80C51單片機(jī)上電復(fù)位和復(fù)位延時(shí)的時(shí)序分析

80C51單片機(jī)的上電復(fù)位POR（Power On Reset）實(shí)質(zhì)上就是上電延時(shí)復(fù)位，也就是在上電延時(shí)期間把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上。為什么在每次單片機(jī)接通電源時(shí)，都需要加入一定的延遲時(shí)間呢？分析如下。

1  上電復(fù)位時(shí)序

　　在單片機(jī)及其應(yīng)用電路每次上電的過程中，由于電源回路中通常存在一些容量大小不等的濾波電容，使得單片機(jī)芯片在其電源引腳VCC和VSS之間所感受到的電源電壓值VDD，是從低到高逐漸上升的。該過程所持續(xù)的時(shí)間一般為1～100 ms（記作taddrise）。上電延時(shí)taddrise的定義是電源電壓從10% VDD上升到90% VDD所需的時(shí)間，如圖1所示。

圖1  上電延時(shí)taddrise和起振延時(shí)tosc實(shí)測(cè)結(jié)果

　　在單片機(jī)電源電壓上升到適合內(nèi)部振蕩電路運(yùn)行的范圍并且穩(wěn)定下來之后，時(shí)鐘振蕩器開始了啟動(dòng)過程（具體包括偏置、起振、鎖定和穩(wěn)定幾個(gè)過程）。該過程所持續(xù)的時(shí)間一般為1～50 ms（記作tosc）。起振延時(shí)tosc的定義是時(shí)鐘振蕩器輸出信號(hào)的高電平達(dá)到Vih1所需的時(shí)間。從圖1所示的實(shí)際測(cè)量圖中也可以看得很清楚。這里的Vih1是單片機(jī)電氣特性中的一個(gè)普通參數(shù)，代表XTAL1和RST引腳上的輸入邏輯高電平。例如，對(duì)于常見的單片機(jī)型號(hào)AT89C51和AT89S51，廠家給出的Vih1值為0.7VDD～VDD+0.5 V。

　　從理論上講，單片機(jī)每次上電復(fù)位所需的最短延時(shí)應(yīng)該不小于treset。這里，treset等于上電延時(shí)taddrise與起振延時(shí)tosc之和，如圖1所示。從實(shí)際上講，延遲一個(gè)treset往往還不夠，不能夠保障單片機(jī)有一個(gè)良好的工作開端。

　　在單片機(jī)每次初始加電時(shí)，首先投入工作的功能部件是復(fù)位電路。復(fù)位電路把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上并且維持一個(gè)延時(shí)（記作TRST），以便給予電源電壓從上升到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間；在電源電壓穩(wěn)定之后，再插入一個(gè)延時(shí)，給予時(shí)鐘振蕩器從起振到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間；在單片機(jī)開始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)之前，還要至少推遲2個(gè)機(jī)器周期的延時(shí)，如圖2所示。

圖2  復(fù)位信號(hào)釋放的時(shí)機(jī)

2  上電復(fù)位電路3款

　　上述一系列的延時(shí)，都是利用在單片機(jī)RST引腳上外接一個(gè)RC支路的充電時(shí)間而形成的。典型復(fù)位電路如圖3（a）所示，其中的阻容值是原始手冊(cè)中提供的。在經(jīng)歷了一系列延時(shí)之后，單片機(jī)才開始按照時(shí)鐘源的工作頻率，進(jìn)入到正常的程序運(yùn)行狀態(tài)。從圖2所示的實(shí)測(cè)曲線中可以同時(shí)看到4條曲線： VDD、Vrst、XTAL2和ALE。在電源電壓以及振蕩器輸出信號(hào)穩(wěn)定之后，又等待了一段較長的延時(shí)才釋放RST信號(hào)，使得CPU脫離復(fù)位鎖定狀態(tài)；而RST信號(hào)一旦被釋放，立刻在ALE引腳上就可檢測(cè)到持續(xù)的脈沖信號(hào)。

圖3  上電復(fù)位延時(shí)電路

　　由于標(biāo)準(zhǔn)80C51的復(fù)位邏輯相對(duì)簡單，復(fù)位源只有RST一個(gè)（相對(duì)新型單片機(jī)來說，復(fù)位源比較單一），因此各種原因所導(dǎo)致的復(fù)位活動(dòng)以及復(fù)位狀態(tài)的進(jìn)入，都要依靠在外接引腳RST上施加一定時(shí)間寬度的高電平信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)80C51不僅復(fù)位源比較單一，而且還沒有設(shè)計(jì)內(nèi)部上電復(fù)位的延時(shí)功能，因此必須借助于外接阻容支路來增加延時(shí)環(huán)節(jié)，如圖3(a)所示。其實(shí)，外接電阻R還是可以省略的，理由是一些CMOS單片機(jī)芯片內(nèi)部存在一個(gè)現(xiàn)成的下拉電阻Rrst。例如，AT89系列的Rrst阻值約為50～200 kΩ；P89V51Rx2系列的Rrst阻值約為40～225 kΩ，如圖4所示。因此，在圖3(a)基礎(chǔ)上，上電復(fù)位延時(shí)電路還可以精簡為圖3(b)所示的簡化電路（其中電容C的容量也相應(yīng)減小了）。

圖4  復(fù)位引腳RST內(nèi)部電路

　　在每次單片機(jī)斷電之后，須使延時(shí)電容C上的電荷立刻放掉，以便為隨后可能在很短的時(shí)間內(nèi)再次加電作好準(zhǔn)備。否則，在斷電后C還沒有充分放電的情況下，如果很快又加電，那么RC支路就失去了它應(yīng)有的延遲功能。因此，在圖3(a)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)放電二極管D，上電復(fù)位延時(shí)電路就變成了如圖3(c)所示的改進(jìn)電路。也就是說，只有RC支路的充電過程對(duì)電路是有用的，放電過程不僅無用，而且會(huì)帶來潛在的危害。于是附加一個(gè)放電二極管D來大力縮短放電持續(xù)時(shí)間，以便消除隱患。二極管D只有在單片機(jī)斷電的瞬間（即VCC趨近于0 V，可以看作VCC對(duì)地短路）正向?qū)?，平時(shí)一直處于反偏截止?fàn)顟B(tài)。

3  上電復(fù)位失敗的2種案例分析

　　假如上電復(fù)位延遲時(shí)間不夠或者根本沒有延時(shí)過程，則單片機(jī)可能面臨以下2種危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致CPU開始執(zhí)行程序時(shí)沒有一個(gè)良好的初始化，甚至陷入錯(cuò)亂狀態(tài)。

①  在時(shí)鐘振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖還沒有穩(wěn)定，甚至還沒有起振之前，就因釋放RST信號(hào)的鎖定狀態(tài)而放縱CPU開始執(zhí)行程序。這將會(huì)導(dǎo)致程序計(jì)數(shù)器PC中首次抓取的地址碼很可能是0000H之外的隨機(jī)值，進(jìn)而引導(dǎo)CPU陷入混亂狀態(tài)。參考圖5所示的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線。

圖5  在時(shí)鐘未穩(wěn)定前釋放RST的情況

②  在電源電壓還沒有上升到合適范圍之前（自然也是時(shí)鐘尚未穩(wěn)定之前），就釋放RST信號(hào)的鎖定狀態(tài)，將會(huì)使單片機(jī)永遠(yuǎn)感受不到復(fù)位信號(hào)、經(jīng)歷不到復(fù)位過程、包含PC在內(nèi)的各個(gè)SFR內(nèi)容沒有被初始化而保留了隨機(jī)值，從而導(dǎo)致CPU從一個(gè)隨機(jī)地址開始執(zhí)行程序，進(jìn)而也陷入混亂狀態(tài)。參考圖6所示的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線。

圖6  在電源和時(shí)鐘均未穩(wěn)定前釋放RST的情況

4  外接監(jiān)控器MAX810x

　　為了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及保障單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠復(fù)位，許多世界著名的半導(dǎo)體公司，陸續(xù)推出了種類繁多、功能各異、封裝微小的專用集成電路。本文僅以帶有電源電壓跌落復(fù)位和上電延遲復(fù)位功能的3腳芯片MAX810x為例，簡單說明。

　　MAX810x（x = L、M、J、T、S或R）是美國Maxim公司研制的一組CMOS電源監(jiān)控電路，能夠?yàn)榈凸奈⒖刂破鱉CU(或μC)、微處理器MPU(或μP)或數(shù)字系統(tǒng)監(jiān)視3~5 V的電源電壓。在電源上電、斷電和跌落期間產(chǎn)生脈寬不低于140 ms的復(fù)位脈沖。與采用分立元件或通用芯片構(gòu)成的欠壓檢測(cè)電路相比，將電壓檢測(cè)和復(fù)位延時(shí)等功能集成到一片3引腳封裝的小芯片內(nèi)，大大降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，減少了元器件的數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)可靠性和精確度。應(yīng)用電路如圖7所示。

圖7  外接帶延時(shí)功能的電壓檢測(cè)復(fù)位電路

　　MAX810x系列產(chǎn)品提供高電平復(fù)位信號(hào)，并且還能提供6種固定的檢測(cè)門限(4.63 V、4.38 V、4.00 V、3.08 V、2.93 V和2.63 V)。例如，MAX810M的檢測(cè)門限電壓就是4.38 V，回差電壓約為0.16 V。

　　對(duì)于MAX810，在電源上電、斷電或跌落期間，只要VCC還高于1.1 V，就能保證RESET引腳輸出高電壓。在VCC上升期間RESET維持高電平，直到電源電壓升至復(fù)位門限以上。在超過此門限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持240 ms后釋放RESET，使其返回低電平。無論何時(shí)只要電源電壓降低到復(fù)位門限以下（即電源跌落），RESET引腳就會(huì)立刻變高。

　　關(guān)于MAX810芯片的更多信息，可以參考該器件的產(chǎn)品手冊(cè)。