彈載計算機系統復位電路設計

張友森

摘 要：隨著數字大規模集成電路的發展，彈載計算機系統的集成度越來越高，功能越來越復雜，模擬系統和數字系統通常集成在同一電路系統中，并且采用統一的電源供電，當電源上電的時候，需要一個復位信號來初始化數字電路中的存儲單元，如數字寄存器，模擬電路中積分器等，以確保整個芯片進入正常的工作狀態，此外，芯片工作過程中電源電壓過低時，也需要復位信號來防止芯片工作在不正常狀態，因此上電復位電路是計算機系統中不可缺少的組成部分。

關鍵詞：看門狗；RC ；彈載

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

1 概述

隨著數字大規模集成電路的發展，彈載嵌入式計算機系統的集成度越來越高，功能越來越復雜，模擬系統和數字系統通常集成在同一電路系統中，并且采用統一的電源供電，當電源上電的時候，需要一個復位信號來初始化數字電路中的存儲單元，如數字寄存器，模擬電路中積分器等，以確保整個芯片進入正常的工作狀態， 此外，芯片工作過程中電源電壓過低時，也需要復位信號來防止芯片工作在不正常狀態，因此上電復位電路是計算機系統中不可缺少的組成部分。

2 復位電路設計技術

在彈載嵌入式計算機系統的電源上電過程中，復位電路復位成功后，開啟系統電路正常功能的運行，同時復位電路也起到一種保護的作用，在斷電過程中迅速泄放掉電量，讓系統芯片重新啟動變得可靠。 所以上電復位電路雖然較小，但是在電路啟動的時候是必不可少的。在掉電的時候復位信號會迅速放掉，電源電壓重新上電的時候復位信號重新產生，不受前次上電的動作的干擾，等到電源電壓上升到設定的數值再次刺激復位電路產生復位結束信號，啟動系統電路正常開始工作。

彈載嵌入式計算機系統的可靠性要求非常高，復位電路設計直接影響系統工作狀態，所以在系統設計時，要非常重視復位電路的設計工作，設計復位電路時需要考慮以下原則：

（1）復位信號最好是低電平有效，復位結束后上跳為高電平，并且上跳沿持續時間盡可能短；

（2）復位信號設計必須確保信號的穩定、可靠，當電源電壓有短暫的浪涌、欠壓時，不能產生復位脈沖，所以要設計濾波電路，信號在低電平、高電平狀態下穩定；

（3）復位信號的復位時間設計，必須保障所有系統內部電路在上電后，都能夠充分有效復位；

（4）系統內的不同子系統間采用同步復位設計，確保在上電后系統開始工作時，系統內的不同子系統都完成復位。

復位電路設計形式有很多，主要有四種類型：微分型復位電路，積分型復位電路，比較器型復位電路，看門狗型復位電路。

2.1 積分型復位電路

傳統積分型復位電路通常是由兩部分組成，脈沖部分和延時整形部分。上電復位延時電路一般采用的是電容和電阻串聯，RC 充放電控制復位時間，如圖 1 的A）所示。電源電壓從 0V開始上升，同時通過圖示中的電阻 R 給電容 C 充電，當電容的上極板電壓 A 達到下一級反相器的翻轉電平之后，導致反相器翻轉，輸出有效的復位信號高電平，復位結束。復位結束的時候，電源電壓升到的高度稱為上電復位電路的起拉電壓。

2.2 微分型復位電路

微分電路跟積分電路有著很大的相似度，但是復位跟時間常數τ跟 VCC的上升時間 T 的大小關系密切。假如τ< T，那么復位不明顯，假如τ>T，則在 VCC已經達到穩定值的時候，復位信號才開始釋放，所以后續電路可以可靠的進行接下來的動作。但是 τ 的大小跟電容 R 和電阻 C 的關系巨大，因此要消耗較大的面積來得到可靠的復位動作。

2.3 比較器型復位電路

比較器電路的原理就是通過正向電壓與負向電壓之間的比較輸出復位信號，如圖2所示，在電源電壓上電過程中，電源電壓通過RC或者R給正向輸入端和負向輸入端充電，在正向輸入端的電壓低于負向輸入端的時間端內，比較器輸出端輸出低電壓，通過級聯反相器得到復位信號，在正向輸入端的電壓等于或即將超過負向輸入端電壓的時候，比較器輸出端立刻翻轉輸出高電平，通過級聯反相器輸出復位結束信號。復位時間的大小跟RC的大小有較大關系。

2.4 看門狗型復位電路

看門狗型復位電路的作用是防止程序發生死循環，或者程序跑飛而設計的計時復位電路，在系統上電和程序開始運行后，計時電路開始自動計數，程序設計中有定時對計時電路進行清零的“喂狗”功能，如果程序發生死循環或者跑飛，程序中定時對計時電路進行清零的代碼將不會執行，造成計時電路的計數器溢出，啟動看門狗復位電路輸出系統復位脈沖，對系統進行復位。

3 彈載計算機系統復位電路典型故障

由于復位電路在系統工作中的重要性，直接關系到電路是否可正常完成功能任務，所以復位電路的可靠性設計是系統可靠性的關鍵。在實際電路系統設計時，復位電路經常出現各種各樣的問題，致使復位信號影響電路正常的啟動和工作，系統出現異常工作狀態，嚴重時出現導彈發射任務失敗的重大事故。

3.1 彈載計算機系統復位電路

某彈載計算機系統的復位電路采用采用積分型電路設計，RC電路配合相應的施密特反相器構成，具體如下：

式（2）中：，，；將、值代入式中，得秒，進而得t=236ms。而當電路中加有施密特反向器后，電路中的負載改變，時間t會提前到達施密特反向器的變換反轉電壓，用上面同樣的方法對各參數進行估算并實際測量，電路設計完成為30～50ms的復位指標。

3.2 故障及分析

復位電路設計的復位時間參數小于電路系統工作所需的時間，致使上電后工作時的BIT自檢出現自檢故障，故障的原因是由于接口電路的FPGA配置時間在低溫條件下變長，造成上電后CPU自檢時序不滿足接口芯片自檢時序要求引起的。通過調整復位電路輸出的復位信號低電平保持時間，大于全溫度條件下接口芯片內自檢開始時間，調整設計后的復位時間由約為上電后60ms，即可滿足系統要求。

4 結束語

復位電路設計是系統電路設計的簡單設計，所占工作量比重非常小，不太容易引起工程師的重視，但復位電路的重要性不言而喻，本文所述的復位電路設計及故障希望可以作為工程設計人員參考，在進行系統的工程化設計時考慮實際電路工作情況，選擇合適的復位設計電路，對設計的各項參數進行詳細計算，避免在工程應用過程中出現可靠性問題。

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