彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

張友森

摘 要：隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展，彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越復(fù)雜，模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)通常集成在同一電路系統(tǒng)中，并且采用統(tǒng)一的電源供電，當(dāng)電源上電的時(shí)候，需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)來(lái)初始化數(shù)字電路中的存儲(chǔ)單元，如數(shù)字寄存器，模擬電路中積分器等，以確保整個(gè)芯片進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，此外，芯片工作過(guò)程中電源電壓過(guò)低時(shí)，也需要復(fù)位信號(hào)來(lái)防止芯片工作在不正常狀態(tài)，因此上電復(fù)位電路是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

關(guān)鍵詞：看門狗；RC ；彈載

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

1 概述

隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展，彈載嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越復(fù)雜，模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)通常集成在同一電路系統(tǒng)中，并且采用統(tǒng)一的電源供電，當(dāng)電源上電的時(shí)候，需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)來(lái)初始化數(shù)字電路中的存儲(chǔ)單元，如數(shù)字寄存器，模擬電路中積分器等，以確保整個(gè)芯片進(jìn)入正常的工作狀態(tài)， 此外，芯片工作過(guò)程中電源電壓過(guò)低時(shí)，也需要復(fù)位信號(hào)來(lái)防止芯片工作在不正常狀態(tài)，因此上電復(fù)位電路是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)技術(shù)

在彈載嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電源上電過(guò)程中，復(fù)位電路復(fù)位成功后，開(kāi)啟系統(tǒng)電路正常功能的運(yùn)行，同時(shí)復(fù)位電路也起到一種保護(hù)的作用，在斷電過(guò)程中迅速泄放掉電量，讓系統(tǒng)芯片重新啟動(dòng)變得可靠。 所以上電復(fù)位電路雖然較小，但是在電路啟動(dòng)的時(shí)候是必不可少的。在掉電的時(shí)候復(fù)位信號(hào)會(huì)迅速放掉，電源電壓重新上電的時(shí)候復(fù)位信號(hào)重新產(chǎn)生，不受前次上電的動(dòng)作的干擾，等到電源電壓上升到設(shè)定的數(shù)值再次刺激復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位結(jié)束信號(hào)，啟動(dòng)系統(tǒng)電路正常開(kāi)始工作。

彈載嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性要求非常高，復(fù)位電路設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)工作狀態(tài)，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要非常重視復(fù)位電路的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)需要考慮以下原則：

（1）復(fù)位信號(hào)最好是低電平有效，復(fù)位結(jié)束后上跳為高電平，并且上跳沿持續(xù)時(shí)間盡可能短；

（2）復(fù)位信號(hào)設(shè)計(jì)必須確保信號(hào)的穩(wěn)定、可靠，當(dāng)電源電壓有短暫的浪涌、欠壓時(shí)，不能產(chǎn)生復(fù)位脈沖，所以要設(shè)計(jì)濾波電路，信號(hào)在低電平、高電平狀態(tài)下穩(wěn)定；

（3）復(fù)位信號(hào)的復(fù)位時(shí)間設(shè)計(jì)，必須保障所有系統(tǒng)內(nèi)部電路在上電后，都能夠充分有效復(fù)位；

（4）系統(tǒng)內(nèi)的不同子系統(tǒng)間采用同步復(fù)位設(shè)計(jì)，確保在上電后系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的不同子系統(tǒng)都完成復(fù)位。

復(fù)位電路設(shè)計(jì)形式有很多，主要有四種類型：微分型復(fù)位電路，積分型復(fù)位電路，比較器型復(fù)位電路，看門狗型復(fù)位電路。

2.1 積分型復(fù)位電路

傳統(tǒng)積分型復(fù)位電路通常是由兩部分組成，脈沖部分和延時(shí)整形部分。上電復(fù)位延時(shí)電路一般采用的是電容和電阻串聯(lián)，RC 充放電控制復(fù)位時(shí)間，如圖 1 的A）所示。電源電壓從 0V開(kāi)始上升，同時(shí)通過(guò)圖示中的電阻 R 給電容 C 充電，當(dāng)電容的上極板電壓 A 達(dá)到下一級(jí)反相器的翻轉(zhuǎn)電平之后，導(dǎo)致反相器翻轉(zhuǎn)，輸出有效的復(fù)位信號(hào)高電平，復(fù)位結(jié)束。復(fù)位結(jié)束的時(shí)候，電源電壓升到的高度稱為上電復(fù)位電路的起拉電壓。

2.2 微分型復(fù)位電路

微分電路跟積分電路有著很大的相似度，但是復(fù)位跟時(shí)間常數(shù)τ跟 VCC的上升時(shí)間 T 的大小關(guān)系密切。假如τ< T，那么復(fù)位不明顯，假如τ>T，則在 VCC已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)候，復(fù)位信號(hào)才開(kāi)始釋放，所以后續(xù)電路可以可靠的進(jìn)行接下來(lái)的動(dòng)作。但是 τ 的大小跟電容 R 和電阻 C 的關(guān)系巨大，因此要消耗較大的面積來(lái)得到可靠的復(fù)位動(dòng)作。

2.3 比較器型復(fù)位電路

比較器電路的原理就是通過(guò)正向電壓與負(fù)向電壓之間的比較輸出復(fù)位信號(hào)，如圖2所示，在電源電壓上電過(guò)程中，電源電壓通過(guò)RC或者R給正向輸入端和負(fù)向輸入端充電，在正向輸入端的電壓低于負(fù)向輸入端的時(shí)間端內(nèi)，比較器輸出端輸出低電壓，通過(guò)級(jí)聯(lián)反相器得到復(fù)位信號(hào)，在正向輸入端的電壓等于或即將超過(guò)負(fù)向輸入端電壓的時(shí)候，比較器輸出端立刻翻轉(zhuǎn)輸出高電平，通過(guò)級(jí)聯(lián)反相器輸出復(fù)位結(jié)束信號(hào)。復(fù)位時(shí)間的大小跟RC的大小有較大關(guān)系。

2.4 看門狗型復(fù)位電路

看門狗型復(fù)位電路的作用是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者程序跑飛而設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)復(fù)位電路，在系統(tǒng)上電和程序開(kāi)始運(yùn)行后，計(jì)時(shí)電路開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)，程序設(shè)計(jì)中有定時(shí)對(duì)計(jì)時(shí)電路進(jìn)行清零的“喂狗”功能，如果程序發(fā)生死循環(huán)或者跑飛，程序中定時(shí)對(duì)計(jì)時(shí)電路進(jìn)行清零的代碼將不會(huì)執(zhí)行，造成計(jì)時(shí)電路的計(jì)數(shù)器溢出，啟動(dòng)看門狗復(fù)位電路輸出系統(tǒng)復(fù)位脈沖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

3 彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路典型故障

由于復(fù)位電路在系統(tǒng)工作中的重要性，直接關(guān)系到電路是否可正常完成功能任務(wù)，所以復(fù)位電路的可靠性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。在實(shí)際電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)位電路經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，致使復(fù)位信號(hào)影響電路正常的啟動(dòng)和工作，系統(tǒng)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)失敗的重大事故。

3.1 彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路

某彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路采用采用積分型電路設(shè)計(jì)，RC電路配合相應(yīng)的施密特反相器構(gòu)成，具體如下：

式（2）中：，，；將、值代入式中，得秒，進(jìn)而得t=236ms。而當(dāng)電路中加有施密特反向器后，電路中的負(fù)載改變，時(shí)間t會(huì)提前到達(dá)施密特反向器的變換反轉(zhuǎn)電壓，用上面同樣的方法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行估算并實(shí)際測(cè)量，電路設(shè)計(jì)完成為30～50ms的復(fù)位指標(biāo)。

3.2 故障及分析

復(fù)位電路設(shè)計(jì)的復(fù)位時(shí)間參數(shù)小于電路系統(tǒng)工作所需的時(shí)間，致使上電后工作時(shí)的BIT自檢出現(xiàn)自檢故障，故障的原因是由于接口電路的FPGA配置時(shí)間在低溫條件下變長(zhǎng)，造成上電后CPU自檢時(shí)序不滿足接口芯片自檢時(shí)序要求引起的。通過(guò)調(diào)整復(fù)位電路輸出的復(fù)位信號(hào)低電平保持時(shí)間，大于全溫度條件下接口芯片內(nèi)自檢開(kāi)始時(shí)間，調(diào)整設(shè)計(jì)后的復(fù)位時(shí)間由約為上電后60ms，即可滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)位電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，所占工作量比重非常小，不太容易引起工程師的重視，但復(fù)位電路的重要性不言而喻，本文所述的復(fù)位電路設(shè)計(jì)及故障希望可以作為工程設(shè)計(jì)人員參考，在進(jìn)行系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)時(shí)考慮實(shí)際電路工作情況，選擇合適的復(fù)位設(shè)計(jì)電路，對(duì)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，避免在工程應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。

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