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引言 在測量、控制等領(lǐng)域的嵌入式系統應用中，常要求系統內部和外部數據存儲器(RAM)中的數據在電源掉電時(shí)不丟失，重新加電時(shí)RAM中的數據能夠保存完好，以保證系統穩定、可靠地工作和數據信息處理的安全。這就要求對系統加接掉電保護措施。掉電保護可采用以下三種方法： 一是加接不問(wèn)斷電源。由于這種方法體積大、成本高，對單片機系統來(lái)說(shuō)，不宜采用。 二是采用EEPROM來(lái)保存數據。但由于其讀寫(xiě)速度與讀寫(xiě)次數的限制，使得EEPROM不能完全代替RAM。 三是采用備份電池，掉電后保護系統中全部或部分數據存儲單元的內容。 顯然，上述第三種方法是比較可行的。實(shí)際應用中，往往采用內置鋰電池的非易失性靜態(tài)隨機存取存儲器(nonvolatile SRAM)。例如Dallas半導體公司的DS1225，由于采用鋰電池作為存儲器備份電源，數據可以完好保存10年以上。但這種方案的缺點(diǎn)是成本高，且鋰電池會(huì )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(shí)間短、功率密度高、使用壽命長(cháng)、低溫特性好及無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢。在數據保護電路中采用法拉電容取代電池作后備電源，在提高系統可靠性、延長(cháng)壽命、降低設備成本和維護成本等方面，有十分重要的意義。 本文將通過(guò)一個(gè)設計案例，具體介紹法拉電容在單片機系統的RAM數據保護中的應用，為嵌入式系統中RAM數據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，在系統掉電后，要求RAM的數據后備時(shí)間達到5天。 1 硬件設計 采用法拉電容作為RAM后備電源，法拉電容后備時(shí)間的典型計算公式為： 
式中：C(F)為法拉電容的標稱(chēng)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(shí)間，I(A)為電路的負載電流。 UT6264CSC-70LL的典型數據保持電流為1 μA，工作電壓為5 V，數據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的數據后備時(shí)間為3．35天。而實(shí)際上，當RAM的電源電壓降低時(shí)，其數據保持電流將減小，因而后備時(shí)間可以延長(cháng)。 另外，電源出現波動(dòng)時(shí)，RAM的片選引腳、寫(xiě)使能引腳及數據線(xiàn)端口也容易引入干擾或不正常的控制時(shí)序，從而破壞RAM中的數據。因此，需要通過(guò)電路設計，確保電源不正常時(shí)讀寫(xiě)控制端口時(shí)序可控，從而增強RAM數據的安全。 電路原理圖如圖1所示。
當電源正常時(shí)，5 V電源VCC通過(guò)快速整流二極管D1給RAM(U2：UT6264)供電，并通過(guò)R1給法拉電容(C1：FMOH104Z)充電。掉電時(shí)，D1截止，法拉電容C1作為備份電源，通過(guò)R1為U2供電，保證RAM中數據不消失。 在掉電過(guò)程中或電源出現波動(dòng)時(shí)，為了增強RAM數據的安全性，采用了專(zhuān)用電源監控芯片(U3：IMP706)，提供系統的監控功能。上電、掉電和電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)會(huì )輸出復位信號，同時(shí)還能跟蹤1．6 s的定時(shí)信號，為軟件運行提供看門(mén)狗定時(shí)器(watchdog timer)防護。當電源電壓掉至約4．74 V時(shí)，U3向CPU(U1：AT89S52)輸出掉電信號(PW_DN)，CPU進(jìn)行掉電應急處理和保護現場(chǎng)，不向RAM芯片進(jìn)行任何讀寫(xiě)操作。當電源電壓進(jìn)一步掉至4．4 V時(shí)，U3產(chǎn)生復位信號，CPU被復位，同時(shí)RAM芯片U2的片選引腳CE2也被置為低電平，確保U2不被讀寫(xiě)操作。 2 軟件設計 本案例電路的地址定義是：RAM地址范圍(8 KB)為0000H～1FFFH；看門(mén)狗定時(shí)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(shí)中斷處理程序等。 (1)主控制程序 上電進(jìn)行必要的CPU初始化后，檢查正常掉電標志和RAM Check Sum計算檢查，以確認RAM中數據是否正常。如果正常，就進(jìn)行掉電前的現場(chǎng)恢復。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(shí)，CPU進(jìn)行掉電應急處理和保護現場(chǎng)，設置正常掉電標志，保存RAMCheck Sum計算結果，以備上電時(shí)檢查RAM數據是否被破壞。其流程框圖如圖3所示。
(3)定時(shí)中斷處理程序 看門(mén)狗定時(shí)器電路需要在每1．6 s內清零，在定時(shí)中斷處理程序中調用看門(mén)狗清零子程序。定時(shí)中斷時(shí)間要設在1．6 s以?xún)�，例�?00ms。定時(shí)中斷處理流程框圖如圖4所示。
結語(yǔ) 在本應用實(shí)例中，經(jīng)測試，掉電后RAM數據后備時(shí)間是10～14天，且數據可靠，系統運行穩定。顯然，選擇更大容值的法拉電容將有更長(cháng)的后備時(shí)間。在控制系統的產(chǎn)品設計中，為提高產(chǎn)品的可靠性、降低成本、增強產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競爭力，本文提供的方案具有參考價(jià)值。 參考文獻 1. 陳躍東.郎朗 單片機控制器在卷染機中的應用 [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用 [期刊論文] -單片機與嵌入式系統應用2007(6) 3. 徐文東.華賁.陳進(jìn)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(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（7） |
