51单片机系统断电时的数据保护方法

     在测量、控制等领域的应用中，常要求单片机内部和外部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，这就要求对单片机系统加接掉电保护电路。掉电保护通常可采用以下三种方法：一是加接不间断电源，让整个系统在掉电时继续工作，二是采用备份电源，掉电后保护系统中全部或部分数据存储单元的内容；三是采用EEPROM来保存数据。由于第一种方法体积大、成本高，对单片机系统来说，不宜采用。第二种方法是根据实际需要，掉电时保存一些必要的数据，使系统在电源恢复后，能够继续执行程序，因而经济实用，故大量采用[1]。EEPROM既具有ROM掉电不丢失数据的特点，又有RAM随机读写的特点。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。下面将介绍最常用的一些掉电保护的处理方法，希望能对相关设计人员在实际工作中有所帮助。  

1 简单的RAM数据掉电保护电路 

       在具有掉电保护功能的单片机系统中，一般采用CMOS单片机和CMOS RAM。CMOS型RAM存储器静态电源小，在正常工作状态下一般由电源向片外RAM供电，而在断电状态下由小型蓄电池向片外RAM供电，以保存有用数据，采用这种方法保存数据，时间一般在3－5个月[2]。然而，系统在上电及断电过程中，总线状态的不确定性往往导致RAM内某些数据的变化，即数据受到冲失。因此对于断电保护数据用的RAM存储器，除了配置供电切换电路外，还要采取数据防冲失措施，当电源突然断电时，电压下降有个过程，CPU在此过程中会失控，可能会误发出写信而冲失RAM中的数据，仅有电池是不能有效完成数据保护的，还需要对片选信号加以控制，保证整个切换过程中CS引脚的信号一直保持接近VCC。通常，采用在RAM的CS和VCC引脚之间接一个电阻来实现COMS RAM的电源切换，然而，如果在掉电时，译码器的输出出现低电平，就可能出现问题，图1给出一种简单的电路设计，它能够避免上述问题的产生。  

       图1中，4060开关电路起到对CS控制的作用。当电压小于等于4.5V时就使开关断开，CS线上拉至"1"，这样，RAM中的数据就不会冲失；当电压大于4.5V时，4060开关接通，使RAM能正常进行读写。

  
2 可靠的RAM掉电保护电路 

       上述的电路虽然简单，但有时可能起不到RAM掉电保护的作用，原因是在电源掉电和重新加电的过程中，电源电压跃变的干扰可能使RAM瞬间处于读写状态，使原来RAM中的数据遭到破坏，因此，在掉电刚刚开始以及重新加电直到电源电压保持稳定下来之前，RAM应处于数据保持状态，6264 RAM、5101 RAM等RAM芯片上都有一个CE2引脚，在一般情况下需将此引脚拉高，当把该引脚拉至小于或等于0.2V时，RAM就进入数据保持状态。 

       实用的静态RAM掉电保护电路如图2所示，图2中U1、U2为电压比较器，稳压管D3提供一个基准电压Vr（Vr＝3.5V）。当Vcc为5V时，在R4上得到的分压大于Vr，U2输出高电平，又因为U4输出也为高电平，故CE2输出为高电位，单片机此时可对RAM进行存取，当电源掉电时，Vcc开始下降，当满足如下条件时： 

       R4×Vcc/[（R4＋R3）/（R5＋R6）]≥Vr 


  
        U2输出低电平，通过U5和U6使CE2输出小于等于0.2V，RAM进入数据保持状态（按图2中元件参数代入上式，当Vcc降到4.7V时，U2输出为低电位）。若Vcc继续下降使U3翻转，再通过D4、U4和U6进一步保证CE2为低电平。此外，当Vcc下降到小于E时，D2截止，D1导通，这时E作为RAM的备份电源，当单片机重新加电时，Vcc由0跃变到5V时，U2的输出端会出现瞬间的干扰脉冲，由于U3和U4间电路的积分延迟（约0.7RC），CE2并不立即升到高电平，因而阻止了U2的干扰脉冲，当延时结束时，电源电压已稳定在5V，此后CE2升高，单片机便可对RAM进行存取。图2中U3和U6为一块四施秘特与非门（CD4093），该电路直接由E供电，这样才能保证掉电后使CE2≤0.2V，并在重新加电时CE2不受电源电压跃变的干扰，比较器U1和U2为电源供电，Vcc为后备电源U1的电压监视电路，当后备电池快用完时（小于3.5V），发光管会发出亮光，表明要换上新电池，备份电源可用3节5号干电池，也可以采用锂电池或镍电池。 

3 利用TL7705对现场数据进行保护 

       单片机构成的应用系统在突然断电时，往往使片内RAM数据遭到破坏，下面介绍一种利用TL7705构成的电源监控电路，使单片机系统在掉电时自动保护现场数据。  

3.1 TL7705的工作原理 

       TL7705是电源监控用集成电路，采用8脚双列直插式封装，其内部结构图3所示。图3中，基准电压发生器具有较高的稳定性，可由1脚输出2.5V基准电压，为了吸收电源的同脉冲干扰，通常在1脚上接一个0.1μF的滤波电容来提高其抗干扰能力，被监控的电源电压由SENSE端7脚引入，经过R1和R2分压后送入比较器CMP1，与基准电压进行比较，当其值小于基准电压时，T1导通，定时电容CT通过T1放电，使CMP2比较器翻转，T2和T3导通，输出脚RESET为高电平，SESET反为低电平，当送入CMP1比较器的电压高于基准电压时，T1截止100μA恒流源给CT充电，当CT上的电压高于2.5V时，CMP2比较器翻转，T2和T3截止，RESET和RESET反输出关断。  
      
3.2 TL7705与80C51单片机的接法
       在某些单片机应用系统中需要在系统掉电时记忆当前现场状态，以使电源恢复后能继续从断电处运行，图4是以80C51单片机为例采用其空闲方式或掉电方式，在备用电池支持下实现掉电后的数据保护。

 
  
       图4中，R1、C1和74LSO4构成单片机的上电自动复位和手动按钮复位电路，备用电池P1及D1、D2实现掉电时备用电池的切换。电源正常时D1不导通，＋5V直接给单片机供电，并为电池P1充电，为了减小电池耗电，备用电池只给单片机供电，保护片内RAM中的数据，电源掉电后，其他外围电路的工作电压仅靠电源电容维持很短的时间，电位器RW用来调节检测电压，范围为4.5－4.75V，当掉电时，外围电路的电压下降到门限设定电压时，可将片外RAM中需要保护的数据写入片内RAM中，并使单片机进入掉电工作方式以完成数据保护，为了保证单片机有足够的处理时间，取检测电压为4.75V，当电源电压降至4.75V时，TL7705由RESET反向单片机发出中断请求信号（INTO反）。单片机运行到一个可断断点后，相应中断，在中断服务程序中保护现场数据，使单片机进入掉电工作状态。
       
4 采用软件冗余措施保证数据的准确性

       最常用的一种方法是采用软件冗余措施，即将欲保护的数据写入RAM中的不同区域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH这三个区域存储同样一组数据，当使用这些数据前，先对各组进行检查，对于正确的数据方可应用，同时将错误的数据进行修正，在上电与断电过程中，总线不确写性是随机的，不可将所有数据完全冲失。采用硬件对数据进行断电保护，同时在软件上采用冗余的措施是最常用的数据保护方法，在断电突然发生时可保证数据的准确无误。  


       
4 采用软件冗余措施保证数据的准确性

       最常用的一种方法是采用软件冗余措施，即将欲保护的数据写入RAM中的不同区域，如0000H－00FFH、0100H－01FFH和0200H－02FFH这三个区域存储同样一组数据，当使用这些数据前，先对各组进行检查，对于正确的数据方可应用，同时将错误的数据进行修正，在上电与断电过程中，总线不确写性是随机的，不可将所有数据完全冲失。采用硬件对数据进行断电保护，同时在软件上采用冗余的措施是最常用的数据保护方法，在断电突然发生时可保证数据的准确无误。