使用MAXQ3210作為微處理器監(jiān)控電路

摘要：MAXQ3210微控制器能夠完成各種微處理器監(jiān)控功能，支持包括上電復(fù)位、電源排序、看門狗超時(shí)和輸入開關(guān)去抖等功能。根據(jù)應(yīng)用，MAXQ3210還可以直接為微處理器供電。本應(yīng)用筆記介紹MAXQ3210如何在9V電池供電下工作，以及在沒(méi)有外部時(shí)鐘晶體情況下執(zhí)行低速操作的方式，實(shí)現(xiàn)微處理器監(jiān)控電路的幾種常見功能。

概述

微處理器用于大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要各種外部器件的支持。這些外部器件為微處理器提供多項(xiàng)任務(wù)支持：為微處理器提供滿足電壓、電流需求的穩(wěn)壓電源、監(jiān)控其它電源電壓、提供外部時(shí)鐘、控制上電和斷電順序或執(zhí)行其它任務(wù)。這些外部器件通常稱為微處理器監(jiān)控器，是專為特殊監(jiān)控任務(wù)而設(shè)計(jì)的IC。

使用一個(gè)低功耗微控制器可以取代專用的微處理器監(jiān)控電路，支持上述各種任務(wù)。根據(jù)其性能，一個(gè)微控制器可以提供多個(gè)器件所支持的服務(wù)，且由于監(jiān)控功能可通過(guò)軟件編程，具有很大的靈活性。

本應(yīng)用筆記介紹了使用帶有壓電揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)壓器和比較器的低功耗微控制器MAXQ3210實(shí)現(xiàn)典型微處理器監(jiān)控功能的方法。MAXQ3210可在單機(jī)配置下實(shí)現(xiàn)各種功能，采用9V電池供電，使用其內(nèi)部低速振蕩器可以省去外部時(shí)鐘電路。MAXQ3210的小封裝尺寸(24引腳TSSOP)使其成為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)或其它空間受限產(chǎn)品的理想選擇。

電池供電便攜系統(tǒng)

MAXQ3210內(nèi)置9V至5V轉(zhuǎn)換的線性穩(wěn)壓器，可理想用于便攜式、電池供電的微控制器或微處理器系統(tǒng)。由于MAXQ3210具有低電池電壓檢測(cè)，使系統(tǒng)能夠在低電池電壓狀態(tài)下提供智能化管理。

配合5V微處理器工作時(shí)，只要微處理器所需的供電電流在MAXQ3210線性穩(wěn)壓器的供電范圍內(nèi)(最大值約為50mA，詳細(xì)信息請(qǐng)參見MAXQ3210數(shù)據(jù)資料)，MAXQ3210可直接使用其穩(wěn)壓器的輸出引腳REGOUT (圖1)為微處理器供電。當(dāng)微處理器電流非常低時(shí)，還可以將MAXQ3210的端口引腳設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)高電平輸出(PD = 1，PO = 1)，直接為微處理器供電。每個(gè)端口都能提供至少4mA的電流，壓降小于0.4V。只要所有端口引腳的電流總和不超過(guò)最大額定值(約為25mA，詳細(xì)信息請(qǐng)參見數(shù)據(jù)資料)，可將多個(gè)端口引腳連接在一起增強(qiáng)供電電流。使用端口直接為微處理器供電時(shí)，MAXQ3210能夠根據(jù)需要接通、關(guān)斷微處理器的電源，從而延長(zhǎng)電池壽命。注意：當(dāng)使用REGOUT為微處理器供電時(shí)，電源仍可在MAXQ3210控制下接通、關(guān)斷，但需要一個(gè)外部FET或其它開關(guān)器件。

當(dāng)所支持的微處理器需要的端電壓不是5V (例如3V、2.5V或其它)時(shí)，MAXQ3210的REGOUT輸出可通過(guò)線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生微處理器所需要的電壓。通過(guò)使用帶有使能/禁止輸入的線性穩(wěn)壓器，MAXQ321仍然能夠完全關(guān)斷微處理器的電源，以延長(zhǎng)電池壽命。


圖1. 使用MAXQ3210為5V微處理器供電的原理圖

設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電池壽命和系統(tǒng)總吸入電流要求苛刻時(shí)，MAXQ3210可在非常低的電流狀態(tài)下工作，以節(jié)省能量。MAXQ3210不僅具有功能完善的MAXQ?電源管理模式(分頻、PMM1模式和STOP模式)，有效節(jié)省能量，還包含了一個(gè)8kHz的振蕩器，可作為一個(gè)極低功耗的時(shí)鐘源使用。上電時(shí)，如果沒(méi)有外部晶體或高頻時(shí)鐘源，MAXQ3210將運(yùn)行在8kHz振蕩器，使其工作電流降至微安級(jí)。由于對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求并不嚴(yán)格，即使在8kHz下工作時(shí)，MAXQ3210仍可實(shí)現(xiàn)本應(yīng)用筆記中的監(jiān)控功能。

復(fù)位和電源監(jiān)控

MAXQ3210提供上電復(fù)位(POR)和欠壓檢測(cè)功能，使其能夠在供電電源穩(wěn)定時(shí)退出復(fù)位狀態(tài)。欠壓檢測(cè)可以使微控制器從電源跌落狀態(tài)下恢復(fù)工作。MAXQ3210還可以為沒(méi)有電源監(jiān)控功能的微處理器提供類似的POR和欠壓檢測(cè)。

將MAXQ3210的一個(gè)端口接至微處理器的外部RESET引腳，使MAXQ3210在電源低于門限設(shè)置時(shí)復(fù)位微處理器，并在供電電源恢復(fù)正常時(shí)使微處理器退出復(fù)位狀態(tài)。如果微處理器在5V電源下工作，只要MAXQ3210處于POR或欠壓狀態(tài)，MAXQ3210都將使微處理器復(fù)位。如果微處理器工作在更低的電源電壓(例如3.3V)，MAXQ3210的模擬比較器能夠?qū)⑽⑻幚砥鞯墓╇婋娫磁cVREF引腳的任意電壓(可達(dá)3.5V)進(jìn)行比較(關(guān)于模擬比較器的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAXQ3210數(shù)據(jù)資料)。當(dāng)微處理器的供電電源跌落至基準(zhǔn)電壓以下時(shí)，比較器將產(chǎn)生中斷給MAXQ3210，使微處理器復(fù)位并在電源恢復(fù)正常以前保持復(fù)位狀態(tài)。

因?yàn)樗泄δ芏际峭ㄟ^(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，所以微處理器從電源恢復(fù)到退出復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間間隔可以設(shè)置為任意時(shí)間周期。如果系統(tǒng)有多個(gè)供電電源或需要按照特定順序上電，MAXQ3210可作為上電定時(shí)器，按照每個(gè)動(dòng)作的指定延遲時(shí)間順序控制器件的上電過(guò)程。

給系統(tǒng)增加一個(gè)外部復(fù)位按鍵可初始化復(fù)位順序。將復(fù)位按鈕接至MAXQ3210的一個(gè)端口，使MAXQ3210完成基于軟件的去抖功能，并產(chǎn)生寬度可編程的復(fù)位脈沖，以響應(yīng)一次按鍵復(fù)位。

添加喚醒定時(shí)器

便攜式電池供電系統(tǒng)中，節(jié)省電源及電池壽命是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為保持低電流耗損，此類系統(tǒng)一般盡可能工作在低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)周期性地(或在用戶按鍵請(qǐng)求下)喚醒，進(jìn)行測(cè)量或運(yùn)行其它任務(wù)，然后返回休眠狀態(tài)。不工作的器件，最好關(guān)閉其供電電源。

MAXQ3210提供一個(gè)長(zhǎng)周期喚醒定時(shí)器，有助于節(jié)省功耗?？稍O(shè)定在8kHz環(huán)形振蕩器下工作的喚醒定時(shí)器，使MAXQ3210進(jìn)入低功耗狀態(tài)— 停止模式，并在長(zhǎng)達(dá)2分鐘的預(yù)設(shè)時(shí)間間隔后自動(dòng)喚醒。退出停止模式后，MAXQ3210按需求喚醒或使系統(tǒng)中的其它器件上電。以下MAXQ3210程序代碼演示了如何進(jìn)入停止模式，然后在60秒后自動(dòng)喚醒。

mainLoop:
   ;; Perform application tasks here...
   ;;

;;  Start the wakeup timer for 60 seconds.

   move   CKCN.6, #1         ; Select ring oscillator mode
waitRing:
   move   C, CKCN.5
   jump   NC, waitRing       ; Wait for RGMD=1 (running from ring)

   move  WUT, #30000         ; 1/8kHz * 30000 * 16 = 60 seconds
   move  WUTC, #0101b        ; Start the wakeup timer (running from ring)

   move  IV, #wakeUpInt      ; Set interrupt handler for wakeup interrupt
   move  IMR.0, #1           ; Enable interrupts from module 0
   move  IC.0, #1            ; Globally enable interrupts
  
   move  CKCN.4, #1          ; Go into Stop mode, wait for wakeup int
   nop

   jump  mainLoop            ; Back for another round

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

wakeUpInt:
   move   CKCN.6, #1         ; Select ring oscillator mode
wakeUp_ring:
   move   C, CKCN.5
   jump   NC, wakeUp_ring    ; Wait for RGMD=1 (running from ring)

   move  WUTC, #0            ; Clear wakeup timer flag

   move  CKCN.6, #0          ; Select crystal mode
wakeUp_xtal:
   move  C, CKCN.5
   jump  C, wakeUp_xtal      ; Wait for RGMD=0 (running from crystal)

   reti                       

將MAXQ3210的一個(gè)端口連接至微處理器，可通知其作好斷電準(zhǔn)備。MAXQ3210通知斷電后，微處理器根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同立即進(jìn)入低功耗停止模式或等待斷電。

MAXQ3210從停止模式喚醒時(shí)，既可使微處理器上電(如果微處理器完全關(guān)斷)，也可使用外部中斷或類似機(jī)制通知微處理器，使其從低功耗狀態(tài)下喚醒。

添加看門狗復(fù)位

與MAXQ3210的喚醒定時(shí)一樣，微控制器的內(nèi)置看門狗復(fù)位電路可以擴(kuò)展為微處理器的一個(gè)外部硬件看門狗復(fù)位電路。MAXQ3210中，看門狗作為一個(gè)安全裝置，防止瞬態(tài)脈沖干擾時(shí)程序運(yùn)行失控。一旦啟動(dòng)看門狗定時(shí)器，必須通過(guò)周期性地置位一個(gè)寄存器位使其復(fù)位。如果MAXQ3210停止置位寄存器位，且定時(shí)器溢出，看門狗將使MAXQ3210自動(dòng)復(fù)位。該自動(dòng)復(fù)位使MAXQ3210恢復(fù)到一個(gè)已知的起始狀態(tài)并重新啟動(dòng)運(yùn)行。

將MAXQ3210的看門狗復(fù)位擴(kuò)展給微處理器只需要兩個(gè)連接：將微控制器的一個(gè)端口接至微處理器的外部RESET；將微處理器的一個(gè)端口返回到MAXQ3210端口。MAXQ3210自動(dòng)使能看門狗，只要收到來(lái)自微處理器的信號(hào)就復(fù)位看門狗。微處理器負(fù)責(zé)周期性地觸發(fā)此引腳，防止MAXQ3210的看門狗超時(shí)，超時(shí)周期可編程(詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAXQ3210用戶指南補(bǔ)充材料(English only)。)

作為微處理器的外部看門狗，MAXQ3210設(shè)定看門狗超時(shí)情況下觸發(fā)一個(gè)中斷。如果看門狗超時(shí)，意味著微處理器未能及時(shí)觸發(fā)微控制器的端口，微控制器需要復(fù)位。MAXQ3210響應(yīng)看門狗中斷，重啟看門狗，通過(guò)外部的RESET引腳復(fù)位微處理器，重新開始一次循環(huán)。

電平和接口

監(jiān)控狀態(tài)下，MAXQ3210與微處理器之間通信時(shí)，必須考慮兩個(gè)器件的I/O電平。如果兩個(gè)器件都在5V電壓下工作，端口引腳通?？梢灾苯舆B接，請(qǐng)務(wù)必參考器件的數(shù)據(jù)資料。

MAXQ3210輸出信號(hào)給低電壓微處理器(例如3.6V的器件)時(shí)也可以直接連接。如果微處理器引腳含有保護(hù)二極管，MAXQ3210的5V輸出可以通過(guò)限流電阻直接連接至低電壓引腳。也可以選擇使用漏極開路連接方法：兩引腳間引出一個(gè)上拉電阻連接至低電壓微處理器的電源，并使MAXQ3210的端口強(qiáng)制下拉(PD = 1，PO = 0)或?yàn)槿龖B(tài)(PD = 0，PO = 0)模式。

由低電壓微處理器引腳驅(qū)動(dòng)的MAXQ3210的輸入時(shí)同樣需要謹(jǐn)慎操作，這是因?yàn)榈碗妷何⑻幚砥鞑荒茯?qū)動(dòng)其端口引腳至足夠高的電平，以使MAXQ3210的寄存器置位。如果僅需要一個(gè)輸入(如圖1)，低電壓信號(hào)可以連接到MAXQ3210的模擬比較器。其它可能的方法有，使用帶有漏極開路配置的外部下拉FET，或使用電平轉(zhuǎn)換器，如MAX3370。

關(guān)于此問(wèn)題的更多討論，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記3007，邏輯電平轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

MAXQ3210的小尺寸、電池供電及單機(jī)工作特性使其成為可編程微處理器監(jiān)控的理想選擇。幾種有用的節(jié)電模式和電源監(jiān)控特性，可方便地為微處理器提供監(jiān)控，使MAXQ3210成為通過(guò)軟件配置延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的核心，非常適合便攜式電池供電產(chǎn)品。