節(jié)電設(shè)計(jì)中掉電狀態(tài)MCU的復(fù)位喚醒速度

從上電復(fù)位的討論中可以得知，其可靠復(fù)位所需時間主要取決于電源電壓的上升時間；那么對于此處掉電復(fù)位來說，當(dāng)已沒有了電源電壓上升的問題時（對于那種掉電后電源電壓下降到2V者，則應(yīng)先將電源電壓上升到正常值后方可對RST引腳施加復(fù)位信號），復(fù)位所需時間又取決于什么？對于這一點(diǎn)，相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊并未給出確切說明，只說“復(fù)位信號激活了振蕩器，復(fù)位信號必須保持有效到使振蕩器起振并達(dá)穩(wěn)定（一般少于10ms）” [1]，這似乎是說該MCU的掉電復(fù)位喚醒時間約為數(shù)毫秒。然而，該數(shù)據(jù)手冊提供的相關(guān)內(nèi)部電路框圖[1]以及筆者所作的實(shí)際測試均表明，情況并非完全如此。

從文獻(xiàn)[1]中與掉電方式有關(guān)的內(nèi)部電路框圖可見，片內(nèi)振蕩器的起振和向后傳輸均受控于掉電控制位PD，因此掉電復(fù)位時必定是先進(jìn)行片內(nèi)初始狀態(tài)的設(shè)置（其中包含PD位清零），然后才能使片內(nèi)振蕩器起振并后傳。同時，也正由于片內(nèi)振蕩器的起振是由片內(nèi)初態(tài)進(jìn)行控制的，所以片內(nèi)初態(tài)一旦可靠建立，片外復(fù)位信號就沒有必要一直保留到使片內(nèi)振蕩器振幅趨于穩(wěn)定。以下測試證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖二給出了AT89C51在掉電復(fù)位喚醒時的實(shí)際測試結(jié)果，此時其片內(nèi)振蕩器的片外定時元件為4MHz的陶瓷諧振器。

圖二 AT89C51在掉電狀態(tài)下復(fù)位時的起振時序

由圖二可見，當(dāng)復(fù)位信號前沿到來時，片內(nèi)振蕩器立即在1/2VCC（2.5V）左右處開始起振。在起始的3us時段內(nèi)其振幅很小，4us～9us期間其振幅迅速增加，到10us～15us內(nèi)則漸趨穩(wěn)定。由此可得以下幾點(diǎn)結(jié)論：首先，片內(nèi)振蕩器的起振速度大大快于數(shù)據(jù)手冊[1]中所說的“一般少于10ms”。其次，當(dāng)復(fù)位信號到來時，片內(nèi)振蕩器并未象上電復(fù)位那樣等了一段時間以后再起振，而是立即起振。這是由于在掉電復(fù)位喚醒前，電源電壓依然存在，使得片內(nèi)振蕩器的某些靜態(tài)工作點(diǎn)仍然維持著，所以一旦復(fù)位操作清除了掉電控制位PD，振蕩器便立即在工作點(diǎn)處（1/2VCC=2.5V）開始起振，顯然比上電復(fù)位時省掉了一段逐步建立工作點(diǎn)所需的啟動時間。

為了確切了解AT89C51的可靠復(fù)位喚醒要求片外所加的復(fù)位信號至少應(yīng)保持多少寬度，筆者以另一MCU發(fā)出的窄脈沖作為被測MCU的復(fù)位信號，并不斷改變其寬度，再以觀察被測MCU的一個I/O引腳電平的變化來判斷是否可靠地完成了復(fù)位喚醒操作，即在MCU進(jìn)入掉電狀態(tài)之前先將該引腳用指令置為低電平，隨后掉電復(fù)位喚醒發(fā)生時的片內(nèi)初態(tài)設(shè)置操作又會把該引腳強(qiáng)制置為高電平，最后，由掉電復(fù)位喚醒結(jié)束后的第一條指令再將其立即拉為低電平。測試結(jié)果顯示，當(dāng)外加的復(fù)位信號寬度為1us～6us時，被測MCU有時不能可靠復(fù)位，具體表現(xiàn)為該I/O引腳被復(fù)位的初態(tài)設(shè)置操作強(qiáng)制拉高后又可能隨著復(fù)位信號的撤除而立即下降。而當(dāng)外加的復(fù)位信號寬度大于8us后，被測MCU就能可靠復(fù)位喚醒并在外加復(fù)位信號撤除后能順利開始執(zhí)行程序。這個結(jié)果表明：①復(fù)位時MCU的端口引腳跟隨復(fù)位信號的高電平前沿立即變高，滯后小于1us；②復(fù)位喚醒時MCU的片內(nèi)初態(tài)的設(shè)置領(lǐng)先于片內(nèi)振蕩器的起振。③復(fù)位喚醒時外加的復(fù)位信號寬度最小只需幾個us即可，不必等到振蕩器振幅達(dá)到最大就可使MCU開始執(zhí)行指令（上述8us處的振蕩幅度大約為160mVpp），這可能是因?yàn)樵谄瑑?nèi)振蕩器后面有一級分頻器，將振蕩器在1/2VCC處的小幅度振蕩整形為滿幅度時鐘信號了。

由此可知，掉電狀態(tài)下MCU的復(fù)位喚醒雖與片內(nèi)振蕩器有關(guān)，但其喚醒時間并不等同于片內(nèi)振蕩器從起振到穩(wěn)定的時間。若想獲得最快的復(fù)位喚醒速度，還可考慮使用片外振蕩器，以便MCU的掉電操作對振蕩器不構(gòu)成影響。

對于非MCS51的其它MCU系列，其掉電喚醒的復(fù)位操作和時序大致與上述相同，只是具體時間參數(shù)上可能有所差異。以MICROCHIP的 PIC12F508為例[5]，其片內(nèi)主管復(fù)位延時的定時器DRT的延時值分為兩類，一類是上電復(fù)位時的延時值為18ms，另一類是采用片內(nèi)RC振蕩器或片外時鐘輸入時用作復(fù)位喚醒的延時值為10us。稍顯不足的是，該文檔還聲稱當(dāng)采用片外晶振時其DRT的延時值仍為18ms，這顯然與本文所測數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。

2．結(jié)束語

能否以硬件復(fù)位對MCU實(shí)行快速喚醒是妨礙采用掉電方式進(jìn)行MCU節(jié)電設(shè)計(jì)的一道門檻，其關(guān)鍵在于MCU掉電時的復(fù)位喚醒時間是否可知、是否夠快。本文工作就這兩點(diǎn)給出了答案。結(jié)論是明確的：采用片內(nèi)振蕩器時，掉電狀態(tài)下的復(fù)位喚醒時間小于片內(nèi)振蕩器從起振到穩(wěn)定的時間（且遠(yuǎn)小于上電復(fù)位時間），采用陶瓷諧振器時，該時間可快至10微秒左右，若想進(jìn)一步加快則可采用片外時鐘方案。

參考文獻(xiàn)
[1] MCS 51 MICROCONTROLLER FAMILY USER’S MANUAL?！ww6.informatik.tu-muenchen.de/lehre/vorlesungen/script_ez_2000 /intel-mcs51.pdf。1994，2。P.3-26～P.3-29
[2] Oscillators for Microcontrollers。www.intel.com/design/mcs51/applnots/23065901.pdf。1983，6。P. 3～P.7
[3] 孫涵芳、徐愛卿。MCS-51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社。1988，2。P.77
[4] 何立民。單片機(jī)高級教程：應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社。2000，8。P.109