单片机数据保存用法拉电容从容实现单片机掉电数据保存|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

用法拉电容从容实现单片机掉电数据保存

公式

Q = I*t;

Q = C*U;

今天,因为MCU内部一般都带FLASH ROM和伴随着法拉级电容的出现,事实上已经宣布背掉电电池或者用达拉斯DS存储器实现掉电数据保存的传统的思维和电路已经成为历史!

以下的电路,是一个可靠的简单的掉电检测、法拉电容能量储存等完整硬件电路和相应的软件细节,是笔者在产品上一个成熟的可靠的自诩经典电路和心血,在这里完全公开地提供给二姨爱社(21IC)下的全体表兄表弟表姐表妹们以供大家一起来批判赏析借鉴和改进.

首先提请老表们别一看电路繁琐就不想继续看下去，事实是：大电容储存实现掉电保护并非人们想象的那么容易做.

我们往往突然萌发一个跳跃灵感闪烁一丝思想火花,但最终都没幻化为现实结果而最终不了了之,在我们遗憾叹息之于我们是否思考过常常并不是我们思维"太过创新"需求和愿望大大超越了现实(我们能超越我国的现实的器件工业和材料工业水平吗)最后我们总不得不以理论不完全等同于实践来为自己无奈和熄灭的灵感作排解!其真正原因我们作过真正思考吗?!

事实上一个理论成立,现实上完全具备可实现性的一个电路单元,到最后我们并未达到预想效果,甚至以失败了告终,原因何在??----细节..细节..还是细节...永远的细节!!!!细节为王!!!!!

所以敬请大家耐心地静静地留意这里的每个电路技巧和对细节,事实上你会发现这里每个细节都充满着技巧智慧体贴人性和柔情.每处都让我们感悟了一种做事就是做人和精益求精的思想和行动境界，即使你是表弟表兄级男性电子工程师对你的设计和实现都应具备女性的细腻周到和柔情.

电路见下:这里首先用6V供电(如7806),为什么用6V不用5V是显而易见的.这里的二极管们一般都起两个作用,一是利用单向导电性保证向储能电容0.47F/5.5V单向冲电;二是起钳位作用,钳去0.6V,保证使大多数51系列的单片机都能在4.5V--5.5V之间的标称工作电压下工作.而4.5-5.5间这1V电压在0.47F电容的电荷流失时间就是我们将来在掉电报警后我们可以规划的预警回旋时间.

两只47欧电阻也有两个作用:

1:和47UF和0.01UF电容一起用于加强电源滤波.

2.对单片机供电限流

一般电子工程师都喜欢把单片机电源直接接7805上,这是个非常不好的习惯,为什么?7805可提供高达2A的供电电流,异常时足够把单片机芯片内部烧毁.有这个电阻47欧姆电阻挡即使把芯片插反或者电源极性颠倒也不会烧单片机和三端稳压器,但这限流电阻也不能太大,上限不要超过220欧为益,否则对单片机内部编程时,计算机会告警提示"编程失败"(其实是电源不足).

3.对0.47F/5.5V储能电容,串入的47欧电阻还消除了"巨量法拉电容"的上电浪涌.实现冲电电流削峰。

大家算一算要充满0.47F电容到5.5V,即使用5.5A恒流对0.47F电容冲电,也需要0.47秒才能冲到5.5V,既然知道了这个问题,大家就清楚:

I*t = UC 5.5*t=(5.5)*0.47 t=0.47S

1.如果没有47欧姆电阻限流,上电瞬间三端稳压器必然因强大过电流而进入自保.

2.长达0.47秒(如果真有5.5A恒流充电的话)缓慢上电,如此缓慢的上电速率,将使得以微分(RC电路)为复位电路的51单片机因为上电太慢无法实现上电复位.(其实要充满0.47UF电容常常需要几分钟).

3.正因为上电时间太慢,将无法和今天大多数主流型以在线写入(ISP)类单片机写片上位计算机软件上预留的等待应答时间严重不匹配(一般都不大于500MS),从而造成应答失步,故写片时总是提示"通信失败".

知道这个道理我们就不难理解这个电路最上面的二极管和电阻串联起来就是必须要加上的“上电加速电路”.这里还用了一只(内部空心不带蓝色的)肖特基二极管(1N5819)来从法拉电容向单片机VCC的单向放电,和同时阻断法拉电容对上电加速电路的旁路作用;用肖特基二极管是基于其在小电流下，导通压降只有0.2V左右考虑的,目的是尽量减少法拉电容在掉电时的电压损失.力争获得最留掉点维持时间.

三极管9014和钳位二极管分压电阻垫位电阻(即470欧姆)等一道构成基极发射极双端输入比较器,实现掉电检测和发出最高优先级的掉电中断,这部分电路相当于半只比较器LM393,但电路更简单耗电更省(掉电时耗电小于0.15MA).

47K电阻和470欧姆二极管1N4148一道构成嵌位电路,保证基极电位大约在0.65V左右 (可这样来非常近似地计算0.6(二极管导通电压)+5*0.47/47),这样如果9014发射极电压为0(此时就是外部掉电),三极管9014正好导通,而且因为51单片机P3.2高电平为弱上拉(大约50UA),此时9014一定是导通且在弱电流下是饱和导通的,这样就向单片机内部发出一次最高硬件优先级的INX0掉电中断.

而在平时正常供电时,因发射极上也有大约6*0.22/2.2=0.6V垫位电压在上顶,容易理解三极管9014在此刻一定处于截止状态,而使P3.2维持高电平.

下面还有两个重要软硬件要点和建议提请注意:

1.硬件要点:凡是单片机外部以输出高电平驱动的口线,其电流都不能到单片机的供电电压VCC上去争抢(例如上拉电阻供电不取自单片机VCC而应直接接在电源前方),图中4.7K电阻和口线PX.Y就是一个典型示例,接其它口线PX.Y'和负载也雷同.这里与上拉4.7K电阻相串联二极管也有两个作用:

1.钳去0.6V电压以便与单片机工作电压相匹配,从而防止口线向单片机内部反推电.带来单片机口线功能紊乱.

2.利用二极管单向供电特性,防止掉电后单片机通过口线向电源和外部设备反供电造成电荷泄露.

上面的硬件设计,还要与软件结合起来(见下面叙述)才能保证在掉电期间,不会因法拉电容上的积累电荷向已经掉电的外部电路无谓供电和向电源内部反向供电造成法拉电容上能量泄放从而缩短掉电维持时间.

2.软件要点:首先INX0在硬件上(硬件设计已经保证)是处于最高优先级的,这里还必须要在软件上再次保证INX0是最高优级别的中断.从而确保掉电时外部中断0能打断其他任何进程,最高地优先地被检测和执行到.其次在INX0的中断程序入口,还要用:

MOV P1,#00H

MOV P2,#00H

MOV P3,#00H

MOV P0,#00H

SJMP 掉电保存

来阻断法拉电容的电荷通过单片机口线外泄和随后立即跳转到掉电写入子程序模块.(见硬件要点)

有了上面的预备和细节处理,下面我们完全有理由信心百倍地一道来计算0.47UF的电容从5.5V跌落到4.5V(甚至可以下到3.6V)所能维持的单片机掉电工作时间.

这里设单片机工作电流为20MA(外设驱动电流已经被屏蔽)不难算出:

I*T= UC

T=UC/I=(5.5-4.5)*0.47/0.02= 23.5S

T=1V*0.47*1000(1000是因为工作电流为豪安)/20=23.5秒!!!!!

天!这个时间对单片机而言简直相当于从原始社会到共产主义社会的历史慢长.休说是从容写入内部FLASH ROM掉电保护数据,就是把芯片从新写入新程序都可以写5次!!!!!!!!!!

51单片机是如何存储程序和数据的

在学校很少用到外扩ROM/RAM的情况，都是用C语言编程，不差空间，代码太大了，买个大ROM的芯片就行了。现在工作了，单位是做SoC的，采用了51的IP核，才算对51的代码/数据空间有了清晰的认识。

MCS-51使用哈弗结构，它的程序空间和数据空间是分开编址的，即各自有各自的地址空间，互不重叠。所以即使地址一样，但因为分开编址，所以依然要说哪一个空间内的某地址。而ARM(甚至是x86)这种冯诺依曼结构的MCU/CPU，它的地址空间是统一并且连续的，代码存储器/RAM/CPU寄存器，甚至PC机的显存，都是统一编址的，只是不同功能的存储器占据不同的地址块，各自为政。

好，说回MCS-51。

对于程序存储器，有片内和片外两部分。而且无论片内程序存储器，还是片外程序存储器，他们的地址是共享的。如果片内4k ROM的话，地址就是0x0000-0x0FFF，从0x1000-0xFFFF就是外部ROM的地址空间。可外部ROM的0x0000-0x0FFF的这一部分是否使用呢，这取决于单片机EA引脚的电平值。EA=1时就是使用内部ROM的这一部分，外部ROM的这一部分浪费不用;EA=0时就是使用外部ROM的这一部分，内部ROM浪费不用。从CODE段读取数据要使用汇编的MOVC指令，单片机会根据MOVC指令、EA状态、要读取的地址值，来自动地判断从什么存储器里取数据。

对于数据存储器，则分为内部数据存储器(IDATA/RAM)和外部数据存储器(XDATA)两个部分，但这两个存储器就不像code存储器那样共享地址空间的了。一般的8051芯片，内部RAM只有128B，从0x00-0x7F，而从0x80-0xFF则是SFR(CPU工作寄存器和各种外设寄存器都在此)的区域。对于8052来说，内部RAM有256B，所以0x80-0xFF是高128B的RAM在使用。可这部分不是SFR专用的吗?是SFR专用，但注意，SFR的访问只能使用“直接寻址方式”(使用特定的汇编指令来实现)，区别就在这里。只有通过直接寻址访问的地址才是SFR，否则就是普通的RAM。至于外扩的RAM(XDATA)，地址也是从0x0000-0xFFFF的，而且这里的0x0000和内部RAM的0x00是不同的，是完全独立的两个空间。他们的访问方法也是不同的。MCS-51使用MOVX指令，来读写XDATA区。而且，访问XDATA区，是需要DPTR寄存器来辅助的。因为只有DPTR才能装得下十六位的XDATA地址。

所以说，MCS-51读写IDATA区的速度是最快的，而且访问方法也是最多的。访问XDATA区的速度相对就要慢很多。MCS-51的堆栈要优先开辟在IDATA区中，并且在IDATA区中开辟的堆栈，可以使用栈指针寄存器SP来控制。如果栈实在太大，只能开辟在XDATA区中，那么CPU的SP寄存器就很难借力，只能由我们自己来构造堆栈结构和堆栈指针。既然外部程序空间和数据空间都是0-64K(0x0000-0xFFFF)，那么我实际上可以为了省事/方便改写程序等原因，外部的CODE和DATA就可以共用一个可擦写存储器了(比如各种RAM什么可擦可写的)。比如系统有64K的外扩MEMORY，低32K我用作保存CODE，并让单片机在这32K之中读取程序运行，高32K我作为用户数据的保存处，完全可以。只是此时本来完全独立的CODE和DATA空间，因为在硬件芯片上共用了一个MEMORY，所以他们之间就可能互相影响了，程序就能自己改写程序了。比如0x0020处是一个指令，我通过MOVX把0x0020处改写了，那么再利用MOVC把0x0020处读取出来，数据就和原来不一样了。

容易混淆的症结在于，单片机存储空间是一个逻辑上的概念，是人为划分出来的两个相互独立的空间。而硬件电路上的MEMORY芯片则是现实中的概念，单片机的存储空间最终会落实在电路层面的芯片上，所以逻辑上的存储空间会因为物理上的电路连接而发生重叠。但是在逻辑层面上，这两个空间还是完全独立的。

附：各类存储空间名称的定义：

data:固定指前面0x00-0x7f的128个RAM,可以用a寄存器直接读写的,速度最快,生成的代码也最小。

idata:固定指前面0x00-0xff的256个RAM,其中前128和data的128完全相同,只是因为访问的方式不同。idata是用类似C中的指针方式访问的。汇编中的语句为：mov ACC,@Rx.(不重要的补充：c中idata做指针式的访问效果很好)xdata:外部扩展RAM,一般指外部0x0000-0xffff空间,用DPTR访问。pdata:外部扩展RAM的低256个字节,地址出现在A0-A7的上时读写,用movx ACC,@Rx读写。这个比较特殊,而且C51好象有对此BUG, 建议少用。但也有他的优点,具体用法属于中级问题,我不太会，所以这里不提。