51單片機系統(tǒng)斷電時的數(shù)據(jù)保護方法

在測量、控制等領(lǐng)域的應(yīng)用中，常要求單片機內(nèi)部和外部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，這就要求對單片機系統(tǒng)加接掉電保護電路。掉電保護通?？刹捎靡韵氯N方法：一是加接不間斷電源，讓整個系統(tǒng)在掉電時繼續(xù)工作，二是采用備份電源，掉電后保護系統(tǒng)中全部或部分數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容；三是采用EEPROM來保存數(shù)據(jù)。由于第一種方法體積大、成本高，對單片機系統(tǒng)來說，不宜采用。第二種方法是根據(jù)實際需要，掉電時保存一些必要的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)在電源恢復(fù)后，能夠繼續(xù)執(zhí)行程序，因而經(jīng)濟實用，故大量采用[1]。EEPROM既具有ROM掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點，又有RAM隨機讀寫的特點。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。下面將介紹最常用的一些掉電保護的處理方法，希望能對相關(guān)設(shè)計人員在實際工作中有所幫助。

1簡單的RAM數(shù)據(jù)掉電保護電路

在具有掉電保護功能的單片機系統(tǒng)中，一般采用CMOS單片機和CMOSRAM。CMOS型RAM存儲器靜態(tài)電源小，在正常工作狀態(tài)下一般由電源向片外RAM供電，而在斷電狀態(tài)下由小型蓄電池向片外RAM供電，以保存有用數(shù)據(jù)，采用這種方法保存數(shù)據(jù)，時間一般在3－5個月[2]。然而，系統(tǒng)在上電及斷電過程中，總線狀態(tài)的不確定性往往導(dǎo)致RAM內(nèi)某些數(shù)據(jù)的變化，即數(shù)據(jù)受到?jīng)_失。因此對于斷電保護數(shù)據(jù)用的RAM存儲器，除了配置供電切換電路外，還要采取數(shù)據(jù)防沖失措施，當電源突然斷電時，電壓下降有個過程，CPU在此過程中會失控，可能會誤發(fā)出寫信而沖失RAM中的數(shù)據(jù)，僅有電池是不能有效完成數(shù)據(jù)保護的，還需要對片選信號加以控制，保證整個切換過程中CS引腳的信號一直保持接近VCC。通常，采用在RAM的CS和VCC引腳之間接一個電阻來實現(xiàn)COMSRAM的電源切換，然而，如果在掉電時，譯碼器的輸出出現(xiàn)低電平，就可能出現(xiàn)問題，圖1給出一種簡單的電路設(shè)計，它能夠避免上述問題的產(chǎn)生。

圖1中，4060開關(guān)電路起到對CS控制的作用。當電壓小于等于4.5V時就使開關(guān)斷開，CS線上拉至"1"，這樣，RAM中的數(shù)據(jù)就不會沖失；當電壓大于4.5V時，4060開關(guān)接通，使RAM能正常進行讀寫。

2可靠的RAM掉電保護電路

上述的電路雖然簡單，但有時可能起不到RAM掉電保護的作用，原因是在電源掉電和重新加電的過程中，電源電壓躍變的干擾可能使RAM瞬間處于讀寫狀態(tài)，使原來RAM中的數(shù)據(jù)遭到破壞，因此，在掉電剛剛開始以及重新加電直到電源電壓保持穩(wěn)定下來之前，RAM應(yīng)處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，6264RAM、5101RAM等RAM芯片上都有一個CE2引腳，在一般情況下需將此引腳拉高，當把該引腳拉至小于或等于0.2V時，RAM就進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。

實用的靜態(tài)RAM掉電保護電路如圖2所示，圖2中U1、U2為電壓比較器，穩(wěn)壓管D3提供一個基準電壓Vr（Vr＝3.5V）。當Vcc為5V時，在R4上得到的分壓大于Vr，U2輸出高電平，又因為U4輸出也為高電平，故CE2輸出為高電位，單片機此時可對RAM進行存取，當電源掉電時，Vcc開始下降，當滿足如下條件時：

R4×Vcc/[（R4＋R3）/（R5＋R6）]≥Vr



U2輸出低電平，通過U5和U6使CE2輸出小于等于0.2V，RAM進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)（按圖2中元件參數(shù)代入上式，當Vcc降到4.7V時，U2輸出為低電位）。若Vcc繼續(xù)下降使U3翻轉(zhuǎn)，再通過D4、U4和U6進一步保證CE2為低電平。此外，當Vcc下降到小于E時，D2截止，D1導(dǎo)通，這時E作為RAM的備份電源，當單片機重新加電時，Vcc由0躍變到5V時，U2的輸出端會出現(xiàn)瞬間的干擾脈沖，由于U3和U4間電路的積分延遲（約0.7RC），CE2并不立即升到高電平，因而阻止了U2的干擾脈沖，當延時結(jié)束時，電源電壓已穩(wěn)定在5V，此后CE2升高，單片機便可對RAM進行存取。圖2中U3和U6為一塊四施秘特與非門（CD4093），該電路直接由E供電，這樣才能保證掉電后使CE2≤0.2V，并在重新加電時CE2不受電源電壓躍變的干擾，比較器U1和U2為電源供電，Vcc為后備電源U1的電壓監(jiān)視電路，當后備電池快用完時（小于3.5V），發(fā)光管會發(fā)出亮光，表明要換上新電池，備份電源可用3節(jié)5號干電池，也可以采用鋰電池或鎳電池。

3利用TL7705對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行保護

單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)在突然斷電時，往往使片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)遭到破壞，下面介紹一種利用TL7705構(gòu)成的電源監(jiān)控電路，使單片機系統(tǒng)在掉電時自動保護現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

3.1TL7705的工作原理

TL7705是電源監(jiān)控用集成電路，采用8腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3所示。圖3中，基準電壓發(fā)生器具有較高的穩(wěn)定性，可由1腳輸出2.5V基準電壓，為了吸收電源的同脈沖干擾，通常在1腳上接一個0.1μF的濾波電容來提高其抗干擾能力，被監(jiān)控的電源電壓由SENSE端7腳引入，經(jīng)過R1和R2分壓后送入比較器CMP1，與基準電壓進行比較，當其值小于基準電壓時，T1導(dǎo)通，定時電容CT通過T1放電，使CMP2比較器翻轉(zhuǎn)，T2和T3導(dǎo)通，輸出腳RESET為高電平，SESET反為低電平，當送入CMP1比較器的電壓高于基準電壓時，T1截止100μA恒流源給CT充電，當CT上的電壓高于2.5V時，CMP2比較器翻轉(zhuǎn)，T2和T3截止，RESET和RESET反輸出關(guān)斷。

3.2TL7705與80C51單片機的接法
在某些單片機應(yīng)用系統(tǒng)中需要在系統(tǒng)掉電時記憶當前現(xiàn)場狀態(tài)，以使電源恢復(fù)后能繼續(xù)從斷電處運行，圖4是以80C51單片機為例采用其空閑方式或掉電方式，在備用電池支持下實現(xiàn)掉電后的數(shù)據(jù)保護。

圖4中，R1、C1和74LSO4構(gòu)成單片機的上電自動復(fù)位和手動按鈕復(fù)位電路，備用電池P1及D1、D2實現(xiàn)掉電時備用電池的切換。電源正常時D1不導(dǎo)通，＋5V直接給單片機供電，并為電池P1充電，為了減小電池耗電，備用電池只給單片機供電，保護片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)，電源掉電后，其他外圍電路的工作電壓僅靠電源電容維持很短的時間，電位器RW用來調(diào)節(jié)檢測電壓，范圍為4.5－4.75V，當?shù)綦姇r，外圍電路的電壓下降到門限設(shè)定電壓時，可將片外RAM中需要保護的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)RAM中，并使單片機進入掉電工作方式以完成數(shù)據(jù)保護，為了保證單片機有足夠的處理時間，取檢測電壓為4.75V，當電源電壓降至4.75V時，TL7705由RESET反向單片機發(fā)出中斷請求信號（INTO反）。單片機運行到一個可斷斷點后，相應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中保護現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使單片機進入掉電工作狀態(tài)。

4采用軟件冗余措施保證數(shù)據(jù)的準確性

最常用的一種方法是采用軟件冗余措施，即將欲保護的數(shù)據(jù)寫入RAM中的不同區(qū)域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH這三個區(qū)域存儲同樣一組數(shù)據(jù)，當使用這些數(shù)據(jù)前，先對各組進行檢查，對于正確的數(shù)據(jù)方可應(yīng)用，同時將錯誤的數(shù)據(jù)進行修正，在上電與斷電過程中，總線不確寫性是隨機的，不可將所有數(shù)據(jù)完全沖失。采用硬件對數(shù)據(jù)進行斷電保護，同時在軟件上采用冗余的措施是最常用的數(shù)據(jù)保護方法，在斷電突然發(fā)生時可保證數(shù)據(jù)的準確無誤。



4采用軟件冗余措施保證數(shù)據(jù)的準確性

最常用的一種方法是采用軟件冗余措施，即將欲保護的數(shù)據(jù)寫入RAM中的不同區(qū)域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH這三個區(qū)域存儲同樣一組數(shù)據(jù)，當使用這些數(shù)據(jù)前，先對各組進行檢查，對于正確的數(shù)據(jù)方可應(yīng)用，同時將錯誤的數(shù)據(jù)進行修正，在上電與斷電過程中，總線不確寫性是隨機的，不可將所有數(shù)據(jù)完全沖失。采用硬件對數(shù)據(jù)進行斷電保護，同時在軟件上采用冗余的措施是最常用的數(shù)據(jù)保護方法，在斷電突然發(fā)生時可保證數(shù)據(jù)的準確無誤。