пороги устанавливаются внешними делителями. Входа недо- и перенапряжения этих двух компараторов могут осуществлять функцию "оконного" сброса, выдавая предупреждения (или формируя сброс), когда контролируемое напряжение слишком высокое или слишком низкое (выходит за границы окна). Или же вы можете использовать вход перенапряжения, как детектор уменьшения напряжения отрицательной полярности. Объединение этой функции с установкой и конфигурацией детектора пониженного напряжения позволяют супервизору контролировать логическое напряжение, например 5 В, наряду с положительным или отрицательным аналоговым напряжением, например ±12В (Рисунок 5). Показанное устройство имеет двухтактный выход сброса с низким активным уровнем (базовый номер 6310), номинальное пороговое напряжение 4,63 В (суффикс "46"), и номинальный период сброса 200 мс (суффикс D3). Показанные внешние резисторы позволяют генерировать сброс, когда аналоговое напряжение становиться меньше ±10 В.
Для обеспечения сохранности содержимого ОЗУ и других критических функций при пропадании напряжения питания, многие из старых супервизоров способны (наряду с обеспечением сброса) переключить питание таких систем с основного источника на резервные батареи или аккумуляторы. Потребность в переключателях на резервное питание уменьшилась с появлением flash памяти, но все еще необходима для некоторых систем.
Многие из старых супервизоров имеют внутренние переключатели для батарейного и основного питания, а при мощных нагрузках они могут переключать основное питание, управляя внешнем транзистором. Особенность переключателя на резервное питание, это защита от записи или управление доступом к чипу (chip enable - СЕ). При этом СЕ линия от микропроцессора или логики, которая обычно поступает к ОЗУ напрямую, проходит через супервизор. В обычном режиме работы сигнал проходит к ОЗУ без изменения. Во время сброса, супервизор выдает на СЕ высокий уровень, запрещая доступ к ОЗУ и таким образом защищая содержимое ОЗУ от ошибочной записи микропроцессором. Большинство современных супервизоров относительно простые устройства, которые обычно выпускают в маленьких корпусах, таких как SOT, но некоторые имеют дополнительные функции. MAX818 в 8-ми ножечном µMAX корпусе, например, обеспечивает контроль питания и функцию сторожевого таймера, наряду с переключением на резервное питание и управлением СЕ сигналом (рисунок 6). Переключатель на резервное питание в нем также обеспечивает функцию "сохранность батарей", что предотвращает разрядку батарей установленных в устройство перед продажей.
Функция "Сохранность батарей" позволяет закоротив выход СЕ на землю, и подав VCC протестировать устройство с установленными батареями во время производства, и затем убрать VCC (не раньше, чем истечет периода сброса после включения). При этом внутренний переключатель на резервное питание не будет переключаться на батареи, даже при отсутствии основного питания. Микросхема вернется к нормальному функционированию при следующей подаче напряжения питания (без закорачивания СЕ выхода на землю). Другая функция, имеющаяся в более сложных устройствах это выход снижения напряжения.
Это двоичный выход, переключаемый внутренним компаратором с порогом, немного превышающим пороговое напряжение сброса. Контролируя этот вывод, микропроцессор заранее получает предупреждение о предстоящем сбросе из-за снижения напряжения питания. Некоторые устройства имеют внутренний компаратор уменьшения снижения питания, один вход которого подключен к внутреннему опорному источнику напряжения, а другой вход (и выход) свободный. Это позволяет разработчику контролировать любой необходимый уровень напряжения, используя внешний делитель. Это часто используется для контроля нестабилизированного напряжения от батарей или другого источника, подаваемого на стабилизатор напряжения. Выход снижения напряжения информирует микроконтроллер, когда входное напряжение снижается, приближаясь к минимально допустимому для правильной работы стабилизатора. Раннее предупреждение позволяет системе правильно завершить работу перед пропаданием напряжения. Такими многофункциональными супервизорами являются, например DS1236, MAX793, и MAX807. Однако требования некоторых сложных и критичных систем, не могут быть выполнены с помощью одной микросхемы, даже много функциональной. Хорошим примером является высококачественные много осевые контроллеры перемещений от Motion Engineering Inc. (Santa Barbara, CA). Эти системы (XMP семейство) имеют уникальную, многостороннюю защиту схемы, состоящую их комбинации стандартных супервизоров и минимальной внешней логики (Рисунок 7). Простейший контроллер этого семейства (PCI версия и компактная PCI (CPCI) версия) обеспечивает питание DSP (цифровой сигнальный процессор) и контроль до 16 осей, т.е. 16 двигателей.
Поскольку стандартный интерфейс между контроллером и драйвером двигателя ±10В, ХМР формирует напряжение питания ±15 В с помощью DC-DC преобразователя расположенного на плате и питающего выходные каскады.
Он использует это напряжение, наряду со стандартными по CPCI спецификации ±12 В, +5 В, +3,3 В. Для PCI версии контроллера 3,3 В получают из 5 В используя другой DC-DC преобразователь. Так как аналоговые выходы непосредственно управляют скоростью двигателя, при аварийной ситуации они отключаются. Система контролирует все напряжения питания и выключает аналоговые выходы, если какое либо из напряжений выйдет за пределы нормы. Аппаратные средства используют сторожевой таймер для защиты себя, двигателей и их нагрузки от программных сбоев. Сторожевой таймер с коротким периодом (4 мс) перехватывает программные ошибки до того, как произойдут какие либо повреждения. При включении питания и загрузке, сторожевой таймер должен быть отключен до тех пор, пока управляющей компьютер и XMP не синхронизируются. После чего сторожевой таймер начинает работать таким образом, что бы программное обеспечение не смогло отключить его снова, без полного сброса DSP. Управляющий компьютер (в котором установлена ХМР) или внешний сигнал могут вызвать аппаратный сброс, который вызовет полную перезагрузку, приводя плату в такое же состояние, как и при включении питания. Сторожевой таймер вызывает только "мягкий" сброс, который отключает аналоговые выходы и заставляет FPGA (один из типов ПЛИС-программируемая логическая интегральная схема) сбросить свои I/O (входы/выходы) без перезагрузки конфигурации. Состояние "мягкого" сброса продолжается до тех пор, пока компьютер не решит что делать. Остальные источники вызывают аппаратный сброс. Один MAX6307 контролирует напряжение питания ± 15 В, другой ± 12 В. Как было сказано выше, вход превышения напряжения используется как детектор уменьшения отрицательного напряжения. Выходы сброса MAX6307 с открытым стоком по схеме ИЛИ объединены со сбросом формируемым компьютером, который для этого записывает определенное значение через PCI интерфейс в регистр CPLD (один из типов ПЛИС).
Результат поступает на вход ручного сброса (MR) MAX6315, а сигнал Внешнего Сброса подается на вход ручного сброса другого MAX6315. Один 6315 (с порогом 4,64 В) контролирует питание 5 В, а другой (порог 2,93 В) контролирует питание 3,3 В. Их выходы, объединенные по схеме ИЛИ, производят аппаратный сброс, который вызывает возвращение платы к такому же состоянию, как и при включении питания. MAX6303 в корпусе µMAX используется как сторожевой таймер. Этот супервизор использует два внешних конденсатора для установки независимых периодов сторожевого таймера и сброса. Период сторожевого таймера умножается на 1 или на 500 в зависимости от состояния входа WDS. Различные комбинации внешнего конденсатора и напряжения на WDS входе обеспечивают периоды от 100 мкс до нескольких минут. MAX6303 также имеет детектор уменьшения напряжения (в данной схеме не используется) порог которого устанавливается двумя внешними резисторами. Подача на вывод WDS MAX6303 высокого уровня и при свободном WDI входе отключает сторожевой таймер. Используя эту возможность и два флага (сигнала) из DSP, подаваемые в CPLD, после полного аппаратного сброса происходит выключение сторожевой таймер MAX6303. Первый сигнал STROBE используется как строб сторожевого таймера, второй ENABLE как разрешение работы сторожевого таймера (низкий активный уровень). Строб сигнал проходит через трехстабильный буфер в CPLD, прежде чем попасть на вход WDI. Сигнал разрешения фиксируется в триггере CPLD, а выход триггера управляет трех стабильным буфером. Этот триггер вместе с аналогичным, через который проходит строб сигнал, гарантирует, что оба сигнала будут высокого уровня, что приведет к отключению сторожевого таймера. Как только DSP загрузиться, он установит сигнал разрешения в низкий уровень. Это обнулит WDS триггер, что позволит строб сигналу STROBE пройти от CPLD на вход сторожевого таймера. Это вызовет включение сторожевого таймера. Триггер сконфигурирован так, что на входе WDS не может появиться высокий уровень, без полного сброса DSP.
Чтобы избежать "мягкой" перезагрузки, DSP должен обслуживать таймер каждые 4 мс. После истечения периода сторожевого таймера, на его выходе появляется сигнал сброса поступающий в CPLD, которая в свою очередь очищает свои внутренние управляющие регистры. Это указывает управляющему компьютеру, что произошел "мягкий" сброс. Сигнал на выходе сброса CPLD производит "мягкий" сброс FPGA, и также объединяется с полным аппаратным сбросом (выход MAX6315) для отключения аналоговых выходов. 74x08 элемент в SOT корпусе, работающий при очень низком напряжении, гарантирует, что сигнал сброса сохраниться и при скачках напряжения питания 5 В. Так как аналоговые выходы теперь отключены, компьютер может не торопясь решить, что делать. Он может перезагрузить DSP через PCI интерфейс и убрать "мягкий" сброс, очистив триггер, когда DSP будет готов. Или же он может перезагрузить всю систему. Используя три вида стандартных супервизора, простые вентили в SOT23-корпусе и минимум ресурсов CPLD, MEI реализовал очень надежную защиту. Цепь включает в себя 5 SOT корпусов, восемь миниатюрных (вероятно SMD) резисторов, два миниатюрных конденсатора, и один восьми ножечный µMax корпус в половину размера SO-восьминожечного корпуса. Общее занимаемое пространство примерно соответствует пространству, занимаемому стандартными 16-ножечным SO и 8-ми ножечным SO корпусами. Микросхемы супервизоров могут обеспечить необходимую защиту большинства существующих приложений, от простого сброса при включении, до сложных комплексных функций. Разработчик должен знать возможности, достоинства и недостатки этих микросхем. Даже если не существует одного устройства выполняющего все функции, необходимые в разрабатываемом устройстве, разумное использование миниатюрных компонентов может обеспечить недорогое и эффективное решение задачи при минимально используемом объеме.
