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O．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。

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    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。

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    (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。