MSP430單片機Flash存儲器的特性及應用

　　以單片機為核心的儀表常要考慮發生突然掉電時的數據保存問題，一般有兩種對策：一是用后備電源維持單片機持續工作，稱為硬保護；另一種是在檢測到掉電后，在電源完全失效前保護現場數據，上電后再恢復工作，稱為軟保護。本文主要討論后者。

　　目前，設計掉電軟保護功能時，數據存儲介質常選用兩類：一類是E2PROM，但寫入時間較長，難以寫入較多數據；另一類是帶有后備電池的小容量SRAM構成的非易失性存儲器，寫入速度快，但增加了電路的復雜性。掉電電壓的檢測電路可用分立元件構成，也可用專用芯片來實現。前者增加了電路復雜性且降低了系統可靠性；后者增加了成本。

　　TI公司的Flash型單片機MSP430F11x1系列、MSP430F13x系列和MSP430F14x系列具有片內的Flash存儲器。可以用于實現儀表的掉電數據保護，同時可以簡化系統結構，提高系統可靠性。

　　本文采用TI公司的Flash型16位超低功耗單片機MSP430F1121，利用其片內的Flash存儲器和模擬比較器，只需外接1組分壓電阻進行分壓取樣，即可實現系統的掉電軟保護。

一、 MSP430F11x1、MSP430F13x 和MSP430F14x簡介

　　MSP430F11x1為20引腳，采用SOWB封裝，如圖1所示。它有14位具有中斷功能的I/O端口；有1個16位的WatchDog，可用作系統故障復位或定時器；有1個帶有3組捕捉/比較寄存器的16位定時器Timer_A。有1個模擬電壓比較器Compare_A；它的定時器和比較器功能豐富，可以實現多種用途。例如，外接電阻和電容后可以構成1個高精度的A/D轉換器。

　　MSP430F13x和MSP430F14x同為64引腳，采用PQFP封裝，芯片為1cm2的正方形，如圖2所示。它有48位I/O端口；有1個16位的WatchDog；有2個帶有多組捕捉/比較寄存器的16位定時器Timer_A、Timer_B；有1個模擬比較器Compare_A；有1~2個串行接口；有1個12位的多通道A/D轉換器。F14x還具有1個硬件乘法器，可實現16位乘16位的操作。

二、 Flash存儲器特性

　　Flash型單片機的工作電壓為1.8~3.6V。可外接32kHz~8MHz晶振，并由內部DCO振蕩器實現主時鐘。有5種低功耗模式，在2.2V、32kHz晶振、1MHz主頻、活動模式時工作電流為160μA;當僅保持RAM數據時為0.1μA。它的Flash存儲器使用尤為方便。

　　F1121片內除256B RAM外，還有4KB+256B的Falsh存儲器。Flash存儲器為分段結構，分為主存儲器（main memory）和信息存儲器（information memory）,如圖3所示。F13x和F14x的片內存儲容量更大，RAM在256B到2KB之間，Flash儲存器在8KB到60KB之間，也包含主存儲器和信息存儲器，分段方法及控制方法與F1121相同。

　　Flash存儲器主要用作程序存儲器，可經JTAG接口下載程序。程序運行時能對其中的1段或多段進行擦/寫操作，因此兼有數據存儲器功能。Flash存儲器的擦/寫次數為105次，數據在室溫下可保存100年。

　　以下針對具體的應用，詳細介紹F1121的Flash存儲器用法。

1 F1121 Flash存儲器結構

　　Flash存儲器按段分布：主存儲器每段為512個字節，共8段(0~7段)；信息存儲器每段為128個字節，共2段(A，B段)。最小擦除單位為1段。主存儲器和信息存儲器的特性除分段大小外基本相同。

2 Flash存儲器控制寄存器

　　有3個16位控制寄存器：FCTL1，FCTL2，FCTL3。為了防止誤操作，寫入時高字節必須為0A5H，但讀出時為096H。

（1） Flash控制寄存器1（FCTL1）

　　定義對Flash存儲器的擦/寫操作。

　　Erase 和MEras 位控制擦除操作，置位后，往定義的區域范圍內任一地址進行寫操作（寫入任意數）后該段即被擦除。前者每次只擦除一段，后者擦除所有段。

　　WRT和SEG WRT位控制寫操作：前者每次寫1個字節，后者可在段內連續寫入。

（2） Flash控制寄存器2（FCTL2）

　　定義Flash時鐘發生器的時鐘源和頻率，一般可取上電復位時的缺省值。

（3） Flash控制寄存器3（FCTL3）

　　指示對Flash存儲器操作過程中的出錯狀態。

　　其中，較重要的是BUSY位，置位表示不能對Flash存儲器操作；否則會出錯。在每次進行擦/寫操作前都要測試該位。

3 Flash存儲器擦除、讀和寫操作

　　進行擦/寫操作的編程電壓(VPP）由片內產生；擦/寫時鐘由Flash時鐘發生器產生。在擦/寫時不能有中斷產生，也不能執行位于將被擦/寫區域的程序。如果想要保留原數據，應在擦除前先把數據轉存入RAM中，擦除后再寫回。

　　擦除時，先在FCTL2中設定時鐘；如果沒有特殊要求，可用上電時的缺省值。然后測FCTL3的BUSY位。等到BUSY復位，在FCTL1中設定Erase（1段擦除）或MEras位（多段擦除），再往目標地址范圍內任一地址寫入任意數據后，即完成對這一段的擦除。

　　寫入操作類似于擦除操作，只是往目標地址中寫入的是實際值。

　　對Flash存儲器的讀操作與RAM和ROM完全一樣。

三、 掉電保護應用實例

1． 硬件設計

　　掉電保護功能是針對一個工業時間繼電器設計的，有關部分的電路如圖4所示。電源電壓為5V，穩壓電壓為3.3V加至F1121的VCC。比較器A的反向輸入端(P2.4)取自分壓電阻（圖中分壓值為20V）；同向輸入端為參考電壓，設為內部電壓（由軟件設定，這里為VCC/2，即1.65V)。正常工作時比較器A輸出為低，由圖中參數可算出。當電源電壓降為4.125V時，VCC仍穩定在3.3V；但比較器A輸出將翻轉，產生中斷。

　　Flash存儲器寫入時電壓必須保持在2.7~3.6V，因此2.7V是處理的下限。1段（512個字節）的寫入時間為3ms。據此，可選擇合適的電容，由RC放電電路可得：

式中，V0= 3.3V，V(t)=2.7V，t=3ms，R=5MΩ，則：

　　經實際測試，在取C=1μF時即能正常工作。為可靠起見，可取C=10μF。如果寫入的數據較多，需要更長的處理時間，可以加大電容容量，并在供電回路中串接二極管，以限制反向放電。

　　從正常工作狀態到臨界狀態，電壓有0.875V（5.0V-4.125V）的緩沖，因此，電源電壓的變動將不會引起誤操作。

2．軟件設計

　　程序分為上電復位初始化程序和掉電中斷處理程序，如圖5及圖6所示。

　　程序初始化時，必須先讀取掉電保護標志來決定程序流向，然后把掉電標志復位。在中斷處理程序中，對Flash存儲器寫入數據前都應先擦除標志所在區域；但為節省中斷處理時間，可在初始化時預先進行擦除操作，以備下一次的掉電處理寫入。

　　掉電處理程序中必須完成兩件事：掉電保護標志置位（也應寫在Flash存儲器中）；將待保護數據寫入Flash存儲器中。一般可把數據存入信息存儲器中，如果數據量大，可寫入沒有被程序占用的主存儲器中。寫入時要關閉所有中斷，同時對原系統當前執行的程序作相應的現場保護處理。

　　應用掉電保護功能的工業時間繼電器，需保存16字節預置參數和16字節掉電瞬間運行狀態參量以及1字節的掉電保護標志，即總的保存數據為33字節。其中，16字節的預置參數在運行過程中設定，同時已寫入B段中。因此，中斷處理程序只須將17字節的狀態參量寫入A段中。經多次實際斷電試驗，工業時間繼電器均能在重新上電時正確恢復斷電時的保護數據。

參考文獻

1 胡大可MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用.北京：北京航空航天大學出版社，2000