嵌入式系统应用中的Reset稳定性设计浅析

电子发烧友·2019-05-16 16:06

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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。

嵌入式系统应用中的Reset稳定性设计浅析

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 RS T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。

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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。

2.3 实例分析:快速开关机 单片机 启动不稳定

笔者曾经做过一个 ZigBee 物联网项目,采用ZigBeeSoC芯片,硬件结构如图3所示,主要包括一个8051的MCU核和ZigBee 收发器 。调试时,发现ZigBee模块快速关机然后快速开机,即二次开机时不稳定,有时启动不正常,功能不能实现。在软件里加Trace信息,发现当快速开关机时MCU并没有正常启动,没有进入所需要的初始化和主循环。避免快速关机开机,则可以正常启动。当嵌入式系统关机后立即再开机,有时不能正常工作,是因为复位不充分,这是嵌入式系统的共同点。

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最后发现,由于SoC芯片里有内部POR,所以片外没有加RC复位电路。而工作电源VDD_3V上有20μF电容,下电时不能快速放电。添加外部RC复位电路(100 kΩ 电阻 和1μF电容),延长复位时间,电源稳定后再取消复位。Reset功能在芯片上下电时更稳定,问题得以解决。有时候电阻电容这种“小器件”往往可以解决“大问题”。

3 电压检测复位

为了防止系统在上电、突然掉电或者电网瞬间欠压引起嵌入式系统操作失误,更常用和有效的方法是采用具有复位信号输出的电压监测电路。电压监测电路提供多种保护功能:在系统上电、瞬间欠压时提供系统复位信号;系统突然断电、瞬间欠压时输出监测信号,以供系统实施保护措施,如数据保护、I/O安全设置;可连接备用电源,保证备用电源的投、切控制。

对于供电系统的容差范围较大、压值精度较低的情况,或者是遇到电网长期工作在欠压状态下时,可能会造成系统在正常工作条件下频繁复位。这种情况更应该监控电源电压,当监测到电压波动时,监控芯片向处理器发送电压异常信号,处理器响应该信号并中断正在运行的程序,进入掉电保护子程序,设置复位状态 寄存器 ,避免下次上电时由于寄存器状态错误而无法启动上电复位。

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电压监测复位,可以解决电源毛刺等造成系统不稳定。复位电路可以采用分立元件搭建,目前常用专用集成电路芯片, 阈值电压 和复位信号有些可通过编程修改。图4是一个典型的电压监控复位芯片与微处理器的连接图。

4 看门狗复位

看门狗复位(即程序运行监视复位)可保证程序非正常运行时能及时进入复位状态。看门狗分硬件看门狗和软件看门狗。

4.1 硬件看门狗复位

硬件看门狗的基本原理是,为电路提供一个用于监视系统运行的 信号线 ,当系统正常运行时,应在规定的时间内给信号线提供一个特定信号;如在规定的时间内无这个信号,自动复位电路就认为系统运行不正常,并重新对系统进行复位。具体方式是通过处理器的定时复位计数器来实现。此复位电路的可靠性还与软件有关,即将向复位电路发出脉冲的程序放在何处,在哪里插入“喂狗”指令,需作优化。

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硬件看门狗复位主要有三种形式:使用内部带WDT功能单元的电路,外部增设WDT电路和专用集成WDT芯片。图5是一个看门狗芯片的工作方式图。

4.2 软件复位

软件复位可以节约 电路板 的空间和成本;软件复位方式更灵活,更便捷。尤其是对一些功能模块或者外设的监控,借鉴硬件看门狗思想,采用软件看门狗更有优越性。用软件来监测功能模块或者外设的工作情况,一旦认为功能模块或者外设工作异常,通过设定特殊的 标记 ,达到Reset判据时,则通过处理器强行复位并重新初始化工作异常的功能模块或者外设,而其他功能模块或者外设照常工作。当然,有时也需要重新复位并初始化整个系统,使系统更稳定地运行。有些系统人为操作硬件复位(按键复位或者上下电)很不方便时,或者有些系统和产品不便于让用户知道其重启时,就可采用软件复位。

4.3 实例分析:手机找网问题

笔者做过一个功能手机(feature phone)项目,由于手机平台刚推出,平台不太稳定,软件存在一些Bug,尤其是底层Layer1部分。手机找不到网,或者手机有网但过一段时间又没有网的现象,发生概率很小,很难Debug。当时软件找了很长时间的Bug,并把问题反馈给平台厂商,但没能及时给出解决方法。情急之下,只好做了应急之便,采用软件复位的方法来救急。

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在 RTOS 实时多任务操作系统软件中,添加一任务,设置网络状态标志位来监视网络状态,当手机没有信号时设置某标志;通过适当的判据,确认是否Reset,如果达到Reset条件就迅速地软件复位,软件重新初始化,如图6所示。复位过程只能是“偷偷地”快速进行,不能让用户察觉,否则用户体验极为不好;要保持用户界面,底层快速重启,不知不觉地完成重启。重启后,网络正常,用户使用正常,巧妙地缓解,当然最终还是从本质上去解决问题。

5 外设的复位及稳定性设计

5.1 外设复位的特殊性与可控性

嵌入式系统通常有LCD显示、摄像头和 无线通信 模块等外设。外设正常工作也需要正确的复位。有些设计直接将外设的复位引脚与处理器的复位引脚连在一起,共用一个外部硬件复位源,如图7(a)所示。这种连接方式存在一些问题。首先,这要求复位电路有足够的复位时间,才能保证处理器和外设都正确复位;其次,一旦外设出问题,那么处理器也需要复位,整个系统都需重新初始化;最后,容易产生异步复位,在处理器复位后,对外设写入命令时,可能被外设所复位掉,导致初始化出错。

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这些问题可以从硬件和软件两个方面来处理。硬件方面,对处理器和外设的复位分别进行复位电路设计,适当展宽复位脉冲。软件方面,采用延时法,CPU上电后延时一段时间,等待外设复位充分,再进行外设初始化。最可靠并最具操作性的是保证外设复位的可控性,使外设的复位信号与处理器复位信号分开,由处理器的某一G PI O来控制。当处理器稳定上电完成自身的初始化后,由处理器软件控制外设复位,适当延时后,再对外设进行初始化,如图7(b)所示。

外设复位的可控性,对要求特殊复位时序的外设尤其有用。不同的外设,其复位时序要求不同,具有个性与特殊性,系统应根据具体的复位时序要求进行个性化复位,否则可能导致外设工作不正常。

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对于应用系统中有多个外设时,不应该如图8(a)那样把多个外设的复位引脚连在一起,由处理器的一个GPIO控制,进行一次外部硬件复位。通常采用如图8(b)的连接方式,处理器完成上电复位后,分别通过不同的GPIO控制、采用不同的延时对各外设分别进行上电及复位。系统运行过程中,某个外设因受干扰工作不正常时,可以单独对该外设进行复位操作,而不影响其他外设;有利于提高系统设计的灵活性和可靠性,能保证多个外设的可靠运行。

5.2 实例分析:WiFi模块的特殊复位信号

笔者做过一个用WiFi进行数据传输的项目,整个系统如图9所示,SoC处理器模块采集到的数据通过 UART 传送给WiFi模块,WiFi模块再通过2.4 GHz无线信号传送给无线WiFi AP,最后经 以太网 口传送给PC,由PC把无线AP获取的数据保存到硬盘。

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调试时,发现前端部分工作不稳定,WiFi模块启动不稳定,各次启动现象不一致,有时能正常启动,有时不能正常启动。最后,找到问题的所在点:WiFi模块上电启动时,没有得到正确的复位。系统上电的RC复位电路产生的Reset信号并不能完全使系统稳定,需要再加一个脉冲信号,如图10(a)所示。WiFi模块的Reset时序包括两个阶段:大于20 ms的上电Reset和大于1 ms的硬件脉冲信号。微处理器SoC上电复位并初始化后,由I/O控制WiFi模块上电及复位,按需求进行了特殊复位处理,采用特殊的Reset信号和时序,如图10(b)所示,模块可以稳定启动,工作正常,问题解决。

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结语

嵌入式系统的复位方式有上电复位、按键复位、电压监控复位和看门狗复位等很多种,正确地设计复位电路,合理并巧妙地应用各种类型的复位操作,能使整个嵌入式系统更可靠、更稳定地工作。

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