Controllo dell’avvio delle periferiche e del reset nei sistemi embedded

Un segnale di abilitazione controllato da MCU può creare un problema di avvio anche quando i collegamenti nello schema sono corretti. Il GPIO può raggiungere il livello logico richiesto prima che l’alimentazione del componente controllato, la tensione di riferimento o il circuito a monte siano pronti. A seconda dei requisiti di avvio del dispositivo, tale sequenza può impedire l’inizializzazione o produrre uno stato indesiderato. Le misure effettuate successivamente possono mostrare un’alimentazione valida e un segnale di abilitazione attivo, senza però rilevare la transizione che ha causato il guasto.

I processori mixed-signal offrono un modo per qualificare il comando dell’MCU prima di inoltrarlo all’ingresso di abilitazione del componente. Invece di inviare direttamente un fronte di abilitazione a una periferica, un processore mixed-signal può svolgere un ruolo di supervisione che determina se il segnale di abilitazione debba essere inoltrato a un pin di enable. Sebbene questo si possa realizzare con logica discreta e un front-end analogico, un processore mixed-signal può consolidare questi componenti in un unico package.

Come supervisionare la temporizzazione dell’abilitazione

Garantire che i pin di abilitazione delle periferiche vengano commutati nella corretta finestra temporale può richiedere diverse soluzioni possibili, ognuna con differenti livelli di elaborazione logica e non sempre disponibili in ogni controller host:

1. Ritardare il segnale di commutazione dell’abilitazione con un buffer di un intervallo di tempo fisso
2. Ritardare il segnale di commutazione dell’abilitazione con un buffer di un numero fisso di cicli di clock
3. Monitorare le rail di alimentazione necessarie per assicurare l’assestamento, quindi inoltrare il segnale di commutazione dell’abilitazione
4. Monitorare un altro segnale per verificare un’ampiezza o un’impostazione appropriata, quindi inoltrare il segnale di commutazione dell’abilitazione

Il datasheet della periferica controllata stabilisce in genere la relazione tra alimentazione e temporizzazione di enable/reset. Tuttavia, gli altri fattori che potrebbero influire sulla temporizzazione (altri segnali, assestamento dell’alimentazione, ecc.) sono spesso imprevedibili perché richiedono il monitoraggio di un altro circuito, quindi non è possibile generalizzare come temporizzare i segnali di abilitazione.

Ritardi fissi

Nella maggior parte dei casi, l’opzione 1 viene applicata quando è richiesto il monitoraggio dell’alimentazione, e si può applicare un ritardo molto lungo per garantire l’assestamento della potenza. L’opzione 2 a volte può essere impraticabile perché richiede che l’MCU fornisca un treno di impulsi sincronizzato con il clock interno e consuma un ulteriore pin GPIO.

Un ritardo fisso si usa al meglio quando il tempo di avvio rilevante ha un limite superiore e vi è poca o nessuna deviazione da questo valore. L’evento di riferimento è importante: un ritardo dall’attivazione del regolatore copre un intervallo diverso rispetto a un ritardo dall’attraversamento di una soglia di tensione. Quando la durata di avvio varia, ad esempio a causa di transitori imprevedibili durante l’avvio, una soluzione di supervisione in cui alimentazione o segnale vengono monitorati attivamente offre una maggiore affidabilità per ogni evento di commutazione del pin di abilitazione.

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Supervisori

Le opzioni 3 e 4 implicano essenzialmente la stessa soluzione: monitorare l’alimentazione o un altro segnale (o entrambi) e determinare il momento appropriato per commutare un pin di abilitazione usando logica digitale.

Un approccio con supervisore è appropriato quando la condizione di prontezza dipende da fattori che variano tra un avvio e l’altro, inclusi i ramp di alimentazione, l’assestamento del riferimento o l’attività del circuito a monte. Il rilevamento della tensione e/o gli ingressi di segnale consentono alla temporizzazione dell’abilitazione di seguire qualsiasi condizione logica. Ad esempio, sia una rail di alimentazione sia un altro segnale di controllo (digitale o analogico) possono essere usati come condizioni per commutare un pin di abilitazione. Questo esempio evidenzia un caso in cui più prerequisiti devono essere soddisfatti contemporaneamente prima che una periferica venga accesa.

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Semplici soluzioni di supervisione per i pin di abilitazione

Un semplice supervisore converte la prontezza misurata in una condizione logica che qualifica il comando dell’MCU. Per il monitoraggio dell’alimentazione, un comparatore rileva una tensione di alimentazione scalata rispetto a un riferimento, oppure un IC supervisore fornisce un’indicazione power-good. La soglia include un margine per gli errori di rilevamento e per il requisito minimo di alimentazione della periferica. La richiesta dell’MCU e l’indicazione di prontezza alimentano quindi la logica che controlla l’uscita di abilitazione. La polarità dell’uscita e la compatibilità di tensione determinano come la logica pilota la periferica.

La supervisione del segnale segue la stessa struttura. Un comparatore analogico può rilevare quando una tensione di riferimento o di bias raggiunge un livello accettabile, mentre due comparatori possono definire una finestra di tensione. I segnali di stato digitali possono indicare che il circuito a monte ha completato l’inizializzazione. La combinazione di queste condizioni consente ad alimentazione e prontezza del segnale di qualificare la stessa richiesta di abilitazione, a condizione che ciascun prerequisito possa diventare valido mentre la periferica è disabilitata.

Diverse caratteristiche del circuito determinano quanto coerentemente risponde il supervisore:

• L’isteresi del comparatore limita le transizioni ripetute in prossimità di una soglia.
• Un ritardo di qualificazione scarta le indicazioni di prontezza troppo brevi.
• Stati di avvio e di guasto definiti determinano il comportamento dell’abilitazione durante i reset o la perdita della condizione di prontezza.

L’intervallo di assestamento inizia quando la richiesta dell’MCU e tutti i prerequisiti monitorati sono validi. La perdita della condizione di prontezza azzera la qualificazione, quindi è necessario un intervallo completamente nuovo prima dell’attivazione. Questo comportamento evita di conteggiare come tempo di assestamento il tempo trascorso al di sotto di una soglia di tensione. Un segnale power-good a monte può comunque richiedere un ritardo aggiuntivo se la sua attivazione precede il punto di assestamento richiesto dalla periferica.

Un piccolo processore mixed-signal può consolidare i comparatori, i blocchi di temporizzazione e la logica utilizzati in questi circuiti di supervisione. I dispositivi con risorse adeguate possono monitorare segnali analogici, segnali di stato digitali e rail di alimentazione nello stesso package. Le risorse disponibili di comparatori, timer e uscite determinano la capacità dei canali. Più interfacce di supervisione possono condividere quel package mantenendo condizioni di qualificazione separate e commutando in modo indipendente più pin di abilitazione, riducendo la circuiteria discreta richiesta attorno all’MCU.

Usa GreenPAK per progettare e verificare la temporizzazione dell’abilitazione

GreenPAK può consolidare i circuiti di rilevamento, logica e temporizzazione che qualificano i comandi dell’MCU prima che raggiungano i pin di abilitazione delle periferiche. Il monitoraggio dell’alimentazione, il rilevamento di soglie analogiche e gli ingressi digitali di prontezza possono condividere un unico dispositivo. Più uscite di abilitazione possono avere condizioni di qualificazione separate, consentendo a ciascuna periferica di avviarsi quando i propri prerequisiti sono soddisfatti.

I comparatori on-chip rilevano condizioni analogiche, mentre LUT configurabili, flip-flop e contatori determinano quando asserire un reset, abilitare un circuito o riattivare l’host. Queste funzioni hardware possono operare senza un ciclo di controllo firmware separato, consentendo al processore di rimanere in sleep finché un evento qualificato non richiede la sua attenzione.

La suite di sviluppo Go Configure consente agli ingegneri di configurare soglie dei comparatori, logica di qualificazione, ritardi e comportamento delle uscite. La simulazione e l’hardware di sviluppo supportano la valutazione della sequenza risultante, incluse richieste anticipate e assestamenti interrotti. La selezione del dispositivo dipende dalle risorse analogiche, dai blocchi di temporizzazione e dai pin richiesti per ogni uscita di abilitazione controllata in modo indipendente.

Per saperne di più, dai un’occhiata ai componenti GreenPAK e agli esempi di riferimento.

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