基于MSP430系列單片機復(fù)位電路系統(tǒng)設(shè)計分析

0 引言

　　TI公司的混合信號處理器MSP430系列單片機以其處理能力強大、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，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)計師所青睞。由于復(fù)位電路設(shè)計問題而導(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單片機電路設(shè)計者們在設(shè)計、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)計人員的足夠重視。

　　為此，本文對MSP430全系列單片機的復(fù)位系統(tǒng)和復(fù)位機制進行了詳細深入的分析，并針對性地提出了具體的外圍復(fù)位電路設(shè)計方案和有關(guān)電子元器件的詳細介紹，以供同行參考和交流。

　　1 MSP430復(fù)位機制

　　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時序見圖1(a)所示。

　　當(dāng)供電電壓VCC緩慢上升時，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，POR延時t(POR DELAY)提供了足夠長的有效POR信號以確保MSP430有足夠的時間進行初始化。

　　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)位時序。從圖中看出，當(dāng)VCC超過啟動電壓VCC(star-t)時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)過一段時間的延時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，供電電壓VCC在上一個周期的下降期或在受到干擾時必須低于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，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，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，此時出現(xiàn)系統(tǒng)死機，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)盡管并不頻繁，但對于不能隨時進行手動復(fù)位的遠端自動控制系統(tǒng)而言，卻是致命的。

　　在進行電路設(shè)計前仔細查看產(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)計不同的復(fù)位電路。

　　2 復(fù)位電路設(shè)計方法

　　2.1 提高復(fù)位門限

　　提高MSP430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正常工作時的最低門限Vcc min，此時可以保證在供電電壓位于Vcc min附近且MCU仍能正常工作時，在門限處向MSP430發(fā)出復(fù)位信號。此時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，其供電電壓Vp max=3.34V，Vp min=3.23V，此時應(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)

　　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)位信號時間

　　由于MSP430內(nèi)部POR只有在上電時提供復(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，可以采取延長復(fù)位信號持續(xù)時間或增加復(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，遠遠大于MSP430F149的有效復(fù)位信號要求時間(25μs)與POR信號維持時間(250μs)之和，在系統(tǒng)遇到周期120ms以內(nèi)的電壓波動時可保證系統(tǒng)正確復(fù)位。

　　利用帶有看門狗定時器的復(fù)位芯片MAX803，還可以控制發(fā)送長達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)，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，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，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行的程序進入掉電保護子程序、設(shè)置復(fù)位狀態(tài)寄存器，避免下次上電時由于寄存器狀態(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，因為不穩(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)位之前進入掉電處理程序。

　　3 總結(jié)

　　對于內(nèi)部復(fù)位機制不同(Brownout電路)的子系列MSP430單片機，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)位時間和監(jiān)控電壓源等方法設(shè)計復(fù)位電路，可以有效避免在實際應(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。