淺談單片機(jī)系統(tǒng)與掉電保護(hù)電路的可靠性提高方案

1　問題的提出

　　在以單片機(jī)為核心的智能儀表及過程控制系統(tǒng)中常常需要長時間保存實(shí)時參數(shù)。通?？刹捎肊2PROM、FLASH MEMORY以及以隨機(jī)存貯器為基礎(chǔ)內(nèi)置電池的非易失芯片來實(shí)現(xiàn)。E2PROM、 FLASHMEMORY屬于可在線修改的ROM器件，它解決了應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)時參數(shù)掉電保存的難題，但這類芯片寫入速度慢（ms級），擦寫次數(shù)有限（萬次級），有些器件擦寫次數(shù)雖達(dá)百萬次，對某些應(yīng)用系統(tǒng)而言，其寫入次數(shù)仍然是有限的。因此這類芯片只能用在需要保護(hù)的數(shù)據(jù)量小且寫入不頻繁的系統(tǒng)中。對那些需要大容量高速反復(fù)存取實(shí)時參數(shù)的系統(tǒng)，只能用隨機(jī)存貯器RAM加掉電保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)上述原理的掉電保護(hù)方法很多，某些廠商甚至以RAM為基礎(chǔ)內(nèi)置電池開發(fā)出自掉電保護(hù)芯片，用這類獨(dú)立的掉電保護(hù)芯片或電路構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中有時會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：若系統(tǒng)電源的變化使RAM先處于保護(hù)狀態(tài)，而系統(tǒng)尚未復(fù)位，單片機(jī)仍正常工作，這時就出現(xiàn)寫不進(jìn)，讀不出的現(xiàn)象，引發(fā)系統(tǒng)故障。對于這種單片機(jī)復(fù)位電平與掉電保護(hù)電平不一致而影響系統(tǒng)可靠性的問題，本文提出用微處理器監(jiān)控電路使單片機(jī)復(fù)位與掉電保護(hù)聯(lián)動的解決方案。RAM在單片機(jī)復(fù)位時處于保護(hù)狀態(tài)，工作時正常存取，從而有效地解決前述問題。

    單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。

　　2　MAX791［1］芯片介紹

　　MAX791是MAXIM公司生產(chǎn)的高性能微處理器電源監(jiān)視電路，它與AMDA公司的AMD791性能相同可以互換。功能包括微處理器復(fù)位、備用電池切換、看門狗電路、CMOS－RAM寫入保護(hù)及電源故障告警等，邏輯框圖如圖2—1［1］。圖中VCC、VOUT分別為電源輸入、輸出，VBATT為電池輸入，為電源低輸出，和為RAM芯片使能輸入與輸出，為復(fù)位輸出，為人工復(fù)位輸入，為低將強(qiáng)制RESET有效，SWT、WDI、、分別為看門狗定時設(shè)置、觸發(fā)輸入、超時輸出和超時脈沖。PFI和分別為電源故障輸入和輸出，PFI低于1．25 V時變低。MAX791的復(fù)位時序如圖2—2^［1］所示。

    3　掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    3．1　硬件設(shè)計(jì)

    圖3—1給出了一種帶掉電保護(hù)的MCS－51^{［2］、［3］}單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的原理圖。76C88是CMOS型的RAM芯片，其容量為8K×8，它有兩個片選端和CS2，只有為低電平同時CS2為高電平時芯片才被選中。因此將CS2接MAX791的輸出端，同時寫允許信號通過MAX791的使能控制輸入端和輸出端，間接從MCS－51的引入，保證在系統(tǒng)復(fù)位期間不能讀寫，有效地保護(hù)了76C88中的數(shù)據(jù)。結(jié)合圖2—2 MAX791的復(fù)位時序，圖3—1的電路工作原理分析如下?！　?/p>

    上電過程：當(dāng)VCC從OV上升到復(fù)位門限1.65V，  輸出仍將維持有效電平200ms的時間，保證電源電壓正常后系統(tǒng)的有效復(fù)位。 

    有效期間76C88的CS2處于低電平，即片選信號無效，保證上電過程中片內(nèi)數(shù)據(jù)不被改寫。當(dāng)VCC大于VBATT時，VOUT自動切換到與VCC相接，76C88轉(zhuǎn)由VCC供電。

    RAM（隨機(jī)存取存儲器）RAM -random access memory 隨機(jī)存儲器。存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。 按照存儲信息的不同，隨機(jī)存儲器又分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器（Static RAM,SRAM）和動態(tài)隨機(jī)存儲器（Dynamic RAM,DRAM）。

    正常工作：在此狀態(tài)下，CS2為高電平，通過MAX791的使能電路復(fù)制，單片機(jī)可對76C88進(jìn)行讀寫操作。為防止程序跑飛，提高系統(tǒng)的可靠性，在程序中插入看門狗觸發(fā)指令，當(dāng)程序跑飛超過1．6 s不能觸發(fā)看門狗時，輸出低電平，通過MR使系統(tǒng)復(fù)位。

    掉電過程：當(dāng)VCC從正常電壓下降到復(fù)位門限4.65V時，立即有效，CS2變成低電平，76C88進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，保證掉電過程中片內(nèi)數(shù)據(jù)不被改寫。當(dāng)VCC小于VBATT時，VOUT自動切換到與VBATT相接，76C88轉(zhuǎn)由后備電池供電。 對多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，上電復(fù)位后程序從頭開始即能滿足要求， 利用MAX791的電源報(bào)警功能，能方便地達(dá)到這一目的：分析圖2-2，當(dāng)VCC下降到4.65V+150mV時，產(chǎn)生負(fù)跳變，向單片機(jī)發(fā)中斷請求，因貯能效應(yīng)，VCC從4．8 V降到4．65 V有幾個ms的時間，足夠單片機(jī)執(zhí)行幾百條甚至上千條指令，利用這段時間在中斷服務(wù)程序中保護(hù)斷點(diǎn)及實(shí)時參數(shù)。重新來電后轉(zhuǎn)入斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

    3．2　軟件設(shè)計(jì)　

　 圖3—1所示單片機(jī)系統(tǒng)的軟件可分成主程序和電源報(bào)警中斷服務(wù)程序兩部分。主程序中必須插入指令經(jīng)常觸發(fā)WDI，且間隔時間不能超過1．6s，報(bào)警中斷必須設(shè)置為非屏蔽中斷沒有可以將設(shè)置成唯一的一個高級中斷以替代。程序流程圖如圖3—2。

　　4　結(jié)束語

　　將復(fù)位與掉電保護(hù)聯(lián)動，能有效解決掉電保護(hù)與復(fù)位不協(xié)調(diào)引起的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高掉電保護(hù)電路及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。以MAX791微處理器監(jiān)控電路構(gòu)成的單片機(jī)掉電保護(hù)系統(tǒng)，在電力、石化等工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用效果十分理想。