Apa yang dimaksud dengan Reset Brown Out di Mikrokontroler? Cara Mencegah Mati Listrik yang Salah

Brown Out Reset adalah fungsi penting untuk meningkatkan keandalan mikrokontroler setelah start-up. Biasanya digunakan untuk mengatasi masalah dengan catu daya, artikel ini menunjukkan bagaimana Brown Out Reset dapat mencegah masalah lain.

Ulasan Reset Brown Out

Sebuah "kecoklatan" dari mikrokontroler adalah pengurangan parsial dan sementara pada tegangan catu daya di bawah tingkat yang diperlukan untuk operasi yang andal. Banyak mikrokontroler memiliki sirkuit perlindungan yang mendeteksi ketika tegangan suplai turun di bawah level ini dan menempatkan perangkat ke status reset untuk memastikan startup yang tepat saat daya kembali. Tindakan ini disebut “Brown Out Reset” atau BOR. Fitur serupa disebut Low Voltage Detect (LVD) yang lebih kompleks dan menambahkan deteksi beberapa level voltase dan dapat menghasilkan interupsi sebelum reset dipicu.

BOR sering diaktifkan oleh bit dalam register kontrol. Biasanya, bit status diatur ketika BOR menyebabkan reset. Bit status ini bertahan dari reset (jika daya tidak terlalu rendah!) dan memungkinkan program untuk mendeteksi masalah dan melakukan pemulihan tambahan atau mencatat peristiwa.

Apa yang terjadi jika BOR dinonaktifkan? Berikut adalah penggambaran tegangan catu daya yang terus menurun. Mungkin ini adalah catu daya yang memburuk atau baterai yang habis.

V1 adalah tegangan catu daya normal. V2 adalah titik di mana mikrokontroler mungkin tidak beroperasi dengan andal. Saya menunjukkan V3 sebagai titik di mana operasi berhenti sepenuhnya. Antara V2 dan V3 adalah "zona bahaya" di mana segala sesuatunya bisa salah dan pengoperasiannya tidak dapat diandalkan. Perangkat bisa bekerja dengan benar selama bertahun-tahun saat catu daya masuk dan keluar dari zona bahaya dan kemudian, bam!, terjadi kegagalan. Level BOR diatur di atas V2 dan menggantikan zona bahaya dengan reset perangkat. Reset tidak baik tetapi (biasanya) lebih baik daripada tidak pasti.

Selanjutnya, saya menghubungkan situasi di mana catu daya beroperasi secara normal tetapi BOR digunakan untuk memecahkan masalah yang berbeda.

Menemukan Penggunaan Lain Untuk Reset Brown Out (Jalan Sulit)

Saya merancang rangkaian yang berisi mikrokontroler PIC dan 18 regulator tegangan dalam modul yang mengontrol daya +5V ke 18 sensor cahaya. Dua belas modul mengendalikan 204 sensor dalam sebuah larik. Modul adalah bagian dari sistem Optik Adaptif pada teleskop astronomi besar di Mauna Kea di Hawaii. Ini bagian dalam modul.

Gambar milik Teleskop Subaru

Mikrokontroler berada di dekat bagian tengah papan dan 18 regulator tegangan linier dipasang ke dinding enklosur. Modul dan sensor dipasang pada pelat berpendingin air untuk memindahkan panas dari bangku optik yang berada di atas susunan sensor. Pulsa dari sensor cahaya masuk ke modul di mana mereka diubah menjadi diferensial, sinyal RS-485 dan output pada konektor di tengah atas gambar. Selain itu, ada sinyal kontrol RS-485 yang masuk ke modul. Semua sinyal RS-485 terhubung ke sirkuit dalam sasis yang berjarak sekitar 10 meter. Poin penting adalah semua sirkuit dalam modul menggunakan suplai +5V yang sama.

Berikut adalah tampilan dekat dari mikrokontroler dan driver dan penerima saluran RS-485 yang merupakan pusat masalah. Soket modular hitam adalah antarmuka serial asinkron yang menambahkan dua sinyal I/O RS-485 lagi.

Modul melewati pengujian ekstensif di bangku cadangan. Tidak ada masalah! Mereka menjalani pengujian sistem selama berbulan-bulan di laboratorium. Sempurna! Peristiwa besar itu adalah pengujian pertama di teleskop. Gagal! Komunikasi terputus sekitar setengah dari modul ketika daya dimatikan dan dihidupkan kembali. Saya memasang debugger dan menemukan mikrokontroler menjalankan dan mengeksekusi kode tetapi ada variabel yang rusak dan antarmuka serial tidak berfungsi. Sangat aneh.

Pertama, saya ingin mengatakan debugging di tengah malam di ketinggian 13.589 kaki (4.138 meter) dengan suhu udara 40°F (4°C) tidak menyenangkan. Namun, mari kita lanjutkan. Berikut adalah diagram yang menunjukkan masalahnya.

Di sisi kanan adalah modul dengan penerima saluran RS-485 yang terhubung ke mikrokontroler dan suplai +5V. Di sisi kiri adalah driver baris di ujung kabel yang selalu dihidupkan. Sebenarnya, ada driver dan receiver yang berjalan di kedua arah tetapi saya menyederhanakannya. Ketika daya modul (VCC) mati, driver dan penerima saluran jarak jauh masih hidup (VDD). Sinyal bertindak seperti sumber daya dan menemukan jalannya melalui perangkat antarmuka modul dan langsung ke daya +5V atau melalui sirkuit perlindungan ESD pada pin mikrokontroler. Ada daya yang cukup untuk mencegah mikrokontroler mati sepenuhnya dan perangkat berada di zona bahaya.

Ketika daya modul dihidupkan, mikrokontroler tidak memulai dengan urutan reset penyalaan normal. Itu mulai berjalan tetapi dengan masalah. Mengapa ini tidak muncul selama tes sebelumnya? Ingat piring berpendingin air? Pendingin di teleskop sedikit lebih dingin daripada pendingin di lab. Teori saya adalah suhu yang lebih rendah cukup untuk mengekspos masalah di beberapa modul.

Perbaikannya mudah. Saya menambahkan pernyataan dalam kode untuk mengaktifkan BOR dan masalahnya terpecahkan. Omong-omong, saya membutuhkan waktu lebih lama untuk menulis laporan dan meyakinkan manajer proyek bahwa semuanya baik-baik saja daripada yang diperlukan untuk memperbaiki masalah.

Matikan Salah

Berikut adalah diagram yang menunjukkan masalah umum.

Ketika catu daya dimatikan, tegangan tidak turun sepenuhnya. Sebaliknya, sumber daya lain menjaga tegangan suplai di zona bahaya. Salah satu deskripsi tegangan ini adalah “False Power”. Tidak ada BOR untuk mendeteksi kondisi ini dan menyebabkan reset. Perangkat mungkin tidak melalui urutan penyalaan normal saat daya dihidupkan lagi karena sirkuit reset penyalaan mungkin tidak dipicu. Pengoperasian selanjutnya tidak pasti karena catu daya berada di bawah minimum dan tidak ada penyetelan ulang.

Dalam kasus saya, mikrokontroler adalah Microchip PIC16F877-20I/L. Bagian ini adalah versi industri dengan kisaran suhu pengoperasian -40 ° C hingga +85 ° C. Dengan clock 16MHz, rentang catu daya adalah +4.0V hingga +5.5V. Tegangan operasi di dalam modul (V1) sangat kuat +5V. Tegangan Daya Palsu pada mikrokontroler (V2) sekitar +1.5V saat beroperasi di teleskop . Saya tidak mengukurnya di lab karena tidak ada masalah dan saya tidak tahu untuk memeriksanya. Selain itu, saya tidak pernah memiliki kesempatan untuk memeriksanya dengan kondisi lab karena sistem tidak pernah turun dari teleskop.

Ada dua spesifikasi lain yang relevan. “Tegangan Retensi Data RAM” (\[V_{DR}\]) adalah +1.5V, “biasa ”. “VDD Start Voltage” (\[V_{POR}\]) untuk memastikan reset power-on internal adalah 0V, “tipikal ”. Melipat semua ini bersama-sama memberi tahu saya bahwa perangkat itu berada di dalam zona bahaya. Tidak ada reset daya yang diharapkan karena tegangan jauh di atas \[V_{POR}\]. Selain itu, tidak ada harapan bahwa False Power akan membuat perangkat tetap hidup karena False Power berada pada tegangan retensi RAM (\[V_{DR}\]). Siapa yang tahu apa yang dilakukan perangkat lainnya?

Mengapa menyalakan BOR memperbaiki masalah? Spesifikasi pemicu Brown Out Reset (\[V_{BOR}\]) berkisar dari +3.7V hingga +4.35V dengan tipikal +4.0V. Tingkat Daya Palsu jauh di bawah tegangan pemicu untuk BOR. Masalah terpecahkan. Namun, masih ada misteri mengapa mikrokontroler bekerja di lab dan beroperasi secara normal dengan banyak siklus daya.

Kesimpulan

Saya menemukan deskripsi situasi ini di akhir catatan aplikasi Microchip (AN607) yang menyebutnya sebagai "Daya Mati Palsu". Saya belum menemukannya didokumentasikan di tempat lain.

Kekuatan Palsu dapat berasal dari sumber seperti:

• Sinyal eksternal (kasus saya)
• Beberapa catu daya dalam satu sirkuit
• Kapasitor membutuhkan waktu untuk dikosongkan sepenuhnya

Tampaknya sumber Daya Palsu yang cukup tinggi diterapkan langsung ke pin GPIO dan memasuki perangkat melalui sirkuit perlindungan ESD dapat menyebabkan masalah, bahkan ketika BOR diaktifkan . Selain itu, untuk desain daya yang sangat rendah, ada alasan untuk tidak menggunakan BOR sama sekali karena menggunakan daya yang cukup besar dibandingkan dengan mode deep sleep pada beberapa perangkat. Kesimpulan saya adalah BOR dan penerusnya, LVD, semakin rumit dan False Power memberi desainer satu hal lagi untuk dipertimbangkan dalam bagian rumit dari desain mereka.