Reset与嵌入式系统应用的稳定性

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嵌入式系统的应用领域越来越广泛，干扰或者恶劣环境常影响嵌入式系统运行的稳定性和可靠性。Reset是维护系统稳定的一个关键因素，正确地设计复位电路，巧妙地应用复位操作，能使整个系统更可靠、稳定地运行。本文结合实际项目经验分析Reset的相关应用与设计，展示Reset对系统稳定性的重要性。
       
       
        引言
       
        在嵌入式系统电子设备的运行中，当出现程序跑飞的情况或程序跳转时，可用手动或自动的方法发信号给硬件特定接口，使软件的运行恢复到特定的程序段运行，这一操作就是复位（Reset）；这一过程中，手动或自动发给硬件特定接口的信号，就是复位信号。为了克服系统由于内因（时钟振荡源的稳定性）和外因（射频干扰）所引起的运行不稳定的情况，在嵌入式系统软件和硬件上，必须作相应的处理和保护。复位操作是一种行之有效的保护措施，同时复位系统本身也是引起嵌入式系统运行不稳定的因素，在设计时需特别注意。
       
        本文结合笔者亲身经历的实例来说明Reset的重要性，巧妙地运用Reset使系统工作更稳定可靠。
       
        1 Reset方式及手段
       
        在嵌入式应用系统中，复位操作包括两个方面——处理器本身的复位和系统中外设（外接功能模块）的复位，如图1所示。
       
       
        总的说来，嵌入式复位方式主要分硬件复位和软件复位。硬件复位，即采用硬件的手段、通过硬件复位信号对系统处理器或者外设进行复位。只要在RST端出现一定时间（具体看系统和处理器的机器周期）的复位电平信号，由CPU采样复位信号，启动复位时序，即可完成复位操作。硬件复位一般包括上电复位、按键复位、电压监控复位和看门狗复位等，这些复位信号，在系统设计时可用逻辑电路组合起来加载到系统的RST端。软件复位，即通过软件手段，在软件框架里对系统复位，重新初始化系统。
       
        按处理器内外来划分，又分为芯片内复位和芯片外复位。于是，硬件复位又分外部硬件复位和内部硬件复位。
       
        对于硬件复位，按复位信号电平高低又可分为高电平复位和低电平复位。高电平复位是高电平有效，并在复位脉冲的下降沿完成复位过程；低电平复位是低电平有效，并在复位脉冲的上升沿完成复位。具体用什么复位信号，视嵌入式系统本身而定，但大多采用低电平复位，这与TTL的功耗有关，因为TTL电路中高电平的吸收电流要远小于低电平的吸收电流。
       
        2上电复位的实现及稳定性设计
       
        2.1上电复位
         
        上电复位（Power On Reset，POR），即系统上电时通过复位电路，在RST引脚提供一个足够长时间的复位电平信号，直至系统电源稳定后，再撤销复位电平。在嵌入式系统中，上电复位是系统启动初始化复位，全面而系统地复位处理器内的所有逻辑单元与模块，将初始化内部逻辑操作，如存储器控制器、中断控制器和I/O引脚等的配置。
       
       
        上电复位是保证嵌入式系统正常运行的基本操作。通常处理器芯片内部自带上电复位电路，图2（a）所示为某MCU（微控制器）Reset引脚示意图，内部自带上电复位电路。MCU芯片上电时，片内POR将产生内部复位信号以初始化芯片内的数字模块，其时序如图2（b）所示。
       
        有的处理器芯片通过在片外添加RC延时电路来得到上电复位信号。RC复位电路的复位脉冲宽度由芯片要求的复位时间决定，持续时间取决于RC电路参数，电容太大复位时间很长，电容太小复位时间不够，不足以稳定复位。
       
        2.2上电复位失效及应对措施
         
        实际工作时，由于各方面的原因，上电复位会失效。由于受到干扰、电源波动、误操作等原因，短暂的电压下降造成供电恢复时由于电压没有满足POR的发生条件，复位端的低电平复位信号无法再次启动系统重新复位工作，此时会出现系统死机；电源二次开关时间间隔太短时，复位不可靠；当电源电压中有浪涌现象时，可能在浪涌消失后不能产生复位脉冲。这些现象尽管并不频繁，但对于某些特殊应用场景，如不能随时进行手动复位的远程自动控制系统，却是致命的。
       
        出现失效时，常采用提高复位门限来应对，使复位门限位于处理器正常工作电压范围内，且接近处理器正常工作时的最低门限。另一应对措施是延长复位信号时间，让复位信号在电压值恢复后维持足够长的时间。电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防止电源开关或电源捕头分一合过程中引起的抖动影响复位。另外，为了解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题引起的POR不可靠现象，有设计人员在RC电路中增加了二极管放电回路，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，这样，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
       
        2.3实例分析：快速开关机单片机启动不稳定
         
        笔者曾经做过一个ZigBee物联网项目，采用ZigBeeSoC芯片，硬件结构如图3所示，主要包括一个8051的MCU核和ZigBee收发器。调试时，发现ZigBee模块快速关机然后快速开机，即二次开机时不稳定，有时启动不正常，功能不能实现。在软件里加Trace信息，发现当快速开关机时MCU并没有正常启动，没有进入所需要的初始化和主循环。避免快速关机开机，则可以正常启动。当嵌入式系统关机后立即再开机，有时不能正常工作，是因为复位不充分，这是嵌入式系统的共同点。
       
       
        最后发现，由于SoC芯片里有内部POR，所以片外没有加RC复位电路。而工作电源VDD_3V上有20μF电容，下电时不能快速放电。添加外部RC复位电路（100 kΩ电阻和1μF电容），延长复位时间，电源稳定后再取消复位。Reset功能在芯片上下电时更稳定，问题得以解决。有时候电阻电容这种“小器件”往往可以解决“大问题”。
       
        3电压检测复位
       
        为了防止系统在上电、突然掉电或者电网瞬间欠压引起嵌入式系统操作失误，更常用和有效的方法是采用具有复位信号输出的电压监测电路。电压监测电路提供多种保护功能：在系统上电、瞬间欠压时提供系统复位信号；系统突然断电、瞬间欠压时输出监测信号，以供系统实施保护措施，如数据保护、I/O安全设置；可连接备用电源，保证备用电源的投、切控制。
       
        对于供电系统的容差范围较大、压值精度较低的情况，或者是遇到电网长期工作在欠压状态下时，可能会造成系统在正常工作条件下频繁复位。这种情况更应该监控电源电压，当监测到电压波动时，监控芯片向处理器发送电压异常信号，处理器响应该信号并中断正在运行的程序，进入掉电保护子程序，设置复位状态寄存器，避免下次上电时由于寄存器状态错误而无法启动上电复位。
       
       
        电压监测复位，可以解决电源毛刺等造成系统不稳定。复位电路可以采用分立元件搭建，目前常用专用集成电路芯片，阈值电压和复位信号有些可通过编程修改。图4是一个典型的电压监控复位芯片与微处理器的连接图。
       
        4看门狗复位
       
        看门狗复位（即程序运行监视复位）可保证程序非正常运行时能及时进入复位状态。看门狗分硬件看门狗和软件看门狗。
       
       
        4.1硬件看门狗复位
         
        硬件看门狗的基本原理是，为电路提供一个用于监视系统运行的信号线，当系统正常运行时，应在规定的时间内给信号线提供一个特定信号；如在规定的时间内无这个信号，自动复位电路就认为系统运行不正常，并重新对系统进行复位。具体方式是通过处理器的定时复位计数器来实现。此复位电路的可靠性还与软件有关，即将向复位电路发出脉冲的程序放在何处，在哪里插入“喂狗”指令，需作优化。
       
        硬件看门狗复位主要有三种形式：使用内部带WDT功能单元的电路，外部增设WDT电路和专用集成WDT芯片。图5是一个看门狗芯片的工作方式图。
       
        4.2软件复位
         
        软件复位可以节约电路板的空间和成本；软件复位方式更灵活，更便捷。尤其是对一些功能模块或者外设的监控，借鉴硬件看门狗思想，采用软件看门狗更有优越性。用软件来监测功能模块或者外设的工作情况，一旦认为功能模块或者外设工作异常，通过设定特殊的标记，达到Reset判据时，则通过处理器强行复位并重新初始化工作异常的功能模块或者外设，而其他功能模块或者外设照常工作。当然，有时也需要重新复位并初始化整个系统，使系统更稳定地运行。有些系统人为操作硬件复位（按键复位或者上下电）很不方便时，或者有些系统和产品不便于让用户知道其重启时，就可采用软件复位。
       
        4.3实例分析：手机找网问题
         
        笔者做过一个功能手机（feature phone）项目，由于手机平台刚推出，平台不太稳定，软件存在一些Bug，尤其是底层Layer1部分。手机找不到网，或者手机有网但过一段时间又没有网的现象，发生概率很小，很难Debug.当时软件找了很长时间的Bug，并把问题反馈给平台厂商，但没能及时给出解决方法。情急之下，只好做了应急之便，采用软件复位的方法来救急。
       
         
       
        在RTOS实时多任务操作系统软件中，添加一任务，设置网络状态标志位来监视网络状态，当手机没有信号时设置某标志；通过适当的判据，确认是否Reset，如果达到Reset条件就迅速地软件复位，软件重新初始化，如图6所示。复位过程只能是“偷偷地”快速进行，不能让用户察觉，否则用户体验极为不好；要保持用户界面，底层快速重启，不知不觉地完成重启。重启后，网络正常，用户使用正常，巧妙地缓解，当然最终还是从本质上去解决问题。
       
        5外设的复位及稳定性设计
       
        5.1外设复位的特殊性与可控性
         
        嵌入式系统通常有LCD显示、摄像头和无线通信模块等外设。外设正常工作也需要正确的复位。有些设计直接将外设的复位引脚与处理器的复位引脚连在一起，共用一个外部硬件复位源，如图7（a）所示。这种连接方式存在一些问题。首先，这要求复位电路有足够的复位时间，才能保证处理器和外设都正确复位；其次，一旦外设出问题，那么处理器也需要复位，整个系统都需重新初始化；最后，容易产生非同步复位，在处理器复位后，对外设写入命令时，可能被外设所复位掉，导致初始化出错。
       
       
        这些问题可以从硬件和软件两个方面来处理。硬件方面，对处理器和外设的复位分别进行复位电路设计，适当展宽复位脉冲。软件方面，采用延时法，CPU上电后延时一段时间，等待外设复位充分，再进行外设初始化。最可靠并最具操作性的是保证外设复位的可控性，使外设的复位信号与处理器复位信号分开，由处理器的某一GPIO来控制。当处理器稳定上电完成自身的初始化后，由处理器软件控制外设复位，适当延时后，再对外设进行初始化，如图7（b）所示。
       
       
        外设复位的可控性，对要求特殊复位时序的外设尤其有用。不同的外设，其复位时序要求不同，具有个性与特殊性，系统应根据具体的复位时序要求进行个性化复位，否则可能导致外设工作不正常。
       
        对于应用系统中有多个外设时，不应该如图8（a）那样把多个外设的复位引脚连在一起，由处理器的一个GPIO控制，进行一次外部硬件复位。通常采用如图8（b）的连接方式，处理器完成上电复位后，分别通过不同的GPIO控制、采用不同的延时对各外设分别进行上电及复位。系统运行过程中，某个外设因受干扰工作不正常时，可以单独对该外设进行复位操作，而不影响其他外设；有利于提高系统设计的灵活性和可靠性，能保证多个外设的可靠运行。
       
        5.2实例分析：WiFi模块的特殊复位信号
         
        笔者做过一个用WiFi进行数据传输的项目，整个系统如图9所示，SoC处理器模块采集到的数据通过UART传送给WiFi模块，WiFi模块再通过2.4 GHz无线信号传送给无线WiFi AP，最后经以太网口传送给PC，由PC把无线AP获取的数据保存到硬盘。
       
       
        调试时，发现前端部分工作不稳定，WiFi模块启动不稳定，各次启动现象不一致，有时能正常启动，有时不能正常启动。最后，找到问题的所在点：WiFi模块上电启动时，没有得到正确的复位。系统上电的RC复位电路产生的Reset信号并不能完全使系统稳定，需要再加一个脉冲信号，如图10（a）所示。WiFi模块的Reset时序包括两个阶段：大于20 ms的上电Reset和大于1 ms的硬件脉冲信号。微处理器SoC上电复位并初始化后，由I/O控制WiFi模块上电及复位，按需求进行了特殊复位处理，采用特殊的Reset信号和时序，如图10（b）所示，模块可以稳定启动，工作正常，问题解决。
       
         
        结语
       
        嵌入式系统的复位方式有上电复位、按键复位、电压监控复位和看门狗复位等很多种，正确地设计复位电路，合理并巧妙地应用各种类型的复位操作，能使整个嵌入式系统更可靠、更稳定地工作。