第5章最小系统与外围电路设计 Ihavenospecialtalent.Iamonlypasionatelycurious. —AlbertEinstein Peoplealwaysfearchange.Peoplefearedelectricitywhenitwasinvented, didn..tthey?Peoplefearedcoal,theyfearedgas-poweredengines.Therewil alwaysbeignorance,andignoranceleadstofear.Butwithtime,peoplewilcome toacepttheirsiliconmasters. —BilGates 从电路设计的角度,电子计算装置的硬件可被看作以处理器和存储器为核心组件,由电 子线路连接各类电子元器件形成的电路网络。不同系统的硬件具有不同的网络构成和复杂 度。其中以最小系统的构成最为简单,但也最为核心。本章将从最小系统着手,结合数字电 路知识阐述与之相关的电源电路、复位电路以及时钟电路的工作原理与典型设计方法,最后 讨论电路抖动与消抖。 5.理解最小系统 1 本章的最小系统指最小计算系统。顾名思义,最小系统是指一个系统仅具有最少、最基 本的(或者说必要的)一组硬件资源,其能够使系统在上电后正常启动并进入正确的计算状 态。那么,构建最小系统到底需要哪些资源呢? 这可以从计算机体系的角度进行分析和归 纳。计算装置首先要拥有一个读取、执行程序指令的中央处理单元,这是计算装置的核心。 同时,还应该提供用于静态存储程序与数据以及动态存储运行时代码与数据的一组存储器。 注意,在嵌入式系统中,存储器可能集成在嵌入式处理器之中。除此以外,还应该有各类能 够让这些核心组件正确启动、复位、运行的外部电路,包括电源电路、复位电路、时钟电路等。 由此就可以总结出最小系统的基本硬件构成。 以图2.39所给出的电路原理图为例,图5. 1给出了基于AT89S51微控制器最小系统的 基本电路。需要说明的是,有必要在最小系统中设计一个调试辅助电路,1中的扬声 如图5. 器(通常采用发光二极管)。通过让扬声器或发光二极管按照设计的方式发声或点亮闪烁, 即可判定程序是否能够在该硬件上正确运行。如果是,则说明该最小系统工作正常,进而说 明其电路设计正确。 最小系统不仅是一种设计形式,实际上也蕴含了一种以构建最核心单元为起点,循序渐 进地开展软硬件设计、开发、维护的思想和方法。例如,可以构建最小程序,完成基本的硬件 初始化并点亮一个LED;编写、定制或移植最小的板级支持包(BoardSupportPackage, BSP)或操作系统内核,然后逐步加入新的参数和功能;调试最小功能,逐步排查并排除故 障。当然,这种循序渐进的思想和方法也适用于对一切复杂事物的认识与学习,例如对电路 设计方法、嵌入式系统技术的学习。从这个角度说,最小系统所蕴含的思想方法是极其有 图5. 1 基于AT89S51 微控制器的最小系统示例 益的。 当然,从功能角度看,通常认为最小系统本身是“无(应)用(功能)的,(”) 因为其并未集成 特定应用所需的各类功能组件和I/O接口,但这恰好也说明最小系统具有良好的通用性。 为此,基于各类处理器的最小系统已被制成一系列得到广泛应用的商业化模块———核心板 (coreboard)。与图5.核心板通过基板向外引出了丰富的I/O 1所示的最小系统电路不同, 引脚,允许以模块或大元件的方式( 27) /O扩展板进行集成设计,以快速构 类似于图2.与I 建满足应用需要的硬件系统。 5.电源电路 2 2.电源电路设计方法 5.1 1. 基本原理 电源供电电路(简称电源电路)是嵌入式系统硬件的基本组成,为系统提供一种或多种 负载能力的电压输出,其稳定性对整个系统硬件的安全、可靠运行具有重要影响。 通常情况下,嵌入式系统的供电模块大都采用稳定性较高的直流稳压电源电路。一个 完整的直流稳压电源是电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路4部分的总成,其逻 辑结构如图5. 2所示。 对于交流电(AC)输入,基于电磁感应原理的电源变压器将初级线圈上输入的交流电压 U1 变换为次级线圈上的交流电压U2,初级线圈、次级线圈的圈数分别为n1 和n2 时,U2= (n2/n1)×U1。一般情况下,U1 为50Hz 、220V 的交流电。在直流-直流的电源中不需要使 用该类组件。 图5. 2 直流稳压电源电路的逻辑结构 整流电路主要利用二极管的单向导通特性,将交流-交流电压变换后的交流输出转换为 电流周期性变化的单向脉动直流电(DC), 设计中可采用单相全波整流和单相桥式整流电 路。整流电路输出端不接滤波电容时,单相全波整流和桥式整流电路的输出电压均约为 0.9U2,二极管的平均电流为整流电路输出电流的一半,二极管承受的最高反向电压为2U2。 基于这些参数约束,设计者可选择合适的整流二极管。 滤波电路用于滤除单向脉动电流中的交流成分(纹波电压①)并形成直流电流输出。该 电路主要利用了电容两端电压(或电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载并联(或电 感与负载串联)以滤除整流电路输出电压中的纹波电压。负载电流较小的电路适合采用电 容滤波,反之可采用电感滤波。接入滤波电容CF(或电感LF)后,该元件将在波峰充电、在 波谷放电以补偿电压。当CF≥(3~5)T/2R 时, T 为交流电周期(如50Hz,20ms), R 为负 载电阻,电路输出电压UF 约为1.U22进而反向推算变 压器的匝比。 2。一般应以1.U2 作为输出电压值, 稳压电路用于消除电网/电池等输入端电压的波动并抵消负载变化对电源的影响,为系 统提供稳定的直流电压。在实际设计中,稳压电路的设计既可以采用基于二极管、三极管等 分立元件的线性稳压电路、开关稳压电路,也可以采用78xx、79xx等三端集成稳压管。 2.220V 交流-12V 直流电源电路示例 例如,图5.[57]设计的交流220V 转直流12V 的电源电 3是一个基于7812 集成稳压管 路,最大输出电流为1A 。稳压管标号中的78 表示稳压管输出正电压(79 表示输出负电 压)、12 表示输出电压为+12V,由此,可以选择7805 、7912 等型号的稳压管分别建立+5V 、 -12V 等电源电路。整流桥由4个整流二极管1N4001[58]桥接而成,将感应的交流电转换 为直流电。电容C1 和C2 组成滤波电路,其中极性电容C1 用于过滤整流输出中的低频纹波 电压,无极性电容C2 用于滤除输出中的高频纹波信号;稳压管输出端的极性电容C3 用于储 能,使得输出更加稳定。 180 图5. 3220V 交流转12V 直流电源电路 ① 纹波电压是指直流电压中因对整流后电压的滤波不彻底或因负载波动所引入的交流成分。 3中,、 压电路。其中,正常输出电压范围为11.6V, 在图5.电容C2C3 和7812 构成了将直流高电压转至12V 直流电压的基本直流稳 7812 稳压管的输入电压范围为14. 5~27V, 4~12. 输出电流范围为5mA~1A,峰值电流和峰值功率分别可达2. 2A 和15W 。在已获得直流电 压输出时,降压稳压电路大都可以采用类似的设计方式。在实际设计中,用户还可以在该基 本稳压电路的基础上,基于(可调)电阻、电容、二极管、三极管、比较器等器件对电路进行扩 展,构造出不同电气特性的稳压电路,如恒流型、输出可调型、高电流电压型、高输出电流短 路保护型、负电压输出型、正负电压输出型以及开关型稳压电源电路等。稳压管的数据手册 中会详细描述这些电路组件的具体结构和使用参数,设计时可根据需要进行查阅。 3. 直流升压-降压SEPIC① 电源电路示例 首先需要说明的是,单端初级电感变换器SEPIC 是一种允许输出电压大于、等于或小 于输入电压的DC-DC 电路,通过电路开关的占空比控制输出电压。基本的SEPIC 电路一 般是采用一个开关三极管(或MOS 管)和两个位于不同回路的电感构成的,其结构如图5. 所示。其中,当开关三极管 S 导通时,Ui、L1、 S 回路和S、C1、L2 回路同时导通,两个电感 4 L1 和L2 同时储能,和L1 的能量通过C1 转移到L2;当开关三极管 S 截止时,、、 和负载(C2、Ro)形成回路,同时L2、D1 和负载形成回路,此时电源与L1 为负载供电,并向 C1 充电。类似于升压电路,该电路的输入电流平滑,而输出电流则不连续(称为斩波)。那 么,以不同频率控制开关三极管 S 的导通、截止状态并选择特定参数的元件,就可以通过控 制电路中的电流大小实现输出电压的升降调节。图5.但其 Ui UiL1 D1 4所示电路的优点是实现简单, 不足也非常明显,电路本身并不能实现开关三极管 S 的自动控制,也不能保证电路的稳定 性和安全性。 图5. 4SEPIC 电路结构 以基于CS5171[59]稳压管构造的2.5V 输出的SEPIC 转换电路为例。 7~28V 输入、 CS517x系列集成电路可以看作对上述SEPIC 电路中开关等部分的扩展。该芯片内部采用 了由电源开关电流产生脉冲宽度调制(PWM)斜坡信号的电流模式控制机制,以固定频率振 荡器的脉冲输出打开器件内部的电源开关S,并由PWM 比较器将其关闭。 CS5171 是频率为280kHz 的8引脚高效能电压转换调节器,输入电压为2.最 7~30V, 5A, 大输出电流为1.可以实现升压、降压、反相、正负对称双电源输出等多种功能。芯片的 主要引脚包括电源引脚VCC(-0.~35V )、循环补偿引脚VC(0.~6V )、电压反馈输入引 3-3 脚FB(-0.~10V )、关闭/同步引脚SS(0.~30V )、开关输入引脚VSW(0.~40V )、电 3-3-3 源地PGND 和模拟地AGND 。其中,VC 是误差放大器的输出,连接一个RC 补偿网络,主 ① SEPIC:SingleEndedPrimaryInductorConverter,单端初级电感变换器。 181 要用于循环补偿、电流限制以及软启动①;FB 连接到芯片内部正误差放大器的反相输入,与 1.4V 时, 276V 的参考电压进行比较,当该引脚的电压低于0.芯片的转换频率降低为正常频 率的20%;SS 引脚可以将芯片置为低电流模式, VSW 是 或者用于和基准时钟的两倍频同步; 高电流开关引脚,其内部连接到电源开关三极管的集电极。图5.6分别为采用 5、图5. CS5171 设计的2. SEPIC 转换电路。 7~28V 输入/5V 输出的SEPIC 转换电路和5V 输入/.12V 输出的 图5. 5 采用CS5171 的升降压直流电源电路 图5. 6 采用CS5171 的5V 转.12V 电源电路 由数据手册可知,基于CS517x系列芯片还可以构造出升压、降压、反相、逆变等不同的 电压转换电路,使得嵌入式硬件的设计得以简化。除此之外,面向电池供电子系统的TI TPS61038~5.5V 的输出电 x系列升压转换器可以将1.5V 范围的输入电压转换为最大5. 压。较CS517x而言,该器件的优势是具有非常高的能量转换效率, 8V 输入升压至5V 将1. 输出时可以提供1A 的输出电流。 ① 软启动:通过外部扩展的RC 电路,可以防止上电启动过程中在VC 引脚上的高电流冲击,从而也抑制电感电流 以防止其上升过快。 182 需要强调的是,在多个独立电源的电路中,数字电源需先于模拟电源供电。同时,电源 电路只是构成嵌入式系统供电电路的一部分,在实际设计中可能需要进行扩展。在诸如电 池供电的嵌入式系统设计中,电源电路中通常需要以电源控制数字芯片为核心。电源控制 芯片在线检测电池电压,为不同组件提供不同的电压输出,并通过充电控制芯片控制电池的 充电过程。在系统运行及电池充电过程中,充电控制芯片保护电池以防止过度放电、过压、 过充及过温,保护电池寿命及系统安全。 2.延伸:电源管理与低功耗设计 电子系统的功耗与其工作时的电压、频率以及处于运行状态的组件数量密切相关。电 压越高、频率越高或激活运行的组件数量越多,功耗可能就会越大。反过来讲,要有效降低 器件和系统的功耗,从这三方面着手应是行之有效的。 从系统的层面进行的功耗管理实际上是基于低功耗处理器的内部机制实现的,或者说, 是对处理器低功耗模式的动态管理。在低功耗处理器内部,处理器核、I/O接口、时钟电路 等数字逻辑以及ADC/DAC 、传感器、锁相环等模拟组件被划归到不同的电源域,并由(智 能)电源控制和管理逻辑单元进行管理。在不同的电压区间,处理器内部组件的工作性能、 运行频率、激活状态都会有所不同。总体上,电压越高,频率越高,性能越高,功耗越大。下 面以STM32L1 系列的微控制器为例进行说明。 STM32L1 是意法半导体公司推出的超低功耗、基于ARMCortex-M3 核的高性能32 位MCU[60]。该系列MCU 采用意法半导体公司专有的超低泄漏制程,具有创新型自主动 态电压调节功能和5种低功耗模式,在保证性能的同时扩展了超低功耗的运行机制。与主 要应用于可穿戴设备的STM32L0 以及STM8L 一样,STM32L1 提供了动态电压调节、超 低功耗时钟振荡器、LCD 接口、比较器、DAC 及硬件加密功能。STM32L1 处理器的内部供 电电路如图5. 7所示。 图5. 7STM32L1 处理器的内部供电电路 在该电路中,各个引脚及电压域(或电压区)具有如下特性: (1)当BOR(r-ee欠压复位) VDD的电压区间为1.~6V( BownOutRst, 有效时,83.上电 65~6V( ~3. 时)或1.掉电时);当BOR无效时,电压区间为1.6V 。 (2)VDDA是向ADC 、DAC 、上电复位(Power-OnReset,POR)和掉电复位(Power-Down Reset,PDR)模块、RC振荡器和锁相环供电的外部模拟电源供电电路,VDDA的电压区间与 VDD相同;当连接ADC组件时,8V;独立的ADC和DAC供电电源VDDA和 3.65 VDDA的电压为1. 电源地VSSA可以被单独滤波,并屏蔽PCB噪声,以保证转换精度。 (3)VREF+是输入参考电压,在部分封装中VREF+和VREF-是独立引脚,部分封装中则分 别连接到VSSA和VDDA 。VREF+ 不同时,ADC时钟ADCCLK的频率不同,例如,当VDDA= VREF+≥2.= 4V时,ADC全速运行,ADCCLK为16MHz,转换速率为1MSPS①,而当VDDAVREF+≥1.4V时,ADC中速运行,ADCCLK为8MHz, 8V或VDDA≠VREF+ ≥2.转换速率为 500KSPS②。对于DAC而言,8V≤VREF+