单片机系统中法拉电容的数据保护研究

单片机系统中法拉电容的数据保护研究单片机系统中法拉电容的数据保护研究引言在测量、控制等领域的嵌入式系统应用中，常要求系统内部和外部数据存储器(RAM)中的数据在电源掉电时不丢失，重新加电时 RAM 中的数据能够保存完好，以保证系统稳定、可靠地工作和数据信息处理的安全。这就要求对系统加接掉电保护措施。掉电保护可采用以下三种方法：一是加接不问断电源。由于这种方法体积大、成本高，对单片机系统来说，不宜采用。二是采用 EEPROM 来保存数据。但由于其读写速度与读写次数的限制，使得 EEPROM 不能完全代 ...

单片机系统中法拉电容的数据保护研究引言在测量、控制等领域的嵌入式系统应用中，常要求系统内部和外部数据存储器(RAM)中的数据在电源掉电时不丢失，重新加电时 RAM 中的数据能够保存完好，以保证系统稳定、可靠地工作和数据信息处理的安全。这就要求对系统加接掉电保护措施。掉电保护可采用以下三种方法：一是加接不问断电源。由于这种方法体积大、成本高，对单片机系统来说，不宜采用。二是采用 EEPROM 来保存数据。但由于其读写速度与读写次数的限制，使得 EEPROM 不能完全代替 RAM。三是采用备份电池，掉电后保护系统中全部或部分数据存储单元的内容。显然，上述第三种方法是比较可行的。实际应用中，往往采用内置锂电池的非易失性静态随机存取存储器(nonvolatile SRAM)。例如 Dallas 半导体公司的 DS1225，由于采用锂电池作为存储器备份电源，数据可以完好保存 10 年以上。但这种方案的缺点是成本高，且锂电池会造成环境污染。法拉电容也叫超级电容器，双电层电容，其体积小、容量大、电压记忆特性好、可靠性高。与充电电池相比，具有充电时间短、功率密度高、使用寿命长、低温特性好及无环境污染等优势。在数据保护电路中采用法拉电容取代电池作后备电源，在提高系统可靠性、延长寿命、降低设备成本和维护成本等方面，有十分重要的意义。本文将通过一个设计案例，具体介绍法拉电容在单片机系统的 RAM 数据保护中的应用，为嵌入式系统中 RAM 数据保护提供一种可行的参考方法。某一采用 UT6264C-70LL 作为 RAM 的单片机系统，在系统掉电后，要求 RAM 的数据后备时间达到 5 天。 1 硬件设计采用法拉电容作为 RAM 后备电源，法拉电容后备时间的典型计算公式为：式中：C(F)为法拉电容的标称容量，Umin(V)为电路中的正常工作电压，Umin(V)为电路能工作的最低电压，t(s)为电路中后备时间，I(A)为电路的负载电流。 UT6264CSC-70LL 的典型数据保持电流为 1 μA，工作电压为 5 V，数据保持所需电压最低为 2 V。取 0.1 F 的法拉电容，计算得到 RAM 的数据后备时间为 3．35 天。而实际上，当 RAM 的电源电压降低时，其数据保持电流将减小，因而后备时间可以延长。另外，电源出现波动时，RAM 的片选引脚、写使能引脚及数据线端口也容易引入干扰或不正常的控制时序，从而破坏 RAM 中的数据。因此，需要通过电路设计，确保电源不正常时读写控制端口时序可控，从而增强 RAM 数据的安全。电路原理图如图 1 所示。图 1 电路原理图当电源正常时，5 V 电源 VCC 通过快速整流二极管 D1 给 RAM(U2：UT6264)供电，并通过 R1 给法拉电容(C1：FMOH104Z)充电。掉电时，D1 截止，法拉电容 C1 作为备份电源，通过 R1 为 U2 供电，保证 RAM 中数据不消失。在掉电过程中或电源出现波动时，为了增强 RAM 数据的安全性，采用了专用电源监控芯片(U3： IMP706)，提供系统的监控功能。上电、掉电和电网电压过低时会输出复位信号，同时还能跟踪 1．6 s 的定时信号，为软件运行提供看门狗定时器(watchdog timer)防护。当电源电压掉至约 4．74 V 时，U3 向 CPU(U1：AT89S52)输出掉电信号(PW_DN)，CPU 进行掉电应急处理和保护现场，不向 RAM 芯片进行任何读写操作。当电源电压进一步掉至 4．4 V 时，U3 产生复位信号，CPU 被复位，同时 RAM 芯片 U2 的片选引脚 CE2 也被置为低电平，确保 U2 不被读写操作。 2 软件设计本案例电路的地址定义是：RAM 地址范围(8 KB)为 0000H～1FFFH；看门狗定时器控制地址为 E000H。软件包括主控制程序、掉电中断处理程序、定时中断处理程序等。 (1) 主控制程序上电进行必要的 CPU 初始化后，检查正常掉电标志和 RAM Check Sum 计算检查，以确认 RAM 中数据是否正常。如果正常，就进行掉电前的现场恢复。其主程序流程框图如图 2 所示。 (2) 掉电中断处理程序 CPU 收到掉电信号(PW_DN)中断时，CPU 进行掉电应急处理和保护现场，设置正常掉电标志，保存 RAMCheck Sum 计算结果，以备上电时检查 RAM 数据是否被破坏。其流程框图如图 3 所示。 (3)定时中断处理程序看门狗定时器电路需要在每 1．6 s 内清零，在定时中断处理程序中调用看门狗清零子程序。定时中断时间要设在 1．6 s 以内，例如 100ms。定时中断处理流程框图如图 4 所示。结语在本应用实例中，经测试，掉电后 RAM 数据后备时间是 10～14 天，且数据可靠，系统运行稳定。显然，选择更大容值的法拉电容将有更长的后备时间。在控制系统的产品设计中，为提高产品的可靠性、降低成本、增强产品在市场上的竞争力，本文提供的方案具有参考价值。

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