单片机系统中法拉电容的数据保护研究

2010-02-09 16:58:41来源: 单片机与嵌入式系统应用

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。

    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。

关键字:法拉电容  RAM  数据保护

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0209/article_2055.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
法拉电容
RAM
数据保护

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved