一篇类似的文章出现在2000年11月的传感器．

这个世界向微处理器系统设计者提出了各种各样的问题。电源以错误的顺序出现，上升太慢，稳定太慢。电源电压由于外部组件负载而上下波动，或者当母线电压波动或系统电池开始失效时，它们在公差范围内和公差范围外漂移。外设组件和主板无法与处理器的需求同步上电和通信。尽管进行了冗长的软件分析，但bug还是潜入了系统代码中，并被送到了现场。

系统设计师尽其所能在固定成本预算内将这些事件最小化，但谨慎的工程师希望他们的系统即使在出现问题时也能安全运行。他们希望确保基于微处理器的系统每次都能正常启动;当系统错误已经发生或即将发生时，它会进行检测;它将这些错误的影响降到最低;并且它可以在很少或没有用户干预的情况下从错误中安全返回。

现代微处理器监控电路是一种低成本、有效的监控和维护此类系统活动的方法。应用过去几年发展起来的技术，今天的管理者提供了微处理器系统所需要的保障。它们具有低功耗、低成本和在非常小的封装中集成广泛功能的特点。

接通电源的重置

微处理器系统的第一个也是最常用的保护措施是开机复位(POR)功能。几乎每台计算机和嵌入式处理器都包括在首次通电时以适当配置冷启动系统的方法。大多数处理器数据表提供了一个最小复位周期，在此期间，设备应该保持不工作，直到本地电源稳定一段指定的时间(典型的是200ms)。如果复位过快，处理器不能保证正常运行。在这个重置间隔期间，允许处理器的时钟稳定，并且内部寄存器有时间正确加载。大多数处理器数据表都指定了最小复位时间，但是它们提供的实现这个延迟的指导很少。

一种不昂贵但有风险的常见方法是在微处理器的复位输入引脚处使用电阻-电容(RC)低通滤波器(图1)。您可以选择组件值，以提供基于缓慢的指数型RC上升时间的广泛复位延迟。当电容从地充电到V(CC)时，电压越过微处理器识别的阈值，作为有效(高)输入电压(V(IH))。这个动作将处理器从重置中释放出来，它应该(理想情况下)开始正常运行。不幸的是，这种方法有几个缺点。

图1所示。电阻-电容复位延迟电路。

当电源电压相对于处理器的复位周期缓慢上升时，会出现第一个上电问题。电容器电压紧跟V(CC)为低压转率。因此，处理器的复位输入电压可以在V(CC)到达设备规定的公差范围之前达到有效的V(IH)电平。例如，对于±10%容差的3.3V电源，在V(CC) >2.97 v。然而，该系统可以在电源准备好用于处理器操作之前很久就达到2.31V(大多数处理器为0.7Vcc)的最小V(IH)水平。也就是说，当电源仍然低于其标称工作电平20%或更多时，处理器可以从复位中释放。

RC电路的第二个缺点是大多数处理器(典型的200毫秒)需要很长的复位延迟间隔，这迫使处理器复位输入的电压转换率很低。复位逻辑输入通常设计为识别从V(IL)到V(IH)快速转换的数字信号。延迟复位电压，滤波到一个缓慢的µV/µs转换速率，可以为处理器的数字输入提供不足的超速，导致复位亚稳态。在RC滤波器和处理器输入之间的施密特触发器可以增加表观摆率，但它可以增加其自身的电源问题(除了额外的成本和组件面积)。

停电和故障检测

限电检测，第二个最常见的复位要求，与POR密切相关，并突出了低成本RC延迟电路的第三个问题。假设RC延迟为处理器在释放复位之前正确初始化提供了一个合理的间隔，如果电源电压在任何显著的时间间隔内出现故障或下降到其操作容限以下，则系统处于危险之中。

由于RC电路被选择为在复位信号上产生长上升时间延迟，因此在滤波后的复位信号降至V(IL)之前，它滤除了相对较快的欠压故障。快速的负故障(相对于重置延迟时间)会对处理器的内部寄存器造成严重破坏，迫使它执行错误的指令、处理不正确的数据或发出危险的系统信号。电源下垂可以持续很长一段时间，可以使V(CC)低于处理器的工作容限，同时保持复位电压高于其复位开关阈值。

一种改进但仍有风险的解决方案是在RC电路中增加一个二极管，从而为大的负向V(CC)信号创建快速滤波器响应(图2)。当V(CC)降至充电电容电压以下时，二极管导通并将复位信号向下拉。这种方法可以令人满意的硬滴V(CC)，但一个较小的下降(brownout)可能不打开二极管。例如，对于2.5V处理器，在二极管开始释放电容器电压之前，电源必须下降20%以上。如果故障或下降超过处理器容限，但小于二极管的正向导通电压，处理器的内部寄存器可能会损坏，即使电源恢复到其全V(CC)规格而不会触发处理器复位。

图2。改进的RC延时电路。

集成复位发生器

与RC延迟电路相关的问题很容易通过IC复位发生器解决，如SOT23 MAX6332、MAX6334和SC70 MAX809/MAX810/MAX803。通过集成精确的电压监视器和精确的定时电路，这些现代复位发生器检测电源电压何时在处理器的公差范围内，并提供保证的复位延迟。

典型的复位装置(图3)包含一个参考电压、一个电压比较器、一个电源电压电阻分压器网络、一个固定延迟时间电路和一个输出驱动级。电阻器网络可以在工厂进行调整，以获得广泛的电源电压公差，允许用户为每个处理器应用选择特定的复位阈值。复位发生器的精确电压检测器独立于其逻辑输出级，不依赖于处理器的HIGH和LOW逻辑输入电平来确定电源何时在其允许的工作公差范围内。

图3。集成复位电路。

对于POR，只有当电源电压超过所选阈值足够长的时间时，内部电压比较器才打开延迟电路。延迟发生器，提供处理器兼容的复位时间范围从1ms到1s，保持输出阶段复位，直到最小指定周期过期。发电机输出，有几个逻辑选项可用，然后去断言，以快速驱动处理器的复位和进入正常操作。

大多数复位发电机中的电压比较器也检测电源电压何时回落到处理器容限以下。如果它在足够长的时间内低于所选阈值，则复位输出将迅速断言其活动驱动逻辑，以挂起并重新初始化所有处理器活动。复位可以在任何时候激活:电源的锯齿启动，大V(CC)故障，停电或系统关闭。

重置阈值

目前业界有多种V(CC)复位阈值。许多供应商提供标准复位选项，标称电源电压为5,3.3,2.5,1.8和1.2V。客户可以选择一个标准的、固定的复位阈值来匹配给定的标称处理器电源电压及其最小容限。或者选择一个可调的复位阈值来监测低至0.5V的更宽电压范围(MAX16052 / MAX16053)。复位公差通常有-5%和-10%的处理器兼容选项。对于非标准的固定复位电压，一些供应商在1.2V到5V的宽V(CC)范围内提供100mV的断路器。这种灵活的范围允许用户优化组件公差和电源电压的特定组合的阈值。

复位阈值的更精确通常有助于支持更宽松和更低成本的电源规格。例如，保证其5V±10%处理器运行的系统需要在电源降至4.5V之前初始化复位。如果监控设备具有±2.5%的精度，保证相对于标称V(CC)的超温，则典型复位阈值为4.625V，最大复位阈值为4.75V。由于主管的±2.5%精度规格，处理器可以在任何V(CC)低于4.75V时复位，并保证在V(CC)低于4.5V之前复位。

为了支持主管精度开销并避免未知复位条件区域，应指定更严格的最小限值(4.75V)。由此产生的5V， -5%/+10% V(CC)规格可能会大大增加电源成本。因此，一个更精确的±1%或±1.5%的监控器，虽然比±2.5%的设备更昂贵，但实际上可以降低系统成本。

现代复位发生器的一个重要功能是最大限度地减少有害复位:当短时间小幅度尖峰使电源电压低于其最小允许水平时，不希望发生的系统重启。为了确定是否需要系统复位，电压检测器集成了故障持续时间和强度。最大供电暂态持续时间与过度驱动的关系图可以说明复位发电机如何响应系统供电中的噪声(图4）.

图4。最大瞬态持续时间与超速。

欠压/过压检测电路

有些电源必须监测欠压和过压情况。在许多系统中，过电压监测已成为必要，以防止损坏昂贵的处理器和asic。一个窗口检测器，监测过压和欠压情况，可以由两个电压检测器和一个参考构成。或者，您可以使用专用的窗口检测器IC，例如MAX6754系列(图5）.

图5。窗口检测器电路。

手动复位

手动(按钮)重置的输入是对简单重置生成器的有用补充。手动复位允许用户或外部系统组件触发微处理器复位，同时电源电压保持在公差范围内。如果处理器因某种未知原因锁定，手动复位可以让您重新启动，而无需关闭系统电源。此功能对于即使在“关闭”模式下也不会关闭控制处理器的产品尤为重要。它对于调试和最终的系统测试也很有用。在所有情况下，手动重置都可以保证处理器在重置期间接收到必要的超时时间。

手动复位通常由低成本的按钮开关启动，像MAX6335-MAX6337系列这样的复位设备通常包括输入去噪电路，以掩盖接地开关中触点闭合引起的振铃效应。由于开关可以远离处理器(通常在后面板上或隐藏在电池或电源室中)，最好的手动复位电路可以通过拒绝短(典型的100ns)噪声诱发脉冲来适应长板运行。为了保证有效的复位输入(典型的1µs)，它们还需要最小的输入脉冲宽度。手动复位可以作为一个独立的输入来实现，或者作为一个双重功能的引脚，作为复位输出和手动复位输入。

一些微处理器现在集成了开机复位电路和电源管理功能。虽然这些嵌入式复位电路通常比rc延迟方法更好，但μ P IC工艺针对高速或低功耗数字性能进行了优化，而不是精确可靠的测量和定时。因此，内部复位可以在正常操作条件下提供合理的上电时间，但它们无法处理可能导致处理器错误的电源瞬变和限电。为了实现健壮的操作，大多数处理器都提供了一个额外的复位输入，该输入可以由一个外部的、专用的复位管理器驱动。

掉电和低电量指示灯

许多系统无法承受数据丢失的后果，即使电源完全断开，微处理器出现故障。由电源电压损失引起的硬复位导致处理器转储其内部寄存器中保存的任何信息。系统可以通过将数据连续保存在非易失性存储器中来最大限度地减少这种潜在的数据丢失，但这种方法降低了处理器的效率，并强调了闪存或EEPROM存储器的写入持久性。

由sot23封装的MAX6342-MAX6345监控器实现的改进方法采用了电源故障或低电池指示灯，使处理器能够预测电源电压的损失。有了预先警告，处理器可以在系统启动复位之前将信息存储在非易失性存储器中(图6）.

图6。掉电/电池电量过低的指标。

典型的系统通过调节主电源或电池的电压来给处理器供电。该处理器电源电压由标准的开机/限电复位监控，但一个独立的低压指示器也监控主电源。该指标的阈值高于稳压器降压，其输出驱动不可屏蔽中断(NMI)。该NMI指示处理器开始将数据保存到非易失性存储器中。如果实现得当，在稳压电源电压降至处理器的最低操作规范以下之前，低压指示器提供了足够的时间来存储所有数据。

电池备份和芯片使能门控

当系统没有时间将大量数据传输到非易失性存储器时，电池备份是一个有吸引力的选择。为了适应双电源，诸如SOT23 MAX6361 / MAX6363 / MAX6364等器件提供一个主V(CC)输入和一个板载电池输入(图7）.

图7。电池备份。

当供电水平足以维持易失性RAM活动时，内部开关将监控器的电压输出连接到V(CC)。当V(CC)低于指定的阈值时，管理器通过向微处理器发出复位来禁止进一步的内存写入。如果V(CC)降得太低而无法维持RAM内容，则主管将RAM电源从V(CC)切换到备用电池。具有低挂起电流的存储设备可以长时间保存数据，直到系统V(CC)可以恢复到其适当的操作水平。如果需要，同样的电池备用过程也可以维持实时时钟和某些处理器活动。

看门狗定时器

即使是设计得最好的系统也会受到除电源波动以外的错误的影响。错误的程序代码、不正确的时钟信号或响应不良的外设都可能迫使处理器脱离其正常的操作代码或进入死角循环。当处理器离开预期的指令路径时，它可能无法知道自己的操作不正确，需要重新启动。

为了解决这个问题，许多监控ic(如工业标准的MAX823和较新的MAX6316-MAX6318设备)包括一个看门狗定时器，作为一种低成本的手段，以确保处理器在适当的代码边界内执行。该方案要求处理器在指定的最小时间周期内连续更新看门狗逻辑输入。否则，主管会发出系统警报(图8）.

图8。看门狗定时器选项。

监督程序的常见行业标准超时时间是1.6s，但供应商提供从1毫秒到1分钟的选项。因为看门狗更新消耗处理器周期开销，所以您应该通过询问“在启动重置之前允许系统错误操作多长时间”来选择看门狗周期。有些设备允许更长的启动超时时间(例如1分钟)，然后恢复到正常的1.6s短超时操作模式。这种双超时功能允许系统在启动期间执行冗长的引导过程，然后负责更快的常规看门狗更新。

看门狗的输出有时可以被绑定到一个不可屏蔽的处理器输入，这使得管理器可以在不丢失易失性存储器数据的情况下将处理器恢复到正常运行状态。为了在检测到任何错误时完全重新初始化系统，看门狗可以与POR/限电检测输出共同绑定。

许多微处理器现在提供一个内部看门狗定时器来监视它们自己的内部状态。因为看门狗只是处理器的一个支持特性，所以它通常提供一系列可编程超时时间和禁用选项。处理器还可以通过软件控制来修改其看门狗监控功能。由于可编程看门狗工作在与处理器相同的电源电压和时钟输入，然而，它经常受到与处理器本身相同的瞬态错误的影响。因此，最健壮的系统包括一个独立的看门狗，它保证处理器每次都有适当的输入。

Multiple-Supply应用程序

较新的处理器和许多其他系统需要多重电源电压。多电源器件的趋势在高速小几何数字信号处理器中尤为明显，它可以与标准系统I/O电压3.3V进行通信，但核心逻辑为2.5V或更低。这些设备通常要求两个电源在POR释放之前都在处理器的公差范围内。类似地，一个复杂的接收器系统可以维持4或5个电源电压(例如12V, 5V， -5V, 3.3V和2.5V)，支持各种数字元件。这些电压中的任何一个欠压情况都可能导致系统故障。

尽管成本低，一个简单的RC网络不能同时监控多个电源，同时为系统复位提供一个有效的逻辑电平。从历史上看，制造商已经创建了带有多个电源故障/复位检测器的多电源监控电路，或者通过将几个单电源复位设备的输出连接在一起。然后，任何低于其指定容差的电源电压都会阻止处理器复位的释放。

一些较新的监控器在单封装设计中支持多电压监测(图9)。MAX6351-MAX6360系列专为双电源和三电源应用而设计，为工厂调整的标准复位阈值(即与3.3V和2.5V电源电压相关的阈值，例如)提供了多种选择。可调节的检测器允许用户监控第三个电源电压(如5V外设)，并保持处理器启动，直到所有电压在公差范围内。现代封装和工艺允许Maxim将额外的功能挤出多电压SOT23复位管理器，以及延长启动周期的看门狗计时器和手动复位输入。

图9。多电源复位监控。

未来

由于处理器要求从不断缩小的集成过程中获得更高的性能，我们应该看到更低的工作电压。如果目前±5%和±10%的处理器电源公差保持不变，设计人员将需要更精确的电压检测器来取代他们的分立元件替代品。旧的5v复位架构可以成功监控-250mV的最大电源偏差，但可能无法支持具有-60mV欠压限制的新1.2V监视器。由于许多低压系统需要支持一系列双电源设备和变化较慢的传统电源设备，因此对多电压监测以确保正常运行的需求将变得更加关键。

我们还应该看到新的集成的引入，它将管理程序与现在围绕微处理器的其他组件结合在一起。如果外部芯片为处理器提供电源或通信，它的集成提供了缩小电路板面积、降低功耗和降低成本的机会。目前与监控器结合使用的一些功能包括低差压稳压器、DC-DC转换器、非易失性存储器和实时时钟。

结论

最好的微处理器监控程序是这样设计和应用的，以至于用户永远不会知道它们在系统中。这样的系统总是能正常上电，在任何时候都不会丢失或破坏数据，并且永远不会 意外锁定。

系统设计者将现代监督者视为一种低成本的保险政策，使产品始终处于工作状态。管理人员还可以缩短制造商的上市时间，同时最大限度地减少现场问题、客户服务和故障退货。由于现在有很多产品采用非常小的SOT23、SC70和TDFN封装，因此您可以在不牺牲其功能的情况下优化需要低功耗、低电压、多电源电压和低成本的应用。