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摘要：随着数字大规模集成电路的发展,弹载计算机系统的集成度越来越高,功能越来越复杂,模拟系统和数字系统通常集成在同一电路系统中,并且采用统一的电源供电,当电源上电的时候,需要一个复位信号来初始化数字电路中的存储单元,如数字寄存器,模拟电路中积分器等,以确保整个芯片进入正常的工作状态,此外,芯片工作过程中电源电压过低时,也需要复位信号来防止芯片工作在不正常状态,因此上电复位电路是计算机系统中不可缺少的组成部分.

关键词：看门狗；RC ；弹载

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.128

1 概述

随着数字大规模集成电路的发展,弹载嵌入式计算机系统的集成度越来越高,功能越来越复杂,模拟系统和数字系统通常集成在同一电路系统中,并且采用统一的电源供电,当电源上电的时候,需要一个复位信号来初始化数字电路中的存储单元,如数字寄存器,模拟电路中积分器等,以确保整个芯片进入正常的工作状态, 此外,芯片工作过程中电源电压过低时,也需要复位信号来防止芯片工作在不正常状态,因此上电复位电路是计算机系统中不可缺少的组成部分.

2 复位电路设计技术

在弹载嵌入式计算机系统的电源上电过程中,复位电路复位成功后,开启系统电路正常功能的运行,同时复位电路也起到一种保护的作用,在断电过程中迅速泄放掉电量,让系统芯片重新启动变得可靠. 所以上电复位电路虽然较小,但是在电路启动的时候是必不可少的.在掉电的时候复位信号会迅速放掉,电源电压重新上电的时候复位信号重新产生,不受前次上电的动作的干扰,等到电源电压上升到设定的数值再次刺激复位电路产生复位结束信号,启动系统电路正常开始工作.

弹载嵌入式计算机系统的可靠性要求非常高,复位电路设计直接影响系统工作状态,所以在系统设计时,要非常重视复位电路的设计工作,设计复位电路时需要考虑以下原则：

（1）复位信号最好是低电平有效,复位结束后上跳为高电平,并且上跳沿持续时间尽可能短；

（2）复位信号设计必须确保信号的稳定、可靠,当电源电压有短暂的浪涌、欠压时,不能产生复位脉冲,所以要设计滤波电路,信号在低电平、高电平状态下稳定；

（3）复位信号的复位时间设计,必须保障所有系统内部电路在上电后,都能够充分有效复位；

（4）系统内的不同子系统间采用同步复位设计,确保在上电后系统开始工作时,系统内的不同子系统都完成复位.

复位电路设计形式有很多,主要有四种类型：微分型复位电路,积分型复位电路,比较器型复位电路,看门狗型复位电路.

2.1 积分型复位电路

传统积分型复位电路通常是由两部分组成,脉冲部分和延时整形部分.上电复位延时电路一般采用的是电容和电阻串联,RC 充放电控制复位时间,如图 1 的A）所示.电源电压从 0V开始上升,同时通过图示中的电阻 R 给电容 C 充电,当电容的上极板电压 A 达到下一级反相器的翻转电平之后,导致反相器翻转,输出有效的复位信号高电平,复位结束.复位结束的时候,电源电压升到的高度称为上电复位电路的起拉电压.

2.2 微分型复位电路

微分电路跟积分电路有着很大的相似度,但是复位跟时间常数τ跟 VCC的上升时间 T 的大小关系密切.假如τ< T,那么复位不明显,假如τ>T,则在 VCC已经达到稳定值的时候,复位信号才开始释放,所以后续电路可以可靠的进行接下来的动作.但是 τ 的大小跟电容 R 和电阻 C 的关系巨大,因此要消耗较大的面积来得到可靠的复位动作.

2.3 比较器型复位电路

比较器电路的原理就是通过正向电压与负向电压之间的比较输出复位信号,如图2所示,在电源电压上电过程中,电源电压通过RC或者R给正向输入端和负向输入端充电,在正向输入端的电压低于负向输入端的时间端内,比较器输出端输出低电压,通过级联反相器得到复位信号,在正向输入端的电压等于或即将超过负向输入端电压的时候,比较器输出端立刻翻转输出高电平,通过级联反相器输出复位结束信号.复位时间的大小跟RC的大小有较大关系.

2.4 看门狗型复位电路

看门狗型复位电路的作用是防止程序发生死循环,或者程序跑飞而设计的计时复位电路,在系统上电和程序开始运行后,计时电路开始自动计数,程序设计中有定时对计时电路进行清零的“喂狗”功能,如果程序发生死循环或者跑飞,程序中定时对计时电路进行清零的代码将不会执行,造成计时电路的计数器溢出,启动看门狗复位电路输出系统复位脉冲,对系统进行复位.

3 弹载计算机系统复位电路典型故障

由于复位电路在系统工作中的重要性,直接关系到电路是否可正常完成功能任务,所以复位电路的可靠性设计是系统可靠性的关键.在实际电路系统设计时,复位电路经常出现各种各样的问题,致使复位信号影响电路正常的启动和工作,系统出现异常工作状态,严重时出现导弹发射任务失败的重大事故.

3.1 弹载计算机系统复位电路

某弹载计算机系统的复位电路采用采用积分型电路设计,RC电路配合相应的施密特反相器构成,具体如下：

式（2）中：,,；将、值代入式中,得秒,进而得t等于236ms.而当电路中加有施密特反向器后,电路中的负载改变,时间t会提前到达施密特反向器的变换反转电压,用上面同樣的方法对各参数进行估算并实际测量,电路设计完成为30～50ms的复位指标.

3.2 故障及分析

复位电路设计的复位时间参数小于电路系统工作所需的时间,致使上电后工作时的BIT自检出现自检故障,故障的原因是由于接口电路的FPGA配置时间在低温条件下变长,造成上电后CPU自检时序不满足接口芯片自检时序要求引起的.通过调整复位电路输出的复位信号低电平保持时间,大于全温度条件下接口芯片内自检开始时间,调整设计后的复位时间由约为上电后60ms,即可满足系统要求.

4 结束语

复位电路设计是系统电路设计的简单设计,所占工作量比重非常小,不太容易引起工程师的重视,但复位电路的重要性不言而喻,本文所述的复位电路设计及故障希望可以作为工程设计人员参考,在进行系统的工程化设计时考虑实际电路工作情况,选择合适的复位设计电路,对设计的各项参数进行详细计算,避免在工程应用过程中出现可靠性问题.

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电路设计论文参考资料：