Питание от аккумуляторов
Для питания мобильных, переносных и малогабаритных устройств применяются перезаряжаемые (аккумуляторы) или неперезаряжаемые (“батарейки”) элементы питания. Напряжение одного элемента заряженного аккумулятора составляет 1.25В, у неперезаряжаемого элемента 1.5В. Это приводит к необходимости использовать батарею из последовательно включенных элементов питания, чтобы обеспечить необходимое напряжение +5В(+3В) или +12В. В последнее время альтернативой этому решению является использование повышающих преобразователей напряжения [42]. Данные микросхемы могут работать от одного или двух элементов, потребляют ток не более 30 мкА и обеспечивают выходной ток до 700 мА. Размеры микросхемы аналогичны размерам маломощных транзисторов. На рис.4.5 приведен пример источника питания, реализованного на повышающем преобразователе и работающего от одного элемента. Делитель на резисторах R24 и R20 обеспечивает работу внутренней схемы контроля величины входного напряжения для информирования об его снижении ниже установленного порога (выход 6 микросхемы – разряд).
Рис.4.5. Повышающий преобразователь напряжения
В микросхему может быть включена также схема устройства заряда аккумулятора [42].
Комбинированный источник питания
Комбинация источника питания с резервным аккумулятором используется в таких приложениях, как охранные, пожарные и диспетчерские системы (система должна оставаться работоспособной заданное время при пропадании основного питания), реже для сохранения установочных параметров между выключениями питания (в настоящее время эта задача всё чаще решается при помощи перезаписываемой энергонезависимой памяти).
Рис.4.6. Комбинированное питание
В самом простом случае схема объединения может выглядеть в виде параллельного включения диодов (рис.4.6), в более сложных – использование супервизоров напряжения, источников бесперебойного питания.
Расчет потребляемой мощности
После выбора схемы питания МПУ, необходимо убедиться, что она может обеспечить схему требуемой мощностью. Для этого следует определить потребляемую МПУ мощность. Если она окажется меньше, чем мощность, которую может обеспечить схема питания, то на этом можно закончить расчет. При несоответствии требуемой мощности и мощности схемы питания, необходимо провести её доработку – поставить выходной мощный транзистор и т.д.
Модуль сброса и синхронизации
Модуль сброса включает [44]: схему POR(Power-OnReset), обеспечивающую начальный сброс микроконтроллера при включении питания, схемуBOR(Brown-OutDetector), которая отслеживает напряжение питания в рабочем диапазоне и подает сигнал сброса в случае выхода из него, схемуWDT(WatchDogTimer), которая генерирует сигнал сброса, если обращения кWDTнет в течение некоторого времени (таймаута). Синхронизация обеспечивается тактовым генератором.
Данные узлы должны являться обязательной составной частью МПУ. В зависимости от выбранного типа микроконтроллера, эти блоки могут входить в его состав или их необходимо реализовать при помощи внешних схем. Конечно, в недорогих бытовых устройствах (игрушках), отдельные узлы могут отсутствовать, например WDT, однако в серьёзных разработках пренебрегать ими нельзя. В общем случае модуль сброса обеспечивает генерацию сигнала при следующих условиях: при подаче питающего напряжения, при снижении напряжения питания ниже установленного порога, при зависаниях программы. В некоторых вариантах она снабжена дополнительной схемой предупреждения о предельно допустимом снижении или повышении питающего напряжения. Схема синхронизации задает такт работы процессора и в целом всего МПУ.
Многие современные микроЭВМ имеют встроенную систему сброса, и она хорошо работает в различных приложениях, в то же время в ответственных применениях пока следует рекомендовать внешние модули, которые называются супервизорами напряжения [18, 42]. Они выпускаются на различные пороговые напряжения, часто имеют дополнительные схемы индикации снижения питания, переключающие схемы на питание от аккумуляторов, сторожевые таймеры и т.д.
Сторожевой, или охранный таймер (WDT) служит для защиты от зависаний процессора, вызванных случайными, например помехой, ситуациями. Часто такой таймер входит в состав микроЭВМ, имеет настройки периода сброса, работает от отдельного встроенного генератора, может программно включаться и выключаться. Как показала практика, наибольшую надежность работы МПУ обеспечиваютWDT, которые нельзя программно отключить [44] или это отключение выполняется последовательностью из нескольких команд. Использование данного таймера заключается в периодической его инициализации, что препятствует выработке им сигнала сброса процессора. Инициализация осуществляется подачей соответствующей команды. Место расположения команды является не тривиальной задачей для программиста, который должен досконально представлять всю структуру программы. Для процессоров, не имеющих встроенногоWDT, следует использовать внешний [42]. В этом случае его инициализация должна осуществляться через один из портов процессора.
Схема синхронизации представляет собой тактовый генератор. В микроЭВМ применяются три схемы его организации: встроенный генератор с внешними времязадающими цепями, полностью встроенный генератор и внешний генератор. Наибольшее распространение получил встроенный генератор с внешними времязадающими цепями, у которого частота определяется подсоединенным к внешним выводам кварцевым или керамическим резонатором. Внешний генератор используется в случаях, когда в схеме имеется несколько узлов, требующих синхронизирующих последовательностей, для которых может быть использован общий тактовый сигнал. Полностью встроенный генератор не требует внешних элементов, однако его частота обычно фиксирована производителем и имеет низкую стабильность. Применение такой вариант нашел в дешевых схемах, не требующих высокой стабильности временных интервалов.
На рис.4.7 показана часть схемы МПУ, содержащей микроЭВМ со встроенным генератором, частота которого задается внешним кварцевым кристаллом, и супервизор со встроенным WDT.
Рис.4.7. Схема сброса и синхронизации МПУ