Супервізори живлення і охоронні таймери

Супервізором живлення (Power Supervisory Circuits) або Монітором (Monitor)називається електронна схема (далі — SV),призначена для виконання функції початкового скидання (або ініціалізації) мікроконтролера (мікропроцесора) при вмиканні живлення або зменшення напруги живлення нижче певного значення в процесі роботи. При цьому тривалість сигналу скидання повинна бути більше певної обумовленої величини. Полярність сигналу скидання повинна відповідати полярності входу скидання мікроконтролера (мікропроцесора). Супервізор повинен мати додатковий вхід для скидання системи від додаткової кнопки скидання. В деяких випадках супервізори мають додаткові входи, що аналізують іншу напругу живлення. Крім того, супервізори можуть формувати сигнали переривання при різних ситуаціях.

Охоронним (сторожовим) таймером (WDT — Watch Dog Timer)називається спеціалізована схема захисту мікроконтролерної (мікропроцесорної) системи від програмних зависань. Ідея захисту достатньо проста. Мікроконтролер періодично, не рідше певного фіксованого часового інтервалу подає імпульс перезапуску таймера (далі імпульс WD ) на вхід схеми захисту. Імпульс подається через диференціювальне коло для виключення ймовірного впливу на схему. Схема є очікувальним одновібратором з фіксованою затримкою вихідного імпульсу скидання, що генерується (далі RST),і фіксованою тривалістю цього імпульсу. Якщо період надходження імпульсів WDне перевищує величини фіксованої затримки, вихідні імпульси RSTне генеруються, оскільки відбувається постійний перезапуск сторожового таймера.

Мікросхеми супервізорів живлення випускаються багатьма відомими фірмами світу: Analog Devices, Dallas Semiconductors, Electronic Technology, IMP, Linear Technology, MAXIM, Microchip, Sipex, Telcom, Texas Instruments. Окрім основної функції — власне супервізора живлення, багато мікросхем оснащуються охоронним таймером WDT, а також рядом додаткових функцій. Залежно від кількості вбудованих функціональних вузлів, мікросхеми випускаються в найрізноманітніших корпусах.

Перерахуємо основні і можливі функції (властивості) мікросхем супервізорів живлення:

1) генерація сигналу RSTпри вмиканні живлення;

2) генерація сигналу RSTпри зменшенні живлення нижче певного значення (допуску) в процесі роботи для виключення можливості неправильного функціонування;

3) наявність виходів сигналу RSTоднієї або обох полярностей;

4) наявність входу для зовнішньої кнопки скидання;

5) наявність компаратора раннього попередження (про зниження живлення);

6) наявність вбудованого сторожового таймера WDT;

7) можливість програмування (підбором подільника резистора) порогової напруги (допуску) генерації сигналу RST;

8) можливість установки, (підбором конденсатора) тривалості сигналу RST;

9) можливість установки (підбором конденсатора) періоду спрацьовування WDT;

10) наявність схеми підключення резервного живлення (акумулятора);

11) наявність схеми контролю заряду джерела резервного живлення;

12) наявність схеми заряджання джерела резервного живлення;

13) наявність одного або кількох входів і виходів вибірки (CS)пам'яті, що блокують роботу пам'яті при зменшенні напруги живлення нижче певної величини (допуску);

14) наявність вбудованої системи звукової індикації зменшення живлення;

15) наявність світлодіодної системи індикації зменшення живлення;

16) наявність входу або входів для аналізу додаткової напруги живлення (наприклад +12B -12B, тощо.);

17) наявність виходу або виходів сигналів переривання при зменшенні напруги живлення;

18) наявність окремого виходу від WDT або об'єднання цього виходу з виходами сигналу RST;

19) виконання мікросхеми SV в різних типах корпусів (Т092, SOT223, SOT23, DIP8, S08, BμSOP8, DIP14, S014, DIP16, S016, D1P20, DIP28, PLCC28, тощо.).

Аналізуючи наведені вище властивості мікросхеми SV, стає зрозумілим, що багато з них є надмірними при вирішенні нашої задачі (розробці універсальних технологічних контролерів). Визначимо критерії — головні (обов'язкові) і бажані якості, за якими вибираються мікросхеми SV:

1. Мікросхема SVповинна формувати сигнал RSTпевної тривалості для ініціалізації мікроконтролера (мікропроцесора) при вмиканні живлення. Бажано мати можливість програмування тривалості сигналу RSTі наявність декількох варіантів допусків напруги спрацьовування.

2. Мікросхема SV повинна формувати RSTпри зниженні напруги живлення нижче певного значення (допуску) в процесі роботи.

3. При розробці універсальних технологічних контролерів, в яких можливе застосування мікроконтролерів різних типів (з різною полярністю сигналу RST), бажано, щоб мікросхема SV забезпечувала генерацію сигналу RSTобох полярностей.

4. З метою зменшення площі друкованої плати, зниження вартості і забезпечення вимог високої ремонтопридатності необхідно, щоби мікросхема SVбула в корпусі DIP8.

5. Мікросхема SVповинна мати додатковий вхід для скидання системи від додаткової кнопки скидання.

6. Бажано, щоб мікросхема SV мала вбудований WDT. Бажано, а не обов'язково, оскільки наявність вбудованого WDTпідвищує вартість мікросхеми. Водночас багато сучасних мікроконтролерів мають вбудований WDT, тому WDTв мікросхемі SVможе виявитися надмірним, До того ж WDTможна досить просто організувати за допомогою декількох зовнішніх (по відношенню до SV)резисторів і конденсаторів за наявності у SVвходу для скидання системи від додаткової кнопки скидання.

За допомогою цих критеріїв можна здійснити оптимальний вибір мікросхеми SV з широкої номенклатури цієї продукції, яку пропонують фірми – виробники на своїх сайтах.

У таблиці 4.1 наведено кілька прикладів мікросхем SV, що задовольняють наведеним вище критеріям (див. табл. 4.1).

 

Таблиця 4.1 – типи мікросхем супервізорів

 

Тип мікросхеми	Напр. живл., В,	RESIN	Вихід сигналу RST	Тип корпусу	WDT
ADM1232, DS1232, Етс1232, IMP1232, LTC1232, Мах1232, Тс1232	5V	+	Low, High	DIP8, SО16, SО8, Вµsор8	+
Аом707, DS1707, Етс707, Мах707х, SP707x	5V	+	Low, High	DIP8, SО8, Вµsор8	-
AMD708x, DS1708, Етс708, Мах708х, SP708x	5-3,3 V	+	Low, High	DIP8, S08, Вµsор8	-
DS1819, Маx823, Мах824, Мах825, TPS3823, TPS3824, TPS3825	3,3 V	+ /-	Low High/Low	SOT23-5	+ /-
Мах814	5-3,3 V	+	Low, High	DIP8	-
Мах816	5V	+	Low, High	DIP8	-
Мах700	5V	+	Low, High	DIP8	-
Мах701	5V	+	Low, High	DIP8
TL7705, TLC7705, TLC7733. TLC7703, TLC7725	5V	+	Low, High	DIP8	-

 

Переважно всі відібрані типи мікросхем випускаються фірмами MAXIM і Texas Instruments,тому далі посилатимемося на технічну документацію цих фірм. У табл. 4.2 наведено призначення виводів мікросхем відібраних типів.

 

Таблиця 4.2 – призначення виводів мікросхем супервізорів

Тип ІМС SV	Функціональне призначення виводів
Мах824	RST/	GND	RST	WDI	VCC	-	-	-
Мах825	RST/	GND	RST	RSTIN/	VCC	-	-	-
Мах707, Мах708	RSTIN/	VCC	GND	PFI	PFO/	-	RST/	RST
Мах814	RSTIN/	VCC	GND	PFI	PFO/	LOWL/	RST/	RST
Мах816	RSTIN/	VCC	GND	PFI	PFO/	RSTIN	RST/	RST
Мах700	RSTIN/	SENSE	HYST	GND	RST/	RST	CTL	VCC
Мах701	RSTIN/	-	-	GND	RST	RST/	-	VCC
Мах1232	RSTIN/	TD	TOL	GND	RST	RST/	WDI/	VCC
TL7705	Cref	RSTIN/	Ct	GND	RST/	RST	SENSE	VCC
TLC7705, 7733, 7703, 7725	Cref	RSTIN/	Ct	GND	RST/	RST	SENSE	VCC

 

У табл. 4.2 прийняті наступні позначення:

RESIN/ — інверсний вхід кнопки скидання;

TD — вхід програмування періоду WDT (150мс/600 мс) (Мах1232);

TOL — вхід програмування допуску SV (4,5В/4,75В) (Мах1232);

GND — загальний вивід живлення;

RST — прямий вихід сигналу скидання;

RST/ — інверсний вихід сигналу скидання;

WDI/ — вхід перезапуску WDT;

VCC — вхід напруги живлення

CTL — вхід управління контролю живлення (Мах700). Якщо «GND» — контроль напруги живлення, якщо «VCC» — контроль входу SENSE;

SENSE — додатковий вхід контролю живлення;

HYST — при контролі входу SENSE (MAX700) можна ввести додаткову затримку перед формуванням сигналів скидання тривалістю 5 мкс шляхом включення резистора номіналом 1 кОм між виводами HYST і GND;

PFI — вхід для аналізу додаткового джерела живлення (Мах707, Мах708) за допомогою зовнішнього резистивного подільника (порівняння з внутрішньою опорною напругою 1,25 В);

PFO/ — вихід переривання, що свідчить про зниження аналізованої по входу PFI напруги (Мах707, Мах708);

RSTIN — додатковий вхід контролю живлення (Мах816);

LOWL/ — вихід переривання (Мах816), що свідчить про зниження напруги живлення.

Ct – вхід для підключення зовнішньої ємності, що задає час;

Наведені мікросхеми SV можна розділити на 3 групи за ознакою максимального збігу функціональних виходів. Ці групи показані на рис. 4.1:

1) Мах824, Мах825 і їх аналоги;

2) Мах707, Мах708, Мах814, Мах816 і їх аналоги;

3) Мах1232, Мах700, Мах701, TL(C) 7705 і їх аналоги.

Аналіз наведених трьох груп мікросхем SV і вмісту таблиці 4.1 дозволяє зробити висновок про кількість мікросхем різних виробників, що входять до кожної групи:

1) до першої групи входять 5 мікросхем (DS1819, Мах824, Мах825, TPS3824, TPS3825);

2) до другої групи входять 12 мікросхем (ADM707, DS1707, Етс707, Мах707, SP707, AMD708, DS1708, Етс708, Мах708, SP708, Мах814, Мах816);

3) до третьої групи входять 14 мікросхем (ADM1232, DS1232, Етс1232, IMP1232, LTC1232, Мах1232, Тс1232, Мах700, Мах701, TL7705, TLC7705, TLC7733, TLC7703, TLC7725).

У першу і третю групи входять по одному типу мікросхем SVз вбудованим WDT (MAX824 і Мах1232), що є безумовним мінусом для другої групи, в якій таких мікросхем немає.

 

Рис. 4.1. Функціональні зображення мікросхем супервізорів

 

Розглянемо принципові схеми підключення для кожної з груп мікросхем SV.

Перша група, що містить два типи мікросхем, що відрізняються функціональним призначенням тільки одного виводу, наведена на рис. 4.2.

На рис. 4.2 показано два варіанти підключення SV MAX824/825. У першому варіанті схеми передбачається наявність WDT у складі SV.

 

Рис. 4.2 – Варіанти підключення MAX824/825

Елементи С1, С2, Rl, R2, VD1 реалізують функції WDT. Конденсатор С1 (10nF - 33nF) розділовий і необхідний для виключення впливу якого-небудь з логічних рівнів на виході WDIмікроконтролера. Резистор R1 (100 — 220 кОм) необхідний для розряду конденсатора С1. Діод VD1забезпечує проходження позитивних імпульсів на конденсатор, що задає сталу часу С2(1,0—2,2 мкФ). Резистор R2забезпечує розряд конденсатора С2в інтервалах між імпульсами WDI. Перемички JP2необхідні для вибору необхідної полярності імпульсів скидання RST. Символ «*» у сигнала RSTозначає, що полярність сигналу може бути різною. При використанні мікросхеми Мах825 всі елементи, показані на першій схемі рис. 4.2 повинні бути встановлені, перемичка JP1не встановлюється. При використанні мікросхеми Мах824 (що має вбудований WDT)елементи С1, С2, Rl, R2, VD1не встановлюються, а перемичка JP1, навпаки, встановлюється і забезпечує надходження сигналу WDI на відповідний вхід Мах824.

Другий варіант схеми на рис. 4.2 забезпечує установку або Мах824 з функціями WDT(встановлена перемичка JP1{1—2}), або Мах825 без WDT, але з додатковою зовнішньою кнопкою скидання, що підключається на перемички JP1{3—4} при цьому перемичка JP1{1—2} не встановлюється. Установкою відповідної перемички JP2вибирається необхідна полярність сигналу RST.

Наступна група мікросхем SVмістить три типи мікросхем, які не мають вбудованого WDT. У цих мікросхем всі основні виводи співпадають. Тому, якщо не зважати на можливе використання додаткових функціональних можливостей (відповідно і додаткових входів/виходів), схеми включення цієї групи мікросхем однакові і представлені на рис. 4.3.

Функціональне призначення елементів на рис. 4.3 співпадає з призначенням елементів на першому рис. 4.2.

Третя група мікросхем SVмістить чотири типи мікросхем, які відрізняються достатньо великою кількістю виводів. У цієї групи повністю співпадають тільки виводи живлення (Vcc і GND).Виходи RSTхоча і виведені на виводи (5, 6), але мають різне розташування для різних мікросхем. До того ж вхід компаратора для підключення зовнішньої кнопки, який використовується для організації зовнішнього WDT, виведено на різні виводи (1 і 2). Цей варіант реалізується за рахунок достатньої великої кількості навісних елементів, які хоча і мають малу вартість, але займають достатньо велику площу на печатній платі (рис.4.4).

Функціональне призначення елементів C1, С2, R1, R2, VD1, JP1описане вище. Оскільки виводи RST окремих мікросхем виконані з відкритим колектором або витоком, для роботи SV необхідне підключення резисторів R4, R5на живлення або загальний провід.

 

Рис. 4.3 – Схема підключення мікросхем супервізорів другої групи

 

 

 

Рис. 4.4 – Схема підключення мікросхем супервизорів третьої групи.

Номінали повинні відповідати мінімальному опору на вході RSTмікроконтролера, наприклад для Ат89с5х— 56 кОм. Відповідне підключення забезпечується перемичками JP2, JP3. Однією з перемичок JP4резистор R2під’єднується до виводу сигналу RSTпозитивної полярності. Решта елементів (JP5, СЗ, С4, R3)необхідна для забезпечення всіх можливих варіантів підключення всіх SV.

Цю групу на можна поділити на дві підгрупи за збігом полярності вихідних сигналів RST.У першу таку підгрупу можна віднести мікросхеми Мах1232 і Мах701, а в другу — Мах700 і TL7705 (з відповідними аналогами інших виробників). Такий поділ дозволяє істотно спростити схеми підключення (вони не наводяться, оскільки достатньо очевидні). Покажемо лише найбільш простий і низьковартісний варіант підключення SV з функціями WDT намікросхемі TL7705 (TLC7705 і аналоги) — див. рис. 4.5.

 

Рис. 4.5 – Схема підключення мікросхеми супервізора з реалізацією функції WDT

 

Функціональне призначення елементів С1, С2, R1, R2, VD1, JP1відповідає вищеописаному. Резистори R3, R4забезпечують навантаження на відкриті колектори вихідних транзисторів. Конденсатор С3визначає тривалість сигналу скидання. Конденсатор С4призначено для роботи внутрішнього джерела опорної напруги. Слід відмітити, що наведена схема при низькій вартості мікросхеми дозволяє реалізувати всі необхідні режими і настроювати всі параметри підбором величин С2, С3 і R2.

На завершальному етапі набувають чинності вже інші додаткові критерії вибору (економічні, конструкційні, організаційні), такі як:

1) вартість реалізації вузла SVз можливістю організації WDT;

2) кількість додаткових елементів;

3) кількість зв'язків і модифікаторів (перемичок);

4) площа друкованої плати яку займає супервізор;

5) доступність елементів і терміни їх постачання.

З міркувань мінімальної вартості найпривабливіші варіанти реалізації вузлів SV на мікросхемах TL7705, Мах824/825, Мах707/708.

Кількість додаткових елементів мінімальна при реалізації SVна мікросхемах Мах824/825. У цьому ж випадку виходить мінімальною кількість зв'язків і площа друкованої плати.

Таким чином, враховуючи всі наведені доводи, слід зробити висновок про те, що найоптимальнішим вузлом SVз реалізацією функцій WDTє супервізор на мікросхемі TL7705 (див. рис. 4.5), оскільки він повністю відповідає як основним — технічним, так і додатковим — організаційним, конструктивним і економічним критеріям. Другим варіантом реалізації вузла SVз реалізацією функцій WDTє вузол на мікросхемах Мах824/825, оскільки є певні організаційні складнощі з придбанням мікросхем і розробникові необхідно мати в наявності обидва типи мікросхем для реалізації SV зі без WDT.

При виборі мікросхеми SV показана сучасна методика проектування різних вузлів сучасної обчислювальної техніки.

Методика включає:

• визначення предмету розробки;

• перерахування основних і можливих функцій вузла, що розробляється;

• розробку основних критеріїв вибору елементної бази для вузла, що проектується;

• перерахування основних виробників елементної бази;

• складання таблиці основної елементної бази;

• попередній аналіз і вибір елементної бази за основними критеріями;

• укладання таблиці функціональних виводів;

• зіставлення графічних примітивів (зображень елементів);

• класифікація і аналіз відібраних елементів (розбиття на групи);

• розгляд схем включення елементів різних груп;

• зіставлення відібраних елементів за додатковими критеріями — організаційними, конструкційними і економічними;

• остаточний висновок (вибір основного і запасного варіантів).

Описана методика дозволить студентові грамотно вирішувати інші аналогічні завдання.