51單片機(jī)系統(tǒng)斷電時(shí)的數(shù)據(jù)保護(hù)方法

在測(cè)量、控制等領(lǐng)域的應(yīng)用中，常要求單片機(jī)內(nèi)部和外部RAM中的數(shù)據(jù)在電源掉電時(shí)不丟失，重新加電時(shí)，RAM中的數(shù)據(jù)能夠保存完好，這就要求對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)加接掉電保護(hù)電路。掉電保護(hù)通?？刹捎靡韵氯N方法：一是加接不間斷電源，讓整個(gè)系統(tǒng)在掉電時(shí)繼續(xù)工作，二是采用備份電源，掉電后保護(hù)系統(tǒng)中全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容；三是采用EEPROM來(lái)保存數(shù)據(jù)。由于第一種方法體積大、成本高，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不宜采用。第二種方法是根據(jù)實(shí)際需要，掉電時(shí)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(jì)實(shí)用，故大量采用[1]。EEPROM既具有ROM掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，又有RAM隨機(jī)讀寫(xiě)的特點(diǎn)。但由于其讀寫(xiě)速度與讀寫(xiě)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(hù)的處理方法，希望能對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中有所幫助。

1簡(jiǎn)單的RAM數(shù)據(jù)掉電保護(hù)電路

在具有掉電保護(hù)功能的單片機(jī)系統(tǒng)中，一般采用CMOS單片機(jī)和CMOSRAM。CMOS型RAM存儲(chǔ)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(shí)間一般在3－5個(gè)月[2]。然而，系統(tǒng)在上電及斷電過(guò)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(duì)于斷電保護(hù)數(shù)據(jù)用的RAM存儲(chǔ)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(dāng)電源突然斷電時(shí)，電壓下降有個(gè)過(guò)程，CPU在此過(guò)程中會(huì)失控，可能會(huì)誤發(fā)出寫(xiě)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(hù)的，還需要對(duì)片選信號(hào)加以控制，保證整個(gè)切換過(guò)程中CS引腳的信號(hào)一直保持接近VCC。通常，采用在RAM的CS和VCC引腳之間接一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)COMSRAM的電源切換，然而，如果在掉電時(shí)，譯碼器的輸出出現(xiàn)低電平，就可能出現(xiàn)問(wèn)題，圖1給出一種簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，它能夠避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生。

圖1中，4060開(kāi)關(guān)電路起到對(duì)CS控制的作用。當(dāng)電壓小于等于4.5V時(shí)就使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，CS線上拉至"1"，這樣，RAM中的數(shù)據(jù)就不會(huì)沖失；當(dāng)電壓大于4.5V時(shí)，4060開(kāi)關(guān)接通，使RAM能正常進(jìn)行讀寫(xiě)。

2可靠的RAM掉電保護(hù)電路

上述的電路雖然簡(jiǎn)單，但有時(shí)可能起不到RAM掉電保護(hù)的作用，原因是在電源掉電和重新加電的過(guò)程中，電源電壓躍變的干擾可能使RAM瞬間處于讀寫(xiě)狀態(tài)，使原來(lái)RAM中的數(shù)據(jù)遭到破壞，因此，在掉電剛剛開(kāi)始以及重新加電直到電源電壓保持穩(wěn)定下來(lái)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(gè)CE2引腳，在一般情況下需將此引腳拉高，當(dāng)把該引腳拉至小于或等于0.2V時(shí)，RAM就進(jìn)入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。

實(shí)用的靜態(tài)RAM掉電保護(hù)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(gè)基準(zhǔn)電壓Vr（Vr＝3.5V）。當(dāng)Vcc為5V時(shí)，在R4上得到的分壓大于Vr，U2輸出高電平，又因?yàn)閁4輸出也為高電平，故CE2輸出為高電位，單片機(jī)此時(shí)可對(duì)RAM進(jìn)行存取，當(dāng)電源掉電時(shí)，Vcc開(kāi)始下降，當(dāng)滿足如下條件時(shí)：

R4×Vcc/[（R4＋R3）/（R5＋R6）]≥Vr



U2輸出低電平，通過(guò)U5和U6使CE2輸出小于等于0.2V，RAM進(jìn)入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)（按圖2中元件參數(shù)代入上式，當(dāng)Vcc降到4.7V時(shí)，U2輸出為低電位）。若Vcc繼續(xù)下降使U3翻轉(zhuǎn)，再通過(guò)D4、U4和U6進(jìn)一步保證CE2為低電平。此外，當(dāng)Vcc下降到小于E時(shí)，D2截止，D1導(dǎo)通，這時(shí)E作為RAM的備份電源，當(dāng)單片機(jī)重新加電時(shí)，Vcc由0躍變到5V時(shí)，U2的輸出端會(huì)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(dāng)延時(shí)結(jié)束時(shí)，電源電壓已穩(wěn)定在5V，此后CE2升高，單片機(jī)便可對(duì)RAM進(jìn)行存取。圖2中U3和U6為一塊四施秘特與非門(mén)（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(shí)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(dāng)后備電池快用完時(shí)（小于3.5V），發(fā)光管會(huì)發(fā)出亮光，表明要換上新電池，備份電源可用3節(jié)5號(hào)干電池，也可以采用鋰電池或鎳電池。

3利用TL7705對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)

單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)在突然斷電時(shí)，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(jī)系統(tǒng)在掉電時(shí)自動(dòng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓，為了吸收電源的同脈沖干擾，通常在1腳上接一個(gè)0.1μF的濾波電容來(lái)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(guò)R1和R2分壓后送入比較器CMP1，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)其值小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，T1導(dǎo)通，定時(shí)電容CT通過(guò)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(dāng)送入CMP1比較器的電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，T1截止100μA恒流源給CT充電，當(dāng)CT上的電壓高于2.5V時(shí)，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(jī)的接法
在某些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中需要在系統(tǒng)掉電時(shí)記憶當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，以使電源恢復(fù)后能繼續(xù)從斷電處運(yùn)行，圖4是以80C51單片機(jī)為例采用其空閑方式或掉電方式，在備用電池支持下實(shí)現(xiàn)掉電后的數(shù)據(jù)保護(hù)。

圖4中，R1、C1和74LSO4構(gòu)成單片機(jī)的上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位電路，備用電池P1及D1、D2實(shí)現(xiàn)掉電時(shí)備用電池的切換。電源正常時(shí)D1不導(dǎo)通，＋5V直接給單片機(jī)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(jī)供電，保護(hù)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(shí)間，電位器RW用來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)電壓，范圍為4.5－4.75V，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，外圍電路的電壓下降到門(mén)限設(shè)定電壓時(shí)，可將片外RAM中需要保護(hù)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)RAM中，并使單片機(jī)進(jìn)入掉電工作方式以完成數(shù)據(jù)保護(hù)，為了保證單片機(jī)有足夠的處理時(shí)間，取檢測(cè)電壓為4.75V，當(dāng)電源電壓降至4.75V時(shí)，TL7705由RESET反向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)（INTO反）。單片機(jī)運(yùn)行到一個(gè)可斷斷點(diǎn)后，相應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，使單片機(jī)進(jìn)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(zhǔn)確性

最常用的一種方法是采用軟件冗余措施，即將欲保護(hù)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM中的不同區(qū)域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH這三個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)同樣一組數(shù)據(jù)，當(dāng)使用這些數(shù)據(jù)前，先對(duì)各組進(jìn)行檢查，對(duì)于正確的數(shù)據(jù)方可應(yīng)用，同時(shí)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，在上電與斷電過(guò)程中，總線不確寫(xiě)性是隨機(jī)的，不可將所有數(shù)據(jù)完全沖失。采用硬件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷電保護(hù)，同時(shí)在軟件上采用冗余的措施是最常用的數(shù)據(jù)保護(hù)方法，在斷電突然發(fā)生時(shí)可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤。



4采用軟件冗余措施保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

最常用的一種方法是采用軟件冗余措施，即將欲保護(hù)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM中的不同區(qū)域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH這三個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)同樣一組數(shù)據(jù)，當(dāng)使用這些數(shù)據(jù)前，先對(duì)各組進(jìn)行檢查，對(duì)于正確的數(shù)據(jù)方可應(yīng)用，同時(shí)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，在上電與斷電過(guò)程中，總線不確寫(xiě)性是隨機(jī)的，不可將所有數(shù)據(jù)完全沖失。采用硬件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷電保護(hù)，同時(shí)在軟件上采用冗余的措施是最常用的數(shù)據(jù)保護(hù)方法，在斷電突然發(fā)生時(shí)可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤。