本文将从测控系统的总体来研究解决这些问题。

　　2 现有掉电保护方案介绍

　　目前已经提出的掉电保护方案一般有以下两类：

　　（1）加装在线式不间断电源的方案，让系统在掉电时能继续工作，严格地讲，它并没有掉电。此方案体积大、成本高，对于一般测控系统不太适宜。但是对于特殊系统而言这是必选方案。

　　（2）采用存贮器保存系统数据和状态的方案，即掉电时将系统当时的数据和状态保护在E2PROM、FLASH MEMORY或RAM中，电源电压恢复后，将系统恢复到掉电时的工作状态并继续工作。此方案对于一般测控系统、尤其是在工业现场使用的大负荷的系统来说，增加成本不多，经济实用。本文将就这一类方案进行研究。

　　E2PROM、FLASH MEMORY类存贮器属于可在线修改的ROM器件，它解决了应用系统中实时参数掉电保存的难题，其特点是价格便宜，电路连接简单，但有自身特定的擦写要求，编程专用性强，一般擦写时间为ms级，擦写次数有限（10万～100万次不等），适用于对数据存取速度要求不高、存取次数不多的系统。在以往的方案中，即使不考虑寿命问题，该方案所能提供的时间也是不允许的，这是一个难以逾越的难关，但在本文中这仅是一个平常的设计问题。对那些需要大容量、高速、反复存取实时参数的系统，只能用RAM加掉电保护电路来实现。基于RAM的掉电保护电路，既有RAM的高速写入、写入次数无限制的特点，又能象ROM那样长时间保存数据，是一个较好的电路。但却没有通用合适的解决方案。

　　3 通用测控系统的可靠掉电保护方案

　　采用RAM的掉电保护系统，一般由低功耗的CMOS-RAM、供电电路、控制电路、掉电监测电路以及相应的掉电处理软件组成。其实现方法很多，并且已有不少专用的微处理器监控电路。笔者将根据多年的设计和生产实践经验，对现有文章中未涉及的问题加以完善，并就如何提高警惕可靠性进行论述。

　　3.1 低功耗的CMOS-RAM

　　目前已有不少产品，如6264、76C88等，不同公司、不同批次的产品其保持电流一般都不相同，虽然都达到产品的设计标准，但作为掉电保护用的RAM芯片，其保持电流越小越好。

　　3.2 供电电路

供电电路保证系统正常时由电源给RAM供电，掉电时自动转到备用电池给RAM供电。通常结构如图1所示。电路实现没有问题，工艺上需要注意。注意事项如下。 图1中，VRAM端为低功耗RAM的VCC端，VRATT端为微处理器电源监视电路的VBATT端，电容C1、C2必须为优质电容。



　　图1（a）中，BT为可充电电池，通常设计成浮充状态，若该系统长期工作、加之电池密封并不十分严密，则容易因过充发热，引起电池漏液产生腐蚀现象，其结果轻则引起焊点接触不良，重则引起大片印刷电路腐蚀从而使整个线路板报废。对长期不用或者每年仅短期使用的测量装置和仪表，也会出现电池过放电，从而使RAM中的信息丢失。
若图1(a)方案为必选，则应选择保持电流小的RAM和密封严密的充电电池，并减少浮充电流。对长期不用的测量装置，应当优先选用E2PROM或FLASH MEMORY来保存数据。

　　图1（b）中，BT为非充电电池，由于低功耗CMOS-RAM处于保持状态下的电流极小，因上织要所选择的图中其他元件的漏电电流也是极小的（总电流小于20μA，越小越好），并注意电池的自放电现象，那么，电池的使用寿命就取决于它的自然寿命。根据实际使用观察，品质优良的普通干电池（包括钮扣电池）使用寿命可达5年以上，锂电池可达8年以上。该电池也可做成模块式以定期更换。3.3 控制电路

　　控制电路保证在电源供电时，RMA正常读写，电池供电时，RAM处于保护状态，特别要防止系统上电/掉电过程中的瞬间干扰对RAM芯片写入的影响而改变RAM中的数据。目前已有不少性能很好的芯片，如TL7705、MAX690、MAX791、MAX800L/800M、IMP801L等，也可使用表贴器件设计专用电路（笔者曾设计专用电路大量用于工业产品及军品），只要工艺处理得当，在性能与可靠性方面都能满足要求。电路设计并不复杂。但要注意掉电后电压低于4.5V时，电路的工作状态是否满足要求。3.4 掉电监测电路

　　其功能是保证及时有效地监测到掉电信息，从而使系统有足够的时间进行掉电处理和掉电保护。专用控制电路和微处理器监控电路芯片中都有对5V供电进行监测的功能，自行设计的掉电监测电路也都是对5V供电进行监测。笔者以为此监测点可用但不是最佳，这也是现有方案无法通用的关键所在。若将掉电监测点设在稳压电源的输入端，那将使掉电保护电路的设计产生质的变化。下面通过实验可以证明这一论点。 测控系统常用电源方案及突然断电的有关参数如图2所示。

图2（a）为线性稳压电源：负载为93mA/5V，输入端基本电容为1000μF。

图2（b）为开关稳压电源1：48V/5V，负载为810mA/5V，输入端电容91μF。

图2（c)为开关稳压电源2：300V/5V，负载为3.6V/5V，输入端电容110μF。






　　图2(d)中，Vi：稳压电源输入电压。V1：稳压电源输入端掉电判别后，取标准输入电压下降10%的数值（参考交流电的供电标准为220V±5%），可以更低，如设为220V。认为输入电容上的电压下降10%时，输入电源已掉电或者已经发生电源故障。V2：为稳压电源输出5V电压的最低输入电压值。V3：4.75V，稳压电源输出端掉电检测电路的掉电判别值。V4：4.6V，数字系统可靠工作的下限电压值。

　　从图2和表1可得出结论：

　　（1）掉电后系统可继续工作的时间（下称"掉电延时时间"）可人为设定。输入电源断开后，稳压电源入电容和输出电容上存储的电能，可供系统继续输入电容和输出电容上存储的电能，可供系统继续使用一定时间，加大输入电容，还可延长使用时间。如图2（a）中，更换不同的输入电容，可以在25ms～2020ms之间选择掉电延时时间。若输入电容足够大，可以理解为是一种在线式不间断电源，只不过它使用的电能不是在蓄电池中，而是在电容里，并且很有限。



　　（2）掉电检测的最佳点不是在稳压电源的输出端，而是在稳压电源的输入端。而是在稳压电源的输入端。如果将掉电检测点设在稳压电源的输入端，必须考虑输入端可能出现的脉冲干扰对掉电判别的影响。

　　（3）将掉电判别值设为稳压电源输出电压下降到4.75V并不合适，因为输入电源早已断开，外围被测或被控对象也已经停止工作，即使大惯性的机械环节由于其惯性仍在运行，但对于需要进行掉电处理的对象理应是处理得越早越好，而不是等待储存的电能几乎耗尽才开始处理。同时，系统内耗电单元也应当停止工作或作适当处理。

　　（4）输入断开使得开关稳压电源的输出电压在低于稳压值后快速下降，因为此时开关稳压电源已停止工作，输入电容上的残余电能对输出也已没有作用。因此，使用开关稳压电源将输出电压4.75V设为掉电判别值，则可供掉电处理的时间更少。

　　（5）若将掉电检测点设在稳压电源的输入端，则使用开关稳压电源要优于线性稳压电源，可为掉电处理赢得更多的处理时间。

　　（6）对必须使用E2PROM或ELASH MEMORY类存贮器的系统，上述分析提供了可实现的方案。只要配接合适的输入电容，就能获得足够的写入时间。

　　笔者设计的掉电检测、控制电路如图3所示。

　　图3（a）为输入、输出共地的稳压电源使用电路，A接稳压电源的正输入端，将C端接入图3(b)电路，并取代相应电路。对于共地结构的电路仍推荐使用图3(b)为优选方案。

　　图3（b）中，A、B接稳压电源的输入，A正B负，选择Z2的稳压值，调节R1、R2、R4、Z1数值，便可得到合适的掉电判别值与上电判别值。电路中使用NEC2701光耦为表贴器件（不宜用高速器件），既起到隔离使用又能够对输入端可能出现的脉冲干扰实现抑制。改变R6、C1、Z1的数值，可选择合适的掉电后处理时间。不过，Z1值宜小为好，最好小于1.5V。

　　图3（c）是图3（b)的波形，加电时RST、INT、CS（RAM的芯片选择端，如6264的CS2）同时动作，RST优先起使用。掉电时/INT有效，经过一定延时后CS为低，封锁RAM芯片选择端，待加电或者电压恢复上升至（此状态中5V输出电压可能一直未变）大于上电判别值，一切又从RESET重新开始。即使输入电压刚低于掉电判别值而后又立即上升至上电判别值，其恢复过程也是从RESET开始。

　　图3是针对MCS-51系列单片机应用系统设计，若是MCS-96系列，则D1、C2、R10的连接方式不同。

　　图3（b）电路多年前已大量用于多种产品。若采用表贴器件，R1、Z2外接，集成封装为一个芯片内，则体积小巧，结构可靠，此电路通用性较强。3.5 掉电处理软件

　　掉电保护是指掉电时系统数据、状态的保护和上电后系统恢复到掉电时的全部状态这一完整过程。因此，掉电处理软件的功能则是保证不论掉电现象在系统工作中的哪个环节发生，都能将有效的数据和系统状态保存住，在电源正常后，系统能够恢复到掉电时的工作状态并继续工作。以往也有不少关于掉电处理软件的设计介绍。本文就怎样可靠实现掉电时有效的数据保护和上电时系统准确的恢复问题，掉出下面的软件设计思想。

　　在RAM中开辟一段空间，作为掉电保护专用数据区。在系统程序设计时应注意少用中断和中断嵌套，多用标志器；若不是非用多层中断不可的情况，则更应该多用标志器，尤其要注意中断压栈时的栈址，只有这样，才能够在掉电现象发生的任何时刻，保护住系统有效的数据和状态。建议系统仅用一个高速中断，其他都以查询结合标志器来完成，这不但可以提高实时系统的可靠性，而且还为掉电保护提供了方便。由于掉电后继续工作时间是可控的，所以不必立刻响应，定时查询即可。因查询或中断得知掉电已发生（查询方法优于中断方法）系统应首先进行应急和减功耗处理，所谓应急处理即在测控过程中，有些功能是瞬间工作、有些对象在掉电时必须归零位或者其控制器必须处于断开状态等等，这些都应作应急处理。所谓减功耗处理是指如显示器、微型打印机、二次（检测）电源、继电器等在输入掉电后已无通电拨要（有要求另议）时，应当及时关闭或作适当处理，以便有更多的掉电处理时间。 当系统数据和状态存入专用数据区后，应当在专用数据区前、后各辟16字节RAM作为"掉电保护标志"，写入专用标志。其使用有：（1）系统加电经RESET进入，通过"掉电保护标志"识别是初次加电还是掉电再入，以便程序选择不同的入口。（2）校对"掉电保护标志"中的专用标导字，检查掉电保护是否完好。对于重要系统此检查非常必要，万一掉电保护因为意想不到的情况受到破坏，在掉电再入时处理，远比在任务结束的处理损失要小。若要更加完善，设计两个同样的专用数据区，间隔放置多位"掉电保护专用标志字"，在掉电再入时，先校对三段掉电专用标志字，后比较两个同样的专用数据欧，无误后，作掉电恢复处理。当然，除非有特殊要求，否则不必采用此方案。

　　4 结束语

　　本文通过分析测控系统常用电源方案及突然断电的有关参数，提出了掉电后继续工作时间可设定的新思想，指出了怎样设计或者选择有掉电保护要求的测控系统的电源类型及其参数，获得需要的掉电后继续工作时间，以便满足不同系统在进行掉电处理时的时间需求。文中介绍了一例实现上述思想的通用掉电监测和控制电路。提出了提高掉电保护系统可靠性的软件设计思想：（1）少用中断和中断嵌套，使用高速中断结合标志器加查询来实现系统功能。（2）开辟掉电保护专用数据区，并在其前后设置多位"掉电保护专用标志字"，以确保掉电恢复时数据的准确性。（3）掉电后应立即执行应急和减功耗处理。

　　笔者使用文中介绍的掉电保护方法，配以抗干扰技术（另文讨论），为纺织业、表面处理、通信、军工行业设计生产过多种测控系统（包括含有51和86系列的7个CPU的大系统），销往海内外，实践表明，本文所述方法是有效的，且可以真正实现永不死机。


作者：东南大学（南京 210096）张文锦