以单片机为核心的仪表常要考虑发生突然掉电时的数据保存问题，一般有两种对策：一是用后备电源维持单片机持续工作，称为硬保护；另一种是在检测到掉电后，在电源完全失效前保护现场数据，上电后再恢复工作，称为软保护。本文主要讨论后者。

目前，设计掉电软保护功能时，数据存储介质常选用两类：一类是E2PROM，但写入时间较长，难以写入较多数据；另一类是带有后备电池的小容量SRAM构成的非易失性存储器，写入速度快，但增加了电路的复杂性。掉电电压的检测电路可用分立元件构成，也可用专用芯片来实现。前者增加了电路复杂性且降低了系统可靠性；后者增加了成本。

TI公司的Flash型单片机MSP430F11x1系列、MSP430F13x系列和MSP430F14x系列具有片内的Flash存储器。可以用于实现仪表的掉电数据保护，同时可以简化系统结构，提高系统可靠性。

本文采用TI公司的Flash型16位超低功耗单片机MSP430F1121，利用其片内的Flash存储器和模拟比较器，只需外接1组分压电阻进行分压取样，即可实现系统的掉电软保护。

一、 MSP430F11x1、MSP430F13x 和MSP430F14x简介

MSP430F11x1为20引脚，采用SOWB封装，如图1所示。它有14位具有中断功能的I/O端口；有1个16位的WatchDog，可用作系统故障复位或定时器；有1个带有3组捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A。有1个模拟电压比较器Compare_A；它的定时器和比较器功能丰富，可以实现多种用途。例如，外接电阻和电容后可以构成1个高精度的A/D转换器。

MSP430F13x和MSP430F14x同为64引脚，采用PQFP封装，芯片为1cm2的正方形，如图2所示。它有48位I/O端口；有1个16位的WatchDog；有2个带有多组捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A、Timer_B；有1个模拟比较器Compare_A；有1~2个串行接口；有1个12位的多通道A/D转换器。F14x还具有1个硬件乘法器，可实现16位乘16位的操作。

二、 Flash存储器特性

Flash型单片机的工作电压为1.8~3.6V。可外接32kHz~8MHz晶振，并由内部DCO振荡器实现主时钟。有5种低功耗模式，在2.2V、32kHz晶振、1MHz主频、活动模式时工作电流为160μA;当仅保持RAM数据时为0.1μA。它的Flash存储器使用尤为方便。

F1121片内除256B RAM外，还有4KB+256B的Falsh存储器。Flash存储器为分段结构，分为主存储器（main memory）和信息存储器（information memory）,如图3所示。F13x和F14x的片内存储容量更大，RAM在256B到2KB之间，Flash储存器在8KB到60KB之间，也包含主存储器和信息存储器，分段方法及控制方法与F1121相同。

Flash存储器主要用作程序存储器，可经JTAG接口下载程序。程序运行时能对其中的1段或多段进行擦/写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash存储器的擦/写次数为105次，数据在室温下可保存100年。

以下针对具体的应用，详细介绍F1121的Flash存储器用法。

1 F1121 Flash存储器结构

Flash存储器按段分布：主存储器每段为512个字节，共8段(0~7段)；信息存储器每段为128个字节，共2段(A，B段)。最小擦除单位为1段。主存储器和信息存储器的特性除分段大小外基本相同。

2 Flash存储器控制寄存器

有3个16位控制寄存器：FCTL1，FCTL2，FCTL3。为了防止误操作，写入时高字节必须为0A5H，但读出时为096H。

（1） Flash控制寄存器1（FCTL1）

定义对Flash存储器的擦/写操作。

Erase 和MEras 位控制擦除操作，置位后，往定义的区域范围内任一地址进行写操作（写入任意数）后该段即被擦除。前者每次只擦除一段，后者擦除所有段。

WRT和SEG WRT位控制写操作：前者每次写1个字节，后者可在段内连续写入。

（2） Flash控制寄存器2（FCTL2）

定义Flash时钟发生器的时钟源和频率，一般可取上电复位时的缺省值。

（3） Flash控制寄存器3（FCTL3）

指示对Flash存储器操作过程中的出错状态。

其中，较重要的是BUSY位，置位表示不能对Flash存储器操作；否则会出错。在每次进行擦/写操作前都要测试该位。

3 Flash存储器擦除、读和写操作

进行擦/写操作的编程电压(VPP）由片内产生；擦/写时钟由Flash时钟发生器产生。在擦/写时不能有中断产生，也不能执行位于将被擦/写区域的程序。如果想要保留原数据，应在擦除前先把数据转存入RAM中，擦除后再写回。

擦除时，先在FCTL2中设定时钟；如果没有特殊要求，可用上电时的缺省值。然后测FCTL3的BUSY位。等到BUSY复位，在FCTL1中设定Erase（1段擦除）或MEras位（多段擦除），再往目标地址范围内任一地址写入任意数据后，即完成对这一段的擦除。

写入操作类似于擦除操作，只是往目标地址中写入的是实际值。

对Flash存储器的读操作与RAM和ROM完全一样。

三、 掉电保护应用实例

1． 硬件设计

掉电保护功能是针对一个工业时间继电器设计的，有关部分的电路如图4所示。电源电压为5V，稳压电压为3.3V加至F1121的VCC。比较器A的反向输入端(P2.4)取自分压电阻（图中分压值为2ue0100V）；同向输入端为参考电压，设为内部电压（由软件设定，这里为VCC/2，即1.65V)。正常工作时比较器A输出为低，由图中参数可算出。当电源电压降为4.125V时，VCC仍稳定在3.3V；但比较器A输出将翻转，产生中断。

Flash存储器写入时电压必须保持在2.7~3.6V，因此2.7V是处理的下限。1段（512个字节）的写入时间为3ms。据此，可选择合适的电容，由RC放电电路可得：

式中，V0= 3.3V，V(t)=2.7V，t=3ms，R=5MΩ，则：

经实际测试，在取C=1μF时即能正常工作。为可靠起见，可取C=10μF。如果写入的数据较多，需要更长的处理时间，可以加大电容容量，并在供电回路中串接二极管，以限制反向放电。

从正常工作状态到临界状态，电压有0.875V（5.0V-4.125V）的缓冲，因此，电源电压的变动将不会引起误操作。

2．软件设计

程序分为上电复位初始化程序和掉电中断处理程序，如图5及图6所示。

程序初始化时，必须先读取掉电保护标志来决定程序流向，然后把掉电标志复位。在中断处理程序中，对Flash存储器写入数据前都应先擦除标志所在区域；但为节省中断处理时间，可在初始化时预先进行擦除操作，以备下一次的掉电处理写入。

掉电处理程序中必须完成两件事：掉电保护标志置位（也应写在Flash存储器中）；将待保护数据写入Flash存储器中。一般可把数据存入信息存储器中，如果数据量大，可写入没有被程序占用的主存储器中。写入时要关闭所有中断，同时对原系统当前执行的程序作相应的现场保护处理。

应用掉电保护功能的工业时间继电器，需保存16字节预置参数和16字节掉电瞬间运行状态参量以及1字节的掉电保护标志，即总的保存数据为33字节。其中，16字节的预置参数在运行过程中设定，同时已写入B段中。因此，中断处理程序只须将17字节的状态参量写入A段中。经多次实际断电试验，工业时间继电器均能在重新上电时正确恢复断电时的保护数据。

参考文献

1 胡大可ue010MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2000