智能手持设备的硬件智能复位设计 - 全文

　　1　引言

　　随着大量新兴数据业务的应用，智能手机和平板电脑功耗水平大幅度提高，导致待机时间也大幅度缩短。为了能否延伸待机时间，内置电池的设计变得越来越普及。这是因为锂电池的一半体积是由其结构件所占据的，如果电池内置于智能手机和平板电脑机身中，就可以节省锂电池的结构件体积，从而在相同乃至更大的体积上大大提高电池的容量。如此一来，电池的容量确实得到了大幅度增加，伴随着也产生了一个新的问题——如果智能手机和平板电脑在应用过程中发生软件系统卡机的情况，如何进行系统的复位操作?

　　与产品的主要功能相比，解除卡机状况的机械复位装置通常比较落后。为防止设备意外复位，大多数手动复位键(如果有的话)都掩藏在机身内。因为复位键很难触及，所以拆卸电池成为非常普遍的解决办法。但是，这种做法不仅用户感受度较差，并且增加了成本，还可能会损坏系统，例如，使重要的数据丢失。

　　那么，在内置电池设计的智能手机和平板电脑中，如何进行系统的硬件复位呢?本文介绍了一种硬件智能复位的解决方案，不仅可以在智能手机和平板电脑设计中实现双键长按的智能复位，还可以实现在智能手机和平板电脑中流行的单键开/关机和复位的智能方案。

　　2 智能手机和平板电脑应用平台的开/关机和复位的机制和隐患

　　在当今智能手机和平板电脑的主流平台中，通常都存在应用处理器(Application Process / Baseband，下简称AP)加电源管理芯片(Power Management Unit，下简称PMU)的架构，如图1所示。

　　图1. 智能手机和平板电脑中AP + PMU的硬件架构

　　在这种硬件架构中，在PMU上设置有一个电源开关管脚与一个机身上的一个机械开关相连(下简称Power_Key)。

　　当手机处于关机状态的时候，按下Power_Key将PMU的电源开关管脚拉到地，将启动PMU上电过程：PMU启动LDO为AP供电，同时发出硬件复位信号给AP，当AP软件系统启动完毕后，回送一个PS_HOLD信号将PMU的PS_HOLD管脚拉高，并且在工作状态一直维持为高电平;如果在一定的时间内(Tpshold时间)，AP没有能将PS_HOLD管脚拉高，则表明AP启动失败，PMU自动进行下电过程。通常要求Power_Key和PS_HOLD信号之间存在一定的关系，即Power_Key信号必须保持为低电平直至PS_HOLD信号被AP驱动为高，如图2所示。这是因为，如果发生了AP上电初始化失败而没能在设置的时间Tpshold内将PS_HOLD信号拉高，Power_Key仍然维持为低能够确保PMU将被触发再一次上电过程，从而确保上电成功。

　　图2. PMU的Power_Key和PS_HOLD信号的时序关系

　　当手机处于开机状态的时候，按下Power_Key将PMU的电源开关管脚拉到地，PMU将发送中断给AP，AP将根据中断请求进行响应，将PS_HOLD管脚拉到地，PMU自动进行下电过程。

　　在这个机制中，存在一个显见的隐患：当AP的系统软件卡机的时候，它将无法响应PMU发送的下电中断请求，也就无法进行关机或复位操作了。可能的解决方法如下：在PMU的PS_HOLD管脚输入端设置一个按键开关S1，当S1被按下，PS_HOLD信号被拉低到地，触发PMU的下电过程，如图3所示。

　　图3. AP + PMU的硬件架构中的手工复位方案

　　这个方案固然可行，但是需要将S1隐藏在不易触发的小孔中，平时用户是不能够触碰这个复位开关S1的。除了用户感受不好和增加了设计成本与风险外，这个方案还存在一个问题——当下流行的智能手机或平板电脑的设计只有一个机械按键，也就是连接到PMU电源开关管脚的开关Power_Key。在这种设计中，Power_Key和S1是不能够设置在一起的。原因如图4所示。

　　图4. AP + PMU的硬件架构中开/关机按键和复位按键不能合二为一的原理图

　　当系统处于关机状态时，如果Power_Key被短按，PMU将触发上电过程，当AP上电启动完毕后将PS_HOLD信号拉高——此时不管按键是按下还是松开的状态，PMU的PS_HOLD都可以在Tpshold时间内经过R2/C1/R1被及时拉高，系统上电成功不存在问题。当系统处于开机工作状态时，如果Power_Key被按下，由于PS_HOLD信号立即被拉低，PMU将进入下电过程。按键释放的时刻，系统可能处于下电过程或者上电过程的某个阶段，最终导致有可能关机和有可能系统复位的不可以预测的结果，这是产品设计所不可以接受的，如图5所示。更重要的是，采用这样的设计，系统也就根本无法实现软件关机功能了。所以，在这种电路设计中，Power_Key和S1是不能够设置在一起的。

　　图5. AP + PMU的硬件架构中开/关机按键和复位按键不能合二为一的时序

　　为了校正PMU自身没有专门的硬件复位输入管脚，而需要借助PS_HOLD信号拉低进行复位的这个缺陷，新的PMU中开始引入了专门的RESET_IN的复位管脚，允许外部电路通过这个管脚硬件复位PMU。但是，这里仍然存在的问题是——PMU的规格要求开/关机按键和复位按键必须在物理上分开，不能设置在同一个按键上，需要将复位按键隐藏在机身上的检修孔中，无法实现单键开/关机和复位的方案。

　　那么，有没有一个硬件方案能够使开/关机按键和复位按键合二为一，实现智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位的智能方案呢?

　　3 智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位智能方案

　　意法半导体STM65xx系列智能复位芯片系列有两个或者一个输入，可以连接设备上的两个或者一个功能键。如果这两个键被同时或单个键被按住一定时间(时间长短可以设置或根据型号进行选择)，复位芯片将向主处理器发送一个复位信号。复位芯片的两个或者一个输入和延时设定功能，使按键的“普通功能”和按键的“系统复位功能”合二为一，同时能有效地防止设备被意外复位。

　　在智能手机和平板电脑设计中，当下流行单键开/关机和复位的设计，即整个机身上只有一个机械按键，该按键盘承载了开/关机和卡机复位的功能。STM65xx智能复位芯片系列中的STM6513能够非常圆满地实现这个功能。设计者只要将STM6513的SR0和SR1输入管脚可以连接在Power_Key上(需要双键长按复位的设计，则只需要将/SR0和/SR1分别连接到不同的功能按键上即可)，/RST2连接到AP的复位输入管脚，而RST1连接到PMU的PS_HOLD管脚上，这样就可以轻松地实现智能手机和平板电脑设计中的单键开/关机和复位的智能方案，如图6所示的方案1。

　　图6. 采用STM6513的单键开/关机和复位的智能方案1

　　系统处于关机状态时，如果Power_Key被短按，PMU将触发上电过程，当AP上电启动完毕后将PS_HOLD信号拉高，系统上电成功不存在问题。由于设计中Power_Key被短按，不会触发STM6513的延时复位功能(可选，例如8秒钟)。

　　当系统处于开机工作状态时，如果Power_Key被按下，超过一个的时间(可选，例如8秒钟)，/RST2输出低电平有效的复位信号给AP，同时RST1管脚输出高电平信号。由于PMU 的PS_HOLD输入管脚上两个二极管组成的线与功能电路的存在，在AP进行复位的时候，STM6513输出的RST1将保持为高(RST1的trec，可以根据需要通过STM6513的外接电容管脚进行设置)，直到AP将PS_HOLD管脚驱动为高。这样一来，在进行系统复位的时候，只是AP被STM6513进行了复位，而PMU实际没有下电过程，可以确保系统复位成功。另外，由于系统复位过程中PMU没有下电，缓存数据不丢失，还可以实现死机时用户应用数据保存的功能。

　　有些设计者可能倾向于在系统重启过程中，PMU也能够进行重启。对于这类设计者，也可以只使用STM6513的/RST2管脚连接到PMU的PS_HOLD管脚上(对于存在RESET_IN的PMU，可以连接在RESET_IN管脚上)，如图7所示的方案2。当系统处于开机工作状态时，如果Power_Key被按下，超过一个的时间(可选，例如8秒钟)，/RST2输出低电平有效的复位信号将PMU的PS_HOLD信号拉低。由于/RST2的trec为固定的(例如210ms)，也就是说，/RST2在复位信号维持210ms低电平之后将后变为输出高阻状态，从而释放了PMU的PS_HOLD信号，PMU的PS_HOLD将完全由AP的PS_HOLD输出管脚的状态控制。由于此时Power_Key仍然为低电平，PMU将被触发再一次的上电过程，最终上电成功。