MSP430單片機(jī)Flash存儲器的特性及應(yīng)用

　　以單片機(jī)為核心的儀表常要考慮發(fā)生突然掉電時(shí)的數(shù)據(jù)保存問題，一般有兩種對策：一是用后備電源維持單片機(jī)持續(xù)工作，稱為硬保護(hù)；另一種是在檢測到掉電后，在電源完全失效前保護(hù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，上電后再恢復(fù)工作，稱為軟保護(hù)。本文主要討論后者。

　　目前，設(shè)計(jì)掉電軟保護(hù)功能時(shí)，數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)常選用兩類：一類是E2PROM，但寫入時(shí)間較長，難以寫入較多數(shù)據(jù)；另一類是帶有后備電池的小容量SRAM構(gòu)成的非易失性存儲器，寫入速度快，但增加了電路的復(fù)雜性。掉電電壓的檢測電路可用分立元件構(gòu)成，也可用專用芯片來實(shí)現(xiàn)。前者增加了電路復(fù)雜性且降低了系統(tǒng)可靠性；后者增加了成本。

　　TI公司的Flash型單片機(jī)MSP430F11x1系列、MSP430F13x系列和MSP430F14x系列具有片內(nèi)的Flash存儲器?？梢杂糜趯?shí)現(xiàn)儀表的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)，同時(shí)可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。

　　本文采用TI公司的Flash型16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1121，利用其片內(nèi)的Flash存儲器和模擬比較器，只需外接1組分壓電阻進(jìn)行分壓取樣，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的掉電軟保護(hù)。

一、 MSP430F11x1、MSP430F13x 和MSP430F14x簡介

　　MSP430F11x1為20引腳，采用SOWB封裝，如圖1所示。它有14位具有中斷功能的I/O端口；有1個(gè)16位的WatchDog，可用作系統(tǒng)故障復(fù)位或定時(shí)器；有1個(gè)帶有3組捕捉/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A。有1個(gè)模擬電壓比較器Compare_A；它的定時(shí)器和比較器功能豐富，可以實(shí)現(xiàn)多種用途。例如，外接電阻和電容后可以構(gòu)成1個(gè)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　MSP430F13x和MSP430F14x同為64引腳，采用PQFP封裝，芯片為1cm2的正方形，如圖2所示。它有48位I/O端口；有1個(gè)16位的WatchDog；有2個(gè)帶有多組捕捉/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A、Timer_B；有1個(gè)模擬比較器Compare_A；有1~2個(gè)串行接口；有1個(gè)12位的多通道A/D轉(zhuǎn)換器。F14x還具有1個(gè)硬件乘法器，可實(shí)現(xiàn)16位乘16位的操作。

二、 Flash存儲器特性

　　Flash型單片機(jī)的工作電壓為1.8~3.6V。可外接32kHz~8MHz晶振，并由內(nèi)部DCO振蕩器實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘。有5種低功耗模式，在2.2V、32kHz晶振、1MHz主頻、活動模式時(shí)工作電流為160μA;當(dāng)僅保持RAM數(shù)據(jù)時(shí)為0.1μA。它的Flash存儲器使用尤為方便。

　　F1121片內(nèi)除256B RAM外，還有4KB+256B的Falsh存儲器。Flash存儲器為分段結(jié)構(gòu)，分為主存儲器（main memory）和信息存儲器（information memory）,如圖3所示。F13x和F14x的片內(nèi)存儲容量更大，RAM在256B到2KB之間，F(xiàn)lash儲存器在8KB到60KB之間，也包含主存儲器和信息存儲器，分段方法及控制方法與F1121相同。

　　Flash存儲器主要用作程序存儲器，可經(jīng)JTAG接口下載程序。程序運(yùn)行時(shí)能對其中的1段或多段進(jìn)行擦/寫操作，因此兼有數(shù)據(jù)存儲器功能。Flash存儲器的擦/寫次數(shù)為105次，數(shù)據(jù)在室溫下可保存100年。

　　以下針對具體的應(yīng)用，詳細(xì)介紹F1121的Flash存儲器用法。

1 F1121 Flash存儲器結(jié)構(gòu)

　　Flash存儲器按段分布：主存儲器每段為512個(gè)字節(jié)，共8段(0~7段)；信息存儲器每段為128個(gè)字節(jié)，共2段(A，B段)。最小擦除單位為1段。主存儲器和信息存儲器的特性除分段大小外基本相同。

2 Flash存儲器控制寄存器

　　有3個(gè)16位控制寄存器：FCTL1，F(xiàn)CTL2，F(xiàn)CTL3。為了防止誤操作，寫入時(shí)高字節(jié)必須為0A5H，但讀出時(shí)為096H。

（1） Flash控制寄存器1（FCTL1）

　　定義對Flash存儲器的擦/寫操作。

　　Erase 和MEras 位控制擦除操作，置位后，往定義的區(qū)域范圍內(nèi)任一地址進(jìn)行寫操作（寫入任意數(shù)）后該段即被擦除。前者每次只擦除一段，后者擦除所有段。

　　WRT和SEG WRT位控制寫操作：前者每次寫1個(gè)字節(jié)，后者可在段內(nèi)連續(xù)寫入。

（2） Flash控制寄存器2（FCTL2）

　　定義Flash時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘源和頻率，一般可取上電復(fù)位時(shí)的缺省值。

（3） Flash控制寄存器3（FCTL3）

　　指示對Flash存儲器操作過程中的出錯狀態(tài)。

　　其中，較重要的是BUSY位，置位表示不能對Flash存儲器操作；否則會出錯。在每次進(jìn)行擦/寫操作前都要測試該位。

3 Flash存儲器擦除、讀和寫操作

　　進(jìn)行擦/寫操作的編程電壓(VPP）由片內(nèi)產(chǎn)生；擦/寫時(shí)鐘由Flash時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生。在擦/寫時(shí)不能有中斷產(chǎn)生，也不能執(zhí)行位于將被擦/寫區(qū)域的程序。如果想要保留原數(shù)據(jù)，應(yīng)在擦除前先把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入RAM中，擦除后再寫回。

　　擦除時(shí)，先在FCTL2中設(shè)定時(shí)鐘；如果沒有特殊要求，可用上電時(shí)的缺省值。然后測FCTL3的BUSY位。等到BUSY復(fù)位，在FCTL1中設(shè)定Erase（1段擦除）或MEras位（多段擦除），再往目標(biāo)地址范圍內(nèi)任一地址寫入任意數(shù)據(jù)后，即完成對這一段的擦除。

　　寫入操作類似于擦除操作，只是往目標(biāo)地址中寫入的是實(shí)際值。

　　對Flash存儲器的讀操作與RAM和ROM完全一樣。

三、 掉電保護(hù)應(yīng)用實(shí)例

1． 硬件設(shè)計(jì)

　　掉電保護(hù)功能是針對一個(gè)工業(yè)時(shí)間繼電器設(shè)計(jì)的，有關(guān)部分的電路如圖4所示。電源電壓為5V，穩(wěn)壓電壓為3.3V加至F1121的VCC。比較器A的反向輸入端(P2.4)取自分壓電阻（圖中分壓值為20V）；同向輸入端為參考電壓，設(shè)為內(nèi)部電壓（由軟件設(shè)定，這里為VCC/2，即1.65V)。正常工作時(shí)比較器A輸出為低，由圖中參數(shù)可算出。當(dāng)電源電壓降為4.125V時(shí)，VCC仍穩(wěn)定在3.3V；但比較器A輸出將翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生中斷。

　　Flash存儲器寫入時(shí)電壓必須保持在2.7~3.6V，因此2.7V是處理的下限。1段（512個(gè)字節(jié)）的寫入時(shí)間為3ms。據(jù)此，可選擇合適的電容，由RC放電電路可得：

式中，V0= 3.3V，V(t)=2.7V，t=3ms，R=5MΩ，則：

　　經(jīng)實(shí)際測試，在取C=1μF時(shí)即能正常工作。為可靠起見，可取C=10μF。如果寫入的數(shù)據(jù)較多，需要更長的處理時(shí)間，可以加大電容容量，并在供電回路中串接二極管，以限制反向放電。

　　從正常工作狀態(tài)到臨界狀態(tài)，電壓有0.875V（5.0V-4.125V）的緩沖，因此，電源電壓的變動將不會引起誤操作。

2．軟件設(shè)計(jì)

　　程序分為上電復(fù)位初始化程序和掉電中斷處理程序，如圖5及圖6所示。

　　程序初始化時(shí)，必須先讀取掉電保護(hù)標(biāo)志來決定程序流向，然后把掉電標(biāo)志復(fù)位。在中斷處理程序中，對Flash存儲器寫入數(shù)據(jù)前都應(yīng)先擦除標(biāo)志所在區(qū)域；但為節(jié)省中斷處理時(shí)間，可在初始化時(shí)預(yù)先進(jìn)行擦除操作，以備下一次的掉電處理寫入。

　　掉電處理程序中必須完成兩件事：掉電保護(hù)標(biāo)志置位（也應(yīng)寫在Flash存儲器中）；將待保護(hù)數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器中。一般可把數(shù)據(jù)存入信息存儲器中，如果數(shù)據(jù)量大，可寫入沒有被程序占用的主存儲器中。寫入時(shí)要關(guān)閉所有中斷，同時(shí)對原系統(tǒng)當(dāng)前執(zhí)行的程序作相應(yīng)的現(xiàn)場保護(hù)處理。

　　應(yīng)用掉電保護(hù)功能的工業(yè)時(shí)間繼電器，需保存16字節(jié)預(yù)置參數(shù)和16字節(jié)掉電瞬間運(yùn)行狀態(tài)參量以及1字節(jié)的掉電保護(hù)標(biāo)志，即總的保存數(shù)據(jù)為33字節(jié)。其中，16字節(jié)的預(yù)置參數(shù)在運(yùn)行過程中設(shè)定，同時(shí)已寫入B段中。因此，中斷處理程序只須將17字節(jié)的狀態(tài)參量寫入A段中。經(jīng)多次實(shí)際斷電試驗(yàn)，工業(yè)時(shí)間繼電器均能在重新上電時(shí)正確恢復(fù)斷電時(shí)的保護(hù)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1 胡大可MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000