Передбачається, що ви вже знайомі з основними поняттями цифрової техніки (системи обчислення, логічні схеми, мікропроцесори, цифрове вимірювальне обладнання тощо) Якщо це не так, прочитайте спочатку книгу John D Lenk, «Digital Handbook», McGraw-Hill, 1992 На початку глави коротко розглянуті способи тестування і виявлення несправностей цифрових інтегральних схем Матеріал розташований так, що читач, не знайома з процедурами електронних вимірювань і методами виявлення несправностей, зможе виконати тестування схем, наведених у цьому розділі, і локалізувати несправність у разі, якщо досліджуване пристрій не пройде перевірки Перш ніж заглибитися в деталі, почнемо з короткого огляду схем контролю мікропроцесорів

ІС контролю мікропроцесорів

ІС контролю мікропроцесорів (супервізори) виконують як аналогові, так і цифрові операції, що дозволяє спростити і прискорити весь процес розробки електронної апаратури Основне призначення цих мікросхем – життєво важливе для мікропроцесорних систем забезпечення безпеки і функціонування при різних порушеннях роботи та електричних збоях Деякі мікропроцесори виконують функції контролю, але вони, як правило, не можуть виявити свої власні несправності Для підвищення ефективності та надійності роботи контроль повинен виконуватися зовнішніми ІС

Зазвичай ІС контролю виконують такі завдання: системне скидання при включенні харчування, скидання при раптовому зниженні напруги живлення, заборона запису в память при зниженому напрузі живлення, попередження про можливе відключення живлення, перемикання на резервну батарею і контроль за допомогою сторожового таймера Все це можна легко реалізувати окремо Але якщо необхідно спільне виконання перерахованих дій, особливо при нестачі вільного місця на платі, можуть виникнути проблеми Розглянемо коротко ці функції і їх роль у роботі мікропроцесорної системи в цілому

Скидання при включенні живлення

При подачі живлення на мікропроцесор його внутрішні регістри встановлюються в довільні стану і містять, таким чином, випадкові дані Застосування команди RESET (скидання) дозволяє вирішити цю проблему за рахунок установки всіх регістрів в заздалегідь визначений початковий стан Для забезпечення правильного початку роботи на вхід RESET мікропроцесора повинен надходити сигнал низького логічного рівня в протягом 20-120 мс після включення живлення Точніше, зовнішня схема скидання повинна утримувати на вході RESET цей логічний рівень, поки напруга живлення не досягне мінімального значення, необхідного для нормального функціонування мікропроцесора Тільки після цього сигнал скидання повинен бути знятий Якщо відлік почнеться дуже рано або закінчиться дуже швидко, внутрішні регістри мікропроцесора залишаться в хаотичному початковому стані Отже, схема скидання при включенні харчування повинна містити таймер, компаратор і джерело опорного напруги, а також ланцюги, що забезпечують електричне пару з входом RESET мікропроцесора

Скидання при зниженні напруги живлення

Після включення мікропроцесор зберігає працездатність, поки напруга живлення залишається номінальним Щоб забезпечити надійність роботи, схема контролю повинна фіксувати як короткочасні коливання, так і тривалі спади напруги живлення Знижена напруга рідко буває безпосередньою причиною поломок апаратури, але здатне викликати не передбачені програмою дії, що, в свою чергу, може вивести з ладу всю систему Так як мікропроцесор не здатний управляти власним скиданням, то цей сигнал повинен автоматично вироблятися зовнішнім пристроєм

У більшості ІС контролю (наприклад, компанії Maxim) ланцюга, що формують скидання при зниженні напруги живлення, використовують ті ж прецизійні схеми контролю напруги, що і ланцюги, що працюють при включенні харчування Тому при поверненні значення живлячої напруги до мінімально допустимого вихід RESET ІС контролю, підключений до відповідного входу мікропроцесора, залишається в стані низького логічного рівня на час затримки включення, як і при звичайному первісному включенні харчування

Заборона запису в память при зниженому напрузі живлення

Звичайні системні збої іноді стають причиною серйозної проблеми У момент збою мікропроцесор може помилково записати в енергонезалежне ЗУ випадкові дані, що призведе до втрати інформації та порушень програми, які не можна відновити при простому скиданні Для запобігання подібних ситуацій система повинна блокувати сигнал, що дозволяє запис в память (РЄ), при короткочасному або тривалому зниженні напруги живлення З цією метою вихідний сигнал компаратора, що стежить за напругою живлення, і команда РЄ подаються на логічний елемент, сигнал з виходу якого використовується для управління входом РЄ енергонезалежного ЗУ Але такий логічний елемент повинен надійно функціонувати навіть при зниженні напруги живлення до 2 В (враховуючи, що зазвичай напруга живлення цифрових пристроїв одно 5 В)

Попередження про відключення живлення

Повний захист цифрових систем вимагає не тільки виявлення падіння напруги живлення і подальшого скидання До скидання можуть бути необхідні й інші дії Наприклад, запис мікропроцесором вмісту регістрів в незалежну память (таку, як КМОП ОЗУ з батарейним харчуванням) При побудові схем попередження про відключення живлення враховується те, що у більшості стабілізаторів напруги під вхідному фільтрі стоять конденсатори великої ємності У типовому пятівольтового джерелі живлення вони заряджаються до 8-10 В Такий заряд дозволяє стабілізатору підтримувати вихідна напруга на рівні номінального протягом 50-100 мс після відключення первинного харчування, поки конденсатор не розрядиться до напруги приблизно 6,5 В (або менше, при використанні стабілізатора з малим падінням напруги) Тому схема контролю може стежити за напругою на конденсаторі вхідного фільтра У ІС компанії Maxim це здійснюється за допомогою входу контролю відключення живлення (PFI) Коли вхідний нестабілізованого напруга на конденсаторі фільтра знижується до заданого значення (як правило, близько 7,5 В), внутрішній компаратор видає сигнал про майбутнє відключення живлення (PFO) Це надає микропроцессору достатню час для процедур, які необхідно виконати перед виключенням системи Сигнал PFO зазвичай подається на вхід немаскируемого переривання (MNI) мікропроцесора, що забезпечує вищий пріоритет виконання

У ІС контролю сигнал PFI, що формується з напруги на конденсаторі фільтра за допомогою зовнішнього дільника на двох резисторах, надходить на один з входів внутрішнього КМОП компаратора на другий його вхід подається опорна напруга (зазвичай 1,3 В) Це дозволяє вибрати необхідний поріг спрацьовування ІС при зниженні напруги на конденсаторі

Перемикання на резервну батарею

КМОП ОЗУ зазвичай харчується від того ж джерела напруги 5 В, що і мікропроцесор При перемиканні на батарею з напругою 3 В в режимі резервування ОЗУ зберігає раніше записану інформацію при споживанні дуже малої потужності (струм харчування знижується від декількох міліампер в номінальному режимі до декількох микроампер в режимі резервування) Тому резервна батарея може бути невеликої ємності

Схема, яка переводить харчування ОЗУ з основного на резервне, повинна залишатися в активному стані, щоб справити зворотне переключення при відновленні основного харчування Вона також отримує енергію від батареї, отже, її струм споживання повинен становити кілька микроампер Крім невеликого енергоспоживання необхідна також надійна робота схеми перемикання при зниженні напруги живлення в разі поступового розряду резервної батареї Ті ж вимоги відносяться до схем скидання і захисту ОЗУ від випадкового запису, які також залишаються в активному стані в режимі резервування

Сторожовий таймер

Як правило, програмне забезпечення складається з взаємозвязаних послідовно виконуваних модулів Іноді через непередбачених і часто непередбачуваних обставин виконання програми зупиняється на якому-то з модулів, і відбувається нескінченне виконання одного і того ж даремного або навіть шкідливої ​​дії Сторожовий таймер стежить за виконанням програми і дає команду скидання при появі ознак зупинки

Для використання сторожового таймера його вхід підключається до порту мікропроцесора, програма якого складається таким чином, щоб передбачити запис кілька разів на секунду яких даних в порт За відсутності періодичних сигналів від мікропроцесора протягом заздалегідь заданого часу очікування таймер оцінює ситуацію як збій програми і видає команду системного скидання Оптимальна тривалість цього інтервалу часу залежить як від апаратного, так і від програмного забезпечення Так, більший період забезпечить додатковий час для мікропроцесора, який ініціює систему після включення до запуску основного пакета програмного забезпечення У деяких системах сторожовий таймер активізується тільки для певних програм

Джерело: Ленк Д, 500 практичних схем на популярних ІС: Пер з англ – М: ДМК Пресс, – 44 с: Ил (Серія «Підручник»)