面向射頻的單片機掉電保持系統設計

查子堯，林毅

（南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094）

隨著電子行業的快速發展，目前越來越多的嵌入式系統需要用到通信模塊，比如近場通信（Near Field Communication，NFC）、4G、WIFI等。由于這些芯片的存在，系統故障掉電時會消耗巨大電流，導致電壓在2 ms以內就跌落至單片機工作電壓以下，因此數據在掉電時無法備份存儲[1]。目前的電力電子設備，掉電時存儲數據的時間一般需要10～20 ms，若數據較多可能還需要更長時間[2]。為了保證在故障掉電時有足夠的時間保存數據，需要延長系統的掉電時間。

文中通過低壓差線性穩壓器（Low Dropout，LDO）和超級電容實現射頻系統中的掉電存儲電路，并通過軟件控制射頻工作。其特點是面向射頻系統，精確控制掉電時間并且頻繁掉電時也能保證一定的掉電時間。

1 系統設計

1.1 系統總體框架

汽車電子行業中，嵌入式系統主要通過蓄電池給單片機以及各類外設芯片供電，通過MCU驅動射頻芯片和FRAM。嵌入式射頻系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

物料搬運行業準則中，規定電壓跌落時間至少大于50 ms，這是因為在搬運過程中，貨物抖動可能導致負載變大，拉低電動叉車的電池電壓，這個過程一般在50 ms左右。在此期間，單片機不能重啟，也就是工作電壓不能低于1.8 V[3]。

按照汽車電子的標準，當B+電壓低于額定電壓的40%，并超過5 ms，則認為電源已經斷開，此時可以進行關機、掉電保存等操作。如果未達到5 ms電壓就恢復至額定電壓的40%以上，此時認為電源未斷開，屬于正常的電壓抖動[4]。按照此標準，軟件通過ADC得到電源電壓，當判斷電源已經斷開時，產品開始進行掉電保存。

1.2 硬件方案對比

目前，延長掉電時間的處理方法主要可分為以下3類：1）通過電源管理芯片，檢測掉電事件的發生；2）通過儲能元件，比如電容，延長掉電時間；3）各類芯片采用低功耗模式[5]。文獻[6]結合了第二類和第三類方法，采用鋰電池作為備用電源，同時斷電時進入低功耗模式，結果表明，該方法能夠在突發斷電時延長掉電時間，但低功耗下備用電源的掉電時間不能精確控制。文獻[7]結合第一類和第二類方法，通過分壓網絡采集信號并通過FPGA控制備用電池，該方案能夠準確的延長掉電時間，但是遇到頻繁掉電的情況時，掉電時間會越來越短。對于嵌入式系統，掉電時間過短會影響數據保存，而掉電時間過長則會影響系統正常關機。

文獻[6]中的斷電保護電路主要由兩節鋰電池（8.4 V）和充電管理芯片BQ2057CSN構成。當外系統正常供電時，對采集存儲系統供電并對斷電保護電路中的鋰電池進行充電。如果外系統供電失效，鋰電池進行供電。其優勢在于動態補償鋰電池的內阻以減少充電時間，并有溫度檢測功能，當溫度超過允許范圍時可停止對電池進行充電。其缺點在于掉電時間的長短受到鋰電池剩余電量的影響，系統關閉時間不可控，當出現連續掉電時無法可靠保障掉電安全。

圖2 鋰電池方案電路圖

文中設計的掉電系統電路圖如圖3、4所示。

圖3 DC-DC電路圖

圖4 LDO電路圖

LDO穩壓器是一種低功耗的線性穩壓器，LDO線性穩壓器的壓差低于普通的穩壓芯片，因此在系統掉電時，它的持續工作時間也比普通穩壓芯片的時間長[8]。其壓差是將輸出電壓維持在其額定值上下100 mV之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。在電池電壓經過DC-DC后再經過LDO二次降壓，可以有效地延長掉電時間。

DC/DC芯片采用的是LM5008ASD，該芯片輸入范圍為12～96 V，能夠應對汽車電子的大部分工況，并且在電壓抖動時能夠平緩輸出[9]。

超級電容是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量，并且使用壽命長。在低功耗的嵌入式系統中，選用容量較小的超級電容便能大幅度延長掉電時間[10]。

相比現有的掉電方案，文中方案的優勢在于能夠通過超級電容準確控制具體的掉電時間。嵌入式系統中超級電容容量無需過大，因此充電速度較快，在上電后的幾十毫秒內便能充滿，因此能很好地應對頻繁掉電狀況。

2 硬件參數設計

射頻系統中的單片機采用的是英飛凌的XMC 1404-F064X0200，該單片機的最低工作電壓是1.8 V，通過SPI與FRAM進行通信。

射頻芯片ST25R3911的工作電壓為2.4～5.5 V。主要用于直接驅動天線。通過天線識別各類NFC卡。而高頻的來源則是振蕩器的輸入，一般為13.56 MHz或27.12 MHz。

存儲芯片是富士通鐵電存儲器MB85RS64，該芯片具有64K的存儲空間，電壓為3～5.5 V。

綜上所述，要求負載功耗最大時，斷開電源不會導致鐵電無法保存。鐵電的最低工作電壓為3 V，MCU的最低工作電壓為1.8 V，因此要滿足電壓跌落至1.8 V的時間大于50 ms，同時電壓從48 V*40%跌落至3 V的時間超過15 ms。

一般超級電容等效阻值在100 mΩ左右，而LDO輸出電阻值經過測量在200 mΩ左右，射頻場關閉時消耗的總電流為300 mA。因此可計算出LDO和超級電容消耗的電壓值為[11]：

Vout的值設定為5 V，Vin的值為5.3 V，從而在超級電容上產生的放電電壓值為：

由此可以計算出電容的大小為：

由于電容加大會導致電壓跌落時間變長，也會產生新的問題。當電壓低于1.8 V時，單片機停止工作，電流減小，此時電壓會升高，然后單片機又會重新啟動，也就是電壓震蕩[12]。這個問題的解決辦法是通過增加電阻進行吸收，或者通過軟件來保證，這里采用軟件的方法，因此掉電保存前要判斷工作的時間，防止連續保存[13]。

3 軟件設計

軟件控制的核心是檢測掉電信號并控制射頻場。軟件框圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

通過單片機定時器中斷可以實時讀取電源電壓值，在跌落時通過高優先級中斷進行掉電保存，并防止電壓抖動帶來的二次保存。

考慮到這里掉電時間一般是ms級的，檢測電壓的周期只需比1 ms小一些。通過定時器中斷設置，每250 μs讀取一次AD采樣的值，與預設值進行比較。1/250 μs=4 kHz，而系統內部時鐘頻率為48 MHz，因此時鐘裝載的值為48 000 000/4 000=12 000，并將中斷優先級設置為最高0。可用XMC的庫函數進行設置[14]。

然后通過中斷事件讀取AD采樣的B+電壓，這樣就可以達到快速檢測掉電信號的目的。首先要確定其正常工作電壓，再根據行規判斷掉電的依據。在此基礎下，保證一些參數數據有足夠的時間保存。

如果電源斷開的時候，射頻場處于打開狀態，此時由于射頻的功率較大，掉電時間會非常快[15]。在判斷電源已關斷時，就要以最快速度關閉射頻場，因為射頻芯片消耗電流非常快，如果射頻場打開時即使增加了LDO和超級電容，也無法滿足要求。如果時間仍然不夠，在電壓跌落至一定程度時就需要關閉射頻場。可以按照物料搬運行業準則和低速電動叉車的規定進行設置。

正常工作狀態下電壓會穩定在48 V，如果有電壓抖動也不會超過200 ms。在這期間關閉射頻場停止識別功能，對于用戶的使用沒有影響，因此在電壓低于工作電壓75%時就關閉射頻場，電壓恢復至80%以上時重新打開射頻場。

綜上，通過ADC實時讀取電壓值，當B+電壓低于額定電壓的40%，并超過5 ms，則認為電源已經斷開，此時可以進行關機、掉電保存等操作。如果未達到5 ms，電壓就恢復至額定電壓的40%以上，此時認為電源未斷開，屬于正常的電壓抖動。在此基礎上，若電壓低于75%就自動關閉射頻場。

4 實驗結果

經過硬件和軟件的優化后，此時射頻場在打開和關閉狀態下，掉電時間相差不大，都能很好地滿足要求，僅使用超級電容的開場掉電波形圖如圖6所示，改良后的開場掉電波形如圖7所示。

圖6 射頻場打開時掉電波形圖

圖7 改良后射頻場開時的掉電波形

與圖6相比，可以看出電壓跌落至75%時，射頻場關閉，電壓下降幅度明顯減小。從40%的電壓跌落至3.3 V的時間為25 ms左右，可以保證跌電的存儲。單片機從5 V跌落至1.8 V的時間為52 ms左右，滿足物料搬運和汽車電子行業的要求。并且掉電波形更為平滑，在3.3 V和1.8 V處電壓抖動較小。

該系統采用文獻[16]的方法時，掉電的波形如圖8所示。電壓從5 V跌落至1.8 V的時間為56 ms左右。與圖6比較，掉電時電壓波動明顯較大，且在電壓跌落至1.8 V時會有大概2 ms的抖動，可能會引起單片機重啟。

5 結論

文中設計了一種面向射頻的單片機掉電存儲系統，從經濟性出發，通過軟件和硬件，減少掉電時的電流消耗并延長掉電時間，使產品滿足物料搬運和汽車電子行業的要求。該方案能讓掉電波形更為平滑，減少電壓抖動，精確控制掉電時間，以保證數據保存的可靠性。