單片機應用系統(tǒng)斷電時的數據保護方法

在測量、控制等領域的應用中，常要求單片機內部和外部ram中的數據在電源掉電時不丟失，重新加電時，ram中的數據能夠保存完好，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)中全部或部分數據存儲單元的內容；三是采用eeprom來保存數據。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。第二種方法是根據實際需要，掉電時保存一些必要的數據，使系統(tǒng)在電源恢復后，能夠繼續(xù)執(zhí)行程序，因而經濟實用，故大量采用[1]。eeprom既具有rom掉電不丟失數據的特點，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，希望能對相關設計人員在實際工作中有所幫助。

1 簡單的ram數據掉電保護電路

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cmos ram。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，以保存有用數據，采用這種方法保存數據，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)的不確定性往往導致ram內某些數據的變化，即數據受到沖失。因此對于斷電保護數據用的ram存儲器，除了配置供電切換電路外，還要采取數據防沖失措施，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中的數據，僅有電池是不能有效完成數據保護的，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coms ram的電源切換，然而，如果在掉電時，譯碼器的輸出出現低電平，就可能出現問題，圖1給出一種簡單的電路設計，它能夠避免上述問題的產生。

圖1中，4060開關電路起到對cs控制的作用。當電壓小于等于4.5v時就使開關斷開，cs線上拉至"1"，這樣，ram中的數據就不會沖失；當電壓大于4.5v時，4060開關接通，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中的數據遭到破壞，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應處于數據保持狀態(tài)，6264 ram、5101 ram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就進入數據保持狀態(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進入數據保持狀態(tài)（按圖2中元件參數代入上式，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，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對現場數據進行保護

單片機構成的應用系統(tǒng)在突然斷電時，往往使片內ram數據遭到破壞，下面介紹一種利用tl7705構成的電源監(jiān)控電路，使單片機系統(tǒng)在掉電時自動保護現場數據。

3.1 tl7705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，其內部結構圖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導通，定時電容ct通過t1放電，使cmp2比較器翻轉，t2和t3導通，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，t2和t3截止，reset和reset反輸出關斷。

3.2 tl7705與80c51單片機的接法

在某些單片機應用系統(tǒng)中需要在系統(tǒng)掉電時記憶當前現場狀態(tài)，以使電源恢復后能繼續(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掉電后的數據保護。

圖4中，r1、c1和74lso4構成單片機的上電自動復位和手動按鈕復位電路，備用電池p1及d1、d2實現掉電時備用電池的切換。電源正常時d1不導通，＋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ram中的數據，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用來調節(jié)檢測電壓，范圍為4.5－4.75v，當掉電時，外圍電路的電壓下降到門限設定電壓時，可將片外ram中需要保護的數據寫入片內ram中，并使單片機進入掉電工作方式以完成數據保護，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，相應中斷，在中斷服務程序中保護現場數據，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據的準確性。

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