ATmegal28扩展512KB掉电保护SRAM方案

    如今，电子技术发展迅猛，尤其是单片机已广泛地应用于通信、交通、家用电器、便携式智能仪表和机器人制作等领域，产品功能、精度和质量均有大幅度提高，且电路简单，故障率低，可靠性高，价格低廉。在单片机的某些应用中，如果不对系统的外部SRAM进行扩展，就不能满足系统设计的要求。因此如何扩展、扩展什么类型的芯片、扩展的容量多大就成为值得考虑的问题。这个问题解决的好与坏直接关系到项目的成败。本文介绍在AVR ATmegal28中如何实现扩展掉电数据不丢失的512 KB SRAM的方案。

1 系统硬件结构
    单片机采用的是Atmel公司生产的ATmegal28，其引脚排列如图l所示。ATmegal 28单片机为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，凭借先进的指令集以及单周期指令执行时间，其数据吞吐率高达1MIPS/MHz，可以缓解系统的功耗和处理速度之间的矛盾。AVR单片机内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐量。ATmegal28单片机内置：128 KB的在系统可编程Flash程序存储器，具有在写的过程中还可以读的能力，即同时读写(RWW)；4 KB的EEPROM；4 KB的SRAM；53个通用I／O端口线；32个通用工作寄存器；实时时钟(RTC)；4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器(T／c)；2个UJSART；面向字节的两线接口(TWI)；8通道10位ADC；可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定时器；串行外围设备接口(SPI)；与IEEEll49．1规范兼容的JTAG测试接口，此接口同时还可以用于片上调试；6种可以通过软件选择的省电模式。

    SRAM接口电路由锁存器74AHC573D和BS62LV1006SIP55组成，如图2所示。XRAM接口的工作频率很高，当系统的工作条件高于8 MHz@4 V(4 V电源电压，8 MHz工作频率)和4 MHz@2．7 V(2．7 V电源电压。4 MHz工作频率)时，要小心地选择地址锁存器。此时，典型的74HC系列锁存器已经无法满足要求。XRAM接口与74AHC系列的锁存器相兼容。BS62LV4006SIP55是BSI的高效率、低功耗CMOS静态随机访问存储器，能适应2．4～5．5 V的大范围工作电压，具有典型CMOS的高效率低功耗特性；在3．0V/25℃的条件下电流为0．25μA，在3．0V／85℃的条件下，最长访问时间为55 ns。通过片选CE信号、输出使能OE信号和三态输出驱动，可以很方便地进行SRAM扩展。当BS62LV4006SIP55处于未片选状态时，它具有自动降低功耗的特性。

    掉电数据保护电路由SA56600-42D接口电路、DS1302ZN接口电路和预警比较电路组成，电路原理图如图3所示。SA56600-42D是Philips公司生产的为保护SRAM中数据的集成芯片；DS1302ZN则是DALLAS公司生产的实时时钟(RTC)，但它还具有可编程控制的充电器的功能，通过第8脚能为锂电池进行控制充电；预警比较电路有保护现场数据的作用，当外部电压低于10V时，模拟比较器就会触发中断，从而把现场数据保护到外扩SRAM或EEPROM中。

2 工作原理
    在主函数main()中，对I／O口、计时器、A／D转换器、模拟比较器、RTC DSl302和外扩SRAM等进行初始化。对外扩的SRAM进行访问时，通过PD5～PD7确定页面地址，再根据A口、C口的第二功能访问外部SRAM的指定地址，这部分在程序清单中有简单的例子。有一点要注意，外部存储器映射到内部存储器之后，在缺省条件下MCU只能访问每页的60 KB外部存储器(地址0x0000～0xlOFF为内部存储器所保留)。然而，可以利用屏蔽高位地址的方法来访问整个64 KB外部存储器。这点对于跨页访问要特别注意。
    在计时器中断程序中，每隔一段设定的时间就要调用一次A／D转换，以获得锂电池的电压。在A／D中断处理函数中对获得的锂电池电压进行处理。如果获得的锂电池的电压低于一个设定的值，则调用DSl302的90H命令对锂电池进行充电；如果锂电池电压高于设定的值，则调用DSl302的91H命令，获得寄存器对应TCS3～TCSl位的值，判断DS1302是否对电池充电。如果在充电，就凋用DSl302的90H命令，结束对电池充电。
    当预警比较电路中ATNl的电压低于AIN0时，触发模拟比较器中断。在此中断处理函数中把内部SRAM的数据备份到外部的SRAM或者EEPROM中，从而防止因外部电源掉电造成数据丢失。
    当外部电源掉电或恢复供电时，SA56600-42D会自动切换外扩SRAM的供电。在外部电压低于4．2 V时，SA56600-42D会使外扩SRAM处于未使能状态，使SRAM不能访问；在外部电压低于3．3 V时，SA5660042D会自动切换到锂电池为外扩SRAM供电，达到保护外扩SRAM中数据的同的；在外部电压高于4．2 V时，SA56600-42D会自动切换到主电源为外扩SRAM供电。

3 本系统的优点
    ①使用高性能RISC架构的AVR ATmegal28单片机，从硬件上克服了传统单片机在处理能力、外围接口能力上的不足，可以实现复杂的程序控制。
    ②外扩SRAM达到512 KB，突破了传统的64KB寻址范围的限制。这对单片机来说有很重要的现实意义。
    ③外扩SRAM且实现掉电数据保护功能。相对于扩充EEPROM的系统，本系统的反应要快很多。
    ④应用本方案，在某些应用方面就不需要使用ARM微处理器，从而达到降低系统成本和开发难度的目的。
    程序清单见本刊网站www.mesnet.com.cn——编者注。

结语
    采用本系统的扩展外部SRAM的方案，既能保证系统的响应速度，又能保证数据的安全性。本设计方案具有硬件结构简单、成本低等优势，在显示、语音、交通控制和智能化停车场管理系统等方面，具有一定的参考价值。经在某停车场智能管理系统中的实际运行，证明该设计方案是成功的。