節電設計中掉電狀態MCU的復位喚醒速度

從上電復位的討論中可以得知，其可靠復位所需時間主要取決于電源電壓的上升時間；那么對于此處掉電復位來說，當已沒有了電源電壓上升的問題時（對于那種掉電后電源電壓下降到2V者，則應先將電源電壓上升到正常值后方可對RST引腳施加復位信號），復位所需時間又取決于什么？對于這一點，相關的數據手冊并未給出確切說明，只說“復位信號激活了振蕩器，復位信號必須保持有效到使振蕩器起振并達穩定（一般少于10ms）” [1]，這似乎是說該MCU的掉電復位喚醒時間約為數毫秒。然而，該數據手冊提供的相關內部電路框圖[1]以及筆者所作的實際測試均表明，情況并非完全如此。

從文獻[1]中與掉電方式有關的內部電路框圖可見，片內振蕩器的起振和向后傳輸均受控于掉電控制位PD，因此掉電復位時必定是先進行片內初始狀態的設置（其中包含PD位清零），然后才能使片內振蕩器起振并后傳。同時，也正由于片內振蕩器的起振是由片內初態進行控制的，所以片內初態一旦可靠建立，片外復位信號就沒有必要一直保留到使片內振蕩器振幅趨于穩定。以下測試證實了這一點。

圖二給出了AT89C51在掉電復位喚醒時的實際測試結果，此時其片內振蕩器的片外定時元件為4MHz的陶瓷諧振器。

圖二 AT89C51在掉電狀態下復位時的起振時序

由圖二可見，當復位信號前沿到來時，片內振蕩器立即在1/2VCC（2.5V）左右處開始起振。在起始的3us時段內其振幅很小，4us～9us期間其振幅迅速增加，到10us～15us內則漸趨穩定。由此可得以下幾點結論：首先，片內振蕩器的起振速度大大快于數據手冊[1]中所說的“一般少于10ms”。其次，當復位信號到來時，片內振蕩器并未象上電復位那樣等了一段時間以后再起振，而是立即起振。這是由于在掉電復位喚醒前，電源電壓依然存在，使得片內振蕩器的某些靜態工作點仍然維持著，所以一旦復位操作清除了掉電控制位PD，振蕩器便立即在工作點處（1/2VCC=2.5V）開始起振，顯然比上電復位時省掉了一段逐步建立工作點所需的啟動時間。

為了確切了解AT89C51的可靠復位喚醒要求片外所加的復位信號至少應保持多少寬度，筆者以另一MCU發出的窄脈沖作為被測MCU的復位信號，并不斷改變其寬度，再以觀察被測MCU的一個I/O引腳電平的變化來判斷是否可靠地完成了復位喚醒操作，即在MCU進入掉電狀態之前先將該引腳用指令置為低電平，隨后掉電復位喚醒發生時的片內初態設置操作又會把該引腳強制置為高電平，最后，由掉電復位喚醒結束后的第一條指令再將其立即拉為低電平。測試結果顯示，當外加的復位信號寬度為1us～6us時，被測MCU有時不能可靠復位，具體表現為該I/O引腳被復位的初態設置操作強制拉高后又可能隨著復位信號的撤除而立即下降。而當外加的復位信號寬度大于8us后，被測MCU就能可靠復位喚醒并在外加復位信號撤除后能順利開始執行程序。這個結果表明：①復位時MCU的端口引腳跟隨復位信號的高電平前沿立即變高，滯后小于1us；②復位喚醒時MCU的片內初態的設置領先于片內振蕩器的起振。③復位喚醒時外加的復位信號寬度最小只需幾個us即可，不必等到振蕩器振幅達到最大就可使MCU開始執行指令（上述8us處的振蕩幅度大約為160mVpp），這可能是因為在片內振蕩器后面有一級分頻器，將振蕩器在1/2VCC處的小幅度振蕩整形為滿幅度時鐘信號了。

由此可知，掉電狀態下MCU的復位喚醒雖與片內振蕩器有關，但其喚醒時間并不等同于片內振蕩器從起振到穩定的時間。若想獲得最快的復位喚醒速度，還可考慮使用片外振蕩器，以便MCU的掉電操作對振蕩器不構成影響。

對于非MCS51的其它MCU系列，其掉電喚醒的復位操作和時序大致與上述相同，只是具體時間參數上可能有所差異。以MICROCHIP的 PIC12F508為例[5]，其片內主管復位延時的定時器DRT的延時值分為兩類，一類是上電復位時的延時值為18ms，另一類是采用片內RC振蕩器或片外時鐘輸入時用作復位喚醒的延時值為10us。稍顯不足的是，該文檔還聲稱當采用片外晶振時其DRT的延時值仍為18ms，這顯然與本文所測數據相差甚遠。

2．結束語

能否以硬件復位對MCU實行快速喚醒是妨礙采用掉電方式進行MCU節電設計的一道門檻，其關鍵在于MCU掉電時的復位喚醒時間是否可知、是否夠快。本文工作就這兩點給出了答案。結論是明確的：采用片內振蕩器時，掉電狀態下的復位喚醒時間小于片內振蕩器從起振到穩定的時間（且遠小于上電復位時間），采用陶瓷諧振器時，該時間可快至10微秒左右，若想進一步加快則可采用片外時鐘方案。

參考文獻
[1] MCS 51 MICROCONTROLLER FAMILY USER’S MANUAL。　www6.informatik.tu-muenchen.de/lehre/vorlesungen/script_ez_2000 /intel-mcs51.pdf。1994，2。P.3-26～P.3-29
[2] Oscillators for Microcontrollers。www.intel.com/design/mcs51/applnots/23065901.pdf。1983，6。P. 3～P.7
[3] 孫涵芳、徐愛卿。MCS-51/96系列單片機原理及應用[M]。北京：北京航空航天大學出版社。1988，2。P.77
[4] 何立民。單片機高級教程：應用與設計[M]。北京：北京航空航天大學出版社。2000，8。P.109