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引言 在測量、控制等領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，常要求系統(tǒng)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)中的數(shù)據(jù)在電源掉電時不丟失，重新加電時RAM中的數(shù)據(jù)能夠保存完好，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作和數(shù)據(jù)信息處理的安全。這就要求對系統(tǒng)加接掉電保護措施。掉電保護可采用以下三種方法： 一是加接不問斷電源。由于這種方法體積大、成本高，對單片機系統(tǒng)來說，不宜采用。 二是采用EEPROM來保存數(shù)據(jù)。但由于其讀寫速度與讀寫次數(shù)的限制，使得EEPROM不能完全代替RAM。 三是采用備份電池，掉電后保護系統(tǒng)中全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容。 顯然，上述第三種方法是比較可行的。實際應(yīng)用中，往往采用內(nèi)置鋰電池的非易失性靜態(tài)隨機存取存儲器(nonvolatile SRAM)。例如Dallas半導(dǎo)體公司的DS1225，由于采用鋰電池作為存儲器備份電源，數(shù)據(jù)可以完好保存10年以上。但這種方案的缺點是成本高，且鋰電池會造成環(huán)境污染。 法拉電容也叫超級電容器，雙電層電容，其體積小、容量大、電壓記憶特性好、可靠性高。與充電電池相比，具有充電時間短、功率密度高、使用壽命長、低溫特性好及無環(huán)境污染等優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)保護電路中采用法拉電容取代電池作后備電源，在提高系統(tǒng)可靠性、延長壽命、降低設(shè)備成本和維護成本等方面，有十分重要的意義。 本文將通過一個設(shè)計案例，具體介紹法拉電容在單片機系統(tǒng)的RAM數(shù)據(jù)保護中的應(yīng)用，為嵌入式系統(tǒng)中RAM數(shù)據(jù)保護提供一種可行的參考方法。 某一采用UT6264C-70LL作為RAM的單片機系統(tǒng)，在系統(tǒng)掉電后，要求RAM的數(shù)據(jù)后備時間達到5天。 1 硬件設(shè)計 采用法拉電容作為RAM后備電源，法拉電容后備時間的典型計算公式為： 
式中：C(F)為法拉電容的標(biāo)稱容量，Umin(V)為電路中的正常工作電壓，Umin(V)為電路能工作的最低電壓，t(s)為電路中后備時間，I(A)為電路的負載電流。 UT6264CSC-70LL的典型數(shù)據(jù)保持電流為1 μA，工作電壓為5 V，數(shù)據(jù)保持所需電壓最低為2 V。取O．1 F的法拉電容，計算得到RAM的數(shù)據(jù)后備時間為3．35天。而實際上，當(dāng)RAM的電源電壓降低時，其數(shù)據(jù)保持電流將減小，因而后備時間可以延長。 另外，電源出現(xiàn)波動時，RAM的片選引腳、寫使能引腳及數(shù)據(jù)線端口也容易引入干擾或不正常的控制時序，從而破壞RAM中的數(shù)據(jù)。因此，需要通過電路設(shè)計，確保電源不正常時讀寫控制端口時序可控，從而增強RAM數(shù)據(jù)的安全。 電路原理圖如圖1所示。
當(dāng)電源正常時，5 V電源VCC通過快速整流二極管D1給RAM(U2：UT6264)供電，并通過R1給法拉電容(C1：FMOH104Z)充電。掉電時，D1截止，法拉電容C1作為備份電源，通過R1為U2供電，保證RAM中數(shù)據(jù)不消失。 在掉電過程中或電源出現(xiàn)波動時，為了增強RAM數(shù)據(jù)的安全性，采用了專用電源監(jiān)控芯片(U3：IMP706)，提供系統(tǒng)的監(jiān)控功能。上電、掉電和電網(wǎng)電壓過低時會輸出復(fù)位信號，同時還能跟蹤1．6 s的定時信號，為軟件運行提供看門狗定時器(watchdog timer)防護。當(dāng)電源電壓掉至約4．74 V時，U3向CPU(U1：AT89S52)輸出掉電信號(PW_DN)，CPU進行掉電應(yīng)急處理和保護現(xiàn)場，不向RAM芯片進行任何讀寫操作。當(dāng)電源電壓進一步掉至4．4 V時，U3產(chǎn)生復(fù)位信號，CPU被復(fù)位，同時RAM芯片U2的片選引腳CE2也被置為低電平，確保U2不被讀寫操作。 2 軟件設(shè)計 本案例電路的地址定義是：RAM地址范圍(8 KB)為0000H～1FFFH；看門狗定時器控制地址為E000H。 軟件包括主控制程序、掉電中斷處理程序、定時中斷處理程序等。 (1)主控制程序 上電進行必要的CPU初始化后，檢查正常掉電標(biāo)志和RAM Check Sum計算檢查，以確認(rèn)RAM中數(shù)據(jù)是否正常。如果正常，就進行掉電前的現(xiàn)場恢復(fù)。其主程序流程框圖如圖2所示。
(2)掉電中斷處理程序 CPU收到掉電信號(PW_DN)中斷時，CPU進行掉電應(yīng)急處理和保護現(xiàn)場，設(shè)置正常掉電標(biāo)志，保存RAMCheck Sum計算結(jié)果，以備上電時檢查RAM數(shù)據(jù)是否被破壞。其流程框圖如圖3所示。
(3)定時中斷處理程序 看門狗定時器電路需要在每1．6 s內(nèi)清零，在定時中斷處理程序中調(diào)用看門狗清零子程序。定時中斷時間要設(shè)在1．6 s以內(nèi)，例如100ms。定時中斷處理流程框圖如圖4所示。
結(jié)語 在本應(yīng)用實例中，經(jīng)測試，掉電后RAM數(shù)據(jù)后備時間是10～14天，且數(shù)據(jù)可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。顯然，選擇更大容值的法拉電容將有更長的后備時間。在控制系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計中，為提高產(chǎn)品的可靠性、降低成本、增強產(chǎn)品在市場上的競爭力，本文提供的方案具有參考價值。 參考文獻 1. 陳躍東.郎朗 單片機控制器在卷染機中的應(yīng)用 [期刊論文] -電子科技大學(xué)學(xué)報2003(1) 2. 江健琦 法拉電容在掉電保護中的應(yīng)用 [期刊論文] -單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用2007(6) 3. 徐文東.華賁.陳進富 雙電層電容器的電容特性分析 [期刊論文] -電工電能新技術(shù)2006(2) 作者：寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 潘世華 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》 2009（7） |
