電表在不同供電模式下的安全過(guò)渡 - 全文

摘要：本文介紹了兩個(gè)固件，用作Teridian? 71M6521電表IC的演示程序，版本號(hào)為4.8p。這些固件有助于改善71M6521在功率模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)的可靠性，并在器件恢復(fù)工作模式后提供適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/實(shí)時(shí)時(shí)鐘/" target="_blank">實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)修正。文章討論了程序修改及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，便于用戶對(duì)現(xiàn)有固件進(jìn)行必要的更新。?
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概述

微調(diào)“保險(xiǎn)絲”

微調(diào)“保險(xiǎn)絲”實(shí)際上指的是一組非易失(NV)存儲(chǔ)器，在Maxim的Teridian電表IC生產(chǎn)過(guò)程中用于調(diào)整IC的模擬和數(shù)字特征參數(shù)。器件出廠后，微調(diào)“保險(xiǎn)絲”內(nèi)存儲(chǔ)的內(nèi)容不再改變，用于后續(xù)產(chǎn)品中的參數(shù)補(bǔ)償，例如，用來(lái)微調(diào)VREF電壓，使其穩(wěn)定在1.195 VDC ，誤差不超過(guò)±1mV；還可用于調(diào)整VBIAS內(nèi)部電壓，使其穩(wěn)定在目標(biāo)值。

IC工作期間，按照固定的時(shí)間間隔讀取微調(diào)“保險(xiǎn)絲”的數(shù)值，由IC內(nèi)部的硬件電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整。從“保險(xiǎn)絲”讀取的數(shù)據(jù)送入硬件控制電路和位于I/O RAM的保險(xiǎn)絲寄存器(圖1)。71M6521系列產(chǎn)品中共包含7個(gè)獨(dú)立的微調(diào)“保險(xiǎn)絲”數(shù)值，向I/O RAM寄存器0x20FD (TRIMSEL)寫入1-7之間的任何數(shù)值，可從I/O RAM寄存器0x20FF (TRIM)中讀取相應(yīng)的“保險(xiǎn)絲”數(shù)據(jù)。

圖1. 微調(diào)保險(xiǎn)絲工作原理

錯(cuò)誤讀取微調(diào)“保險(xiǎn)絲”

71M6521 IC支持三種低功耗模式(休眠模式、LCD單獨(dú)有效模式以及關(guān)斷模式)。低功耗模式下，無(wú)法支持IC正常工作的電流消耗。

在極端的電磁干擾(EMI)環(huán)境下，或者是當(dāng)電源超乎尋常地反復(fù)斷電的情況下，可能會(huì)影響到“保險(xiǎn)絲”數(shù)據(jù)的讀取和參數(shù)調(diào)整，錯(cuò)誤地讀取到某個(gè)“保險(xiǎn)絲”數(shù)據(jù)。發(fā)生這種情況時(shí)，可能導(dǎo)致幾種錯(cuò)誤結(jié)果。當(dāng)電源發(fā)生高速“振蕩”，使得71M6521在工作模式與關(guān)斷模式之間反復(fù)切換時(shí)，將會(huì)提高器件故障的概率，當(dāng)交流電緩慢爬升、下降，而后續(xù)使用的是“軟”電源時(shí)，很容易發(fā)生這種狀況。電源振蕩導(dǎo)致71M6521在正常供電(正常工作模式)和低功耗(關(guān)斷)模式之間頻繁切換，由于“保險(xiǎn)絲”讀取錯(cuò)誤導(dǎo)致器件故障的可能性非常小，只有當(dāng)電表在長(zhǎng)達(dá)若干天，甚至幾個(gè)星期的時(shí)間內(nèi)頻繁斷電時(shí)，才有可能看到故障狀況。

“保險(xiǎn)絲”讀取錯(cuò)誤導(dǎo)致IC工作故障可能有幾種不同的表現(xiàn)形式，具體取決于錯(cuò)誤讀取的“保險(xiǎn)絲”數(shù)據(jù)。故障現(xiàn)象可能是以下幾種情況之一：

MPU軟件運(yùn)行在未知狀態(tài)，但依據(jù)固件的不同，有些情況下可能終止內(nèi)部時(shí)鐘，使看門狗定時(shí)器無(wú)法復(fù)位電表。

產(chǎn)生未知的內(nèi)部電源電壓和檢測(cè)門限，這種情況下可能導(dǎo)致外部電源作用到V1引腳，在喚醒時(shí)鐘尚未建立的前提下進(jìn)入休眠模式。有些情況下，不恰當(dāng)?shù)爻跏蓟瘍?nèi)部電源達(dá)到一個(gè)超時(shí)限制時(shí)，可能導(dǎo)致RTC計(jì)時(shí)錯(cuò)誤。

在電表中從根本上消除EMI可能不太現(xiàn)實(shí)，但是，在器件進(jìn)入關(guān)斷模式時(shí)通過(guò)測(cè)試IC的微調(diào)“保險(xiǎn)絲”，固件可以檢測(cè)并避免發(fā)生上述故障。

新版本演示程序解決的另一問(wèn)題是RTC時(shí)間偏移的修正。早期軟件中所包含的RTC程序集成了長(zhǎng)期抖動(dòng)導(dǎo)致RTC偏差的修正，復(fù)位后進(jìn)行調(diào)整。

改進(jìn)程序的應(yīng)用示例

本應(yīng)用筆記介紹的程序支持所有版本的71M6521，包括71M6521BE、71M6521DE和71M6521FE。Maxim推薦在帶有備份電池的新設(shè)計(jì)中采用固件修正。

功率模式切換期間可能產(chǎn)生的失效

71M6521中的微調(diào)“保險(xiǎn)絲”由控制邏輯保證，重復(fù)上電或極端EMI可能影響微調(diào)“保險(xiǎn)絲”的數(shù)據(jù)讀取。失效原因包括：

電表頻繁斷電或出現(xiàn)極端EMI。

電表從工作狀態(tài)進(jìn)入關(guān)斷模式，新的鋰電池供電的情況下，錯(cuò)誤地讀取微調(diào)“保險(xiǎn)絲”的數(shù)據(jù)。電池電壓(典型值為3.6 VDC)與71M6521正常工作時(shí)的電壓(典型值為3.3 VDC)不同，導(dǎo)致失效。

配備電池的電表似乎更容易受到影響，因?yàn)椴粠щ姵氐碾姳碓谥麟娫磾嚯姴⒃俅紊想姾?，能夠?jīng)歷一次干凈的復(fù)位(POR)過(guò)程。

在供電模式轉(zhuǎn)換期間，可能引發(fā)上文提及的失效現(xiàn)象，但很難準(zhǔn)確定位具體故障，因?yàn)檫@取決于諸多因素：斷電或EMI、電表固件、電池選擇、電源設(shè)計(jì)等，這些都會(huì)影響到微調(diào)“保險(xiǎn)絲”的讀取錯(cuò)誤。大多數(shù)電表即使在極端測(cè)試條件下，也不會(huì)發(fā)生故障。

當(dāng)電表返回正常工作模式時(shí)，電源能夠支持更大的工作電流，即可提供微調(diào)自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。但可能需要重新恢復(fù)電表的工作狀態(tài)。

RTC失效事件

RTC程序用于補(bǔ)償電表在低功耗模式下產(chǎn)生的時(shí)間偏差，但并非在啟動(dòng)時(shí)同步調(diào)整，而會(huì)累計(jì)抖動(dòng)產(chǎn)生的漂移。

4.8p演示程序

程序測(cè)試

實(shí)際測(cè)試時(shí)為演示板配備了新電池，配置顯示默認(rèn)值(顯示RTC的時(shí)鐘)。然后，在8周內(nèi)每隔10秒重復(fù)一次交流電的斷電/上電。簡(jiǎn)單地把電源穩(wěn)定在標(biāo)稱交流電壓，然后開始測(cè)試。好的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠正確地恢復(fù)系統(tǒng)工作，合理顯示時(shí)間信息。程序經(jīng)過(guò)8周測(cè)試后沒有出現(xiàn)失效。

軟件的影響

4.8p演示程序能夠在運(yùn)行main()之前出發(fā)PLL_OK中斷，保證在固件初始化期間能夠檢測(cè)到掉電故障并進(jìn)行相應(yīng)的處理。必須謹(jǐn)慎管理其它中斷操作，以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的故障現(xiàn)象。

任何情況下，4.8p演示軟件都可以在喚醒定時(shí)器中保持一個(gè)非零數(shù)值。正常工作時(shí)，喚醒定時(shí)器不會(huì)計(jì)數(shù)或觸發(fā)喚醒過(guò)程，除非IC意外進(jìn)入休眠或僅顯示LCD模式。發(fā)生這種事件時(shí)，將觸發(fā)喚醒定時(shí)器工作，喚醒電表并從故障狀態(tài)下恢復(fù)電表工作。

程序存儲(chǔ)位置

目標(biāo)代碼應(yīng)該把修正程序放置在閃存的前8KB。Keil? IDE中，可以在項(xiàng)目平臺(tái)更改目標(biāo)程序，選擇<點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵>optionsBL_51 Locate TabCode Space。演示程序中，該指令置于存儲(chǔ)器盡可能低的位置：

?C_C51STARTUP,?PR?_?PLL_ISR?BATMODES_20,?PR?_?BATMODE_CHANGE?BATMODES_20,

?C_C51STARTUP包含演示程序的啟動(dòng)代碼。

?PR?_?PLL_ISR?BATMODES_20SAFE,?PR?_?BATMODE_CHANGE?BATMODES_20SAFE執(zhí)行PLL_OK中斷例程時(shí)需要。

PLL_OK中斷

以下程序應(yīng)該置于PLL_OK中斷例程，檢測(cè)到關(guān)斷模式時(shí)運(yùn)行。4.8p mainatmodes_20.c中給出了經(jīng)過(guò)測(cè)試的程序代碼。

?

    extern void trim_test(void) small reentrant;

    EA = 0;
    CONFIG0 = 0;        // Make sure we are running as fast as we can.
    IFLAGS = (~IE_PLLFALL_) & (~IE_PLLRISE_);  // force an edge to occur

    WAKE = 0x81;        // force a wake timer wake if sleep is forced

    trim_test();        // From start-up code.

?

啟動(dòng)程序

以下啟動(dòng)程序用來(lái)替代startup.a51，Maxim提供經(jīng)過(guò)測(cè)試的軟件代碼(4.8p演示軟件中，啟動(dòng)程序位于utilstartup_n_safe.a51)，以下列出了程序代碼。

第一次在工廠運(yùn)行程序時(shí)，微調(diào)寄存器的內(nèi)容被復(fù)制到閃存內(nèi)。之后，對(duì)微調(diào)寄存器進(jìn)行測(cè)試。一旦測(cè)試中發(fā)生失效，程序?qū)⒑?jiǎn)單地把IC置于休眠模式，然后重新讀取微調(diào)數(shù)據(jù)。喚醒器件操作后，IC會(huì)自動(dòng)讀取微調(diào)“保險(xiǎn)絲”內(nèi)的數(shù)值。復(fù)位期間調(diào)用保險(xiǎn)絲測(cè)試程序，將重新讀取微調(diào)“保險(xiǎn)絲”的數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正。

?

;/***************************************************************************
; * This code and information is provided "as is" without warranty of any   *
; * kind, either expressed or implied, including but not limited to the     *
; * implied warranties of merchantability and/or fitness for a particular   *
; * purpose.                                                                *
; *                                                                         *
; * Copyright (C) 2011 Maxim Integrated Products, Inc. All Rights Reserved. *
; ***************************************************************************/
;//**************************************************************************
;//    
;//  DESCRIPTION: 71M652x POWER METER - STARTUP Code.
;//
;//**************************************************************************
;//               
;// File: STARTUP_N_SAFE.A51.
;//               
$NOMOD51
;------------------------------------------------------------------------------
;  This file is part of the C51 Compiler package
;  Copyright (c) 1988-2002 Keil Elektronik GmbH and Keil Software, Inc.
;------------------------------------------------------------------------------
;  STARTUP.A51:  This code is executed after processor reset.
;
;  To translate this file use A51 with the following invocation:
;
;     A51 STARTUP_N_SAFE.A51
;
;  To link the modified STARTUP_N_SAFE.OBJ file to your application use the following
;  BL51 invocation:
;
;     BL51 , STARTUP_N_SAFE.OBJ 
;
;------------------------------------------------------------------------------
;
;  User-defined Power-On Initialization of Memory
;  With the following EQU statements the initialization of memory
;  at processor reset can be defined:
;
;               ; the absolute start-address of IDATA memory is always 0
IDATALEN        EQU     100H    ; the length of IDATA memory in bytes.
;
XDATASTART      EQU     0H      ; the absolute start-address of XDATA memory
XDATALEN        EQU     000H    ; the length of XDATA memory in bytes.
;
PDATASTART      EQU     0H      ; the absolute start-address of PDATA memory
PDATALEN        EQU     0H      ; the length of PDATA memory in bytes.
;
;  Notes:  The IDATA space overlaps physically the DATA and BIT areas of the
;          8051 CPU. At minimum the memory space occupied from the C51 
;          run-time routines must be set to zero.
;------------------------------------------------------------------------------
;
;  Reentrant Stack Initialization
;
;  The following EQU statements define the stack pointer for reentrant
;  functions and initialized it:
;
;  Stack Space for reentrant functions in the SMALL model.
IBPSTACK        EQU     1       ; set to 1 if small reentrant is used.
IBPSTACKTOP     EQU     0FFH+1  ; set top of stack to highest location+1.
;
;  Stack Space for reentrant functions in the LARGE model.      
XBPSTACK        EQU     0       ; set to 1 if large reentrant is used.
XBPSTACKTOP     EQU     07FFH+1; set top of stack to highest location+1.
;
;  Stack Space for reentrant functions in the COMPACT model.    
PBPSTACK        EQU     0       ; set to 1 if compact reentrant is used.
PBPSTACKTOP     EQU     07FFH+1; set top of stack to highest location+1.
;
;------------------------------------------------------------------------------
;  Page Definition for Using the Compact Model with 64 KByte xdata RAM
;
;  The following EQU statements define the xdata page used for pdata
;  variables. The EQU PPAGE must conform with the PPAGE control used
;  in the linker invocation.
;
PPAGEENABLE     EQU     1       ; set to 1 if pdata object are used.
;
PPAGE           EQU     7       ; define PPAGE number.
                PUBLIC  PPAGE_SFR
PPAGE_SFR       DATA    0BFH    ; SFR that supplies uppermost address byte
;               (most 8051 variants use P2 as uppermost address byte)
;------------------------------------------------------------------------------

; Switch to M6520 when chip is available. 

; Standard SFR Symbols 
ACC     DATA    0E0H
B       DATA    0F0H
SP      DATA    81H
DPL     DATA    82H
DPH     DATA    83H
USER1   DATA    90H
DIR1    DATA    91H
FCTRL   DATA    0B2H
IPH     DATA    0B9H
IPL     DATA    0A9H
IRCON   DATA    0C0H
IEN0    DATA    0A8H
IEN1    DATA    0B8H

                NAME    ?C_STARTUP

?C_C51STARTUP   SEGMENT   CODE
?STACK          SEGMENT   IDATA

                RSEG    ?STACK
                DS      1

                EXTRN CODE (?C_START)
                PUBLIC  ?C_STARTUP
                PUBLIC  _?TRIM_TEST

                CSEG    AT      0
?C_STARTUP:     LJMP    STARTUP1
                RSEG    ?C_C51STARTUP
STARTUP1:
                CLR     IEN0^7          ; Disable interrupts
; To enable secure mode, remove the semicolon of the next line
;                ORL    FCTRL,#40H       ; set secure bit
                MOV     0E8h,#0FFh      ; Refresh nonmaskable watchdog.

; Set system interrupt priorities; more frequent are higher priority.
                MOV     IPH,#01DH       ; From code in options_gbl.h, main.c
                MOV     IPL,#00AH       ; From code in options_gbl.h
; Clear PLL_OK interrupt (bit3), and others
                MOV     IRCON,#0
; Enable PLL_OK interrupt
                MOV     DPTR,#2007H     ; Set EX_PLL
                MOV     A,#20H
                MOVX    @DPTR,A
; Enable interrupts
                MOV     IEN1,#08H       ; Enable INT4, the PLL_OK interrupt
                MOV     IEN0,#80H       ; Enable all interrupts

                ACALL   _?TRIM_TEST       ; Test 6521's trims

IF IDATALEN <> 0
                MOV     R0,#IDATALEN - 1
                CLR     A
IDATALOOP:      MOV     @R0,A
                DJNZ    R0,IDATALOOP
ENDIF

IF XDATALEN <> 0
                MOV     DPTR,#XDATASTART
                MOV     R7,#LOW (XDATALEN)
  IF (LOW (XDATALEN)) <> 0
                MOV     R6,#(HIGH (XDATALEN)) +1
  ELSE
                MOV     R6,#HIGH (XDATALEN)
  ENDIF
                CLR     A
XDATALOOP:      MOVX    @DPTR,A
                INC     DPTR
                DJNZ    R7,XDATALOOP
                DJNZ    R6,XDATALOOP
ENDIF

IF PPAGEENABLE <> 0
                MOV     PPAGE_SFR,#PPAGE
ENDIF

IF PDATALEN <> 0
                MOV     R0,#LOW (PDATASTART)
                MOV     R7,#LOW (PDATALEN)
                CLR     A
PDATALOOP:      MOVX    @R0,A
                INC     R0
                DJNZ    R7,PDATALOOP
ENDIF

IF IBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_IBP)
                MOV     ?C_IBP,#LOW IBPSTACKTOP
ENDIF

IF XBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_XBP)
                MOV     ?C_XBP,#HIGH XBPSTACKTOP
                MOV     ?C_XBP+1,#LOW XBPSTACKTOP
ENDIF

IF PBPSTACK <> 0
EXTRN DATA (?C_PBP)
                MOV     ?C_PBP,#LOW PBPSTACKTOP
ENDIF

                MOV     SP,#?STACK-1
                LJMP    ?C_START

; Read a trim whose index is in A. Return the trim in A.
                CSEG    AT 100H
FUSE_TABLE: 
                DB      0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff

; Trim test. Prefix "_?" tells Keil C it's reentrant.
_?TRIM_TEST:
                PUSH    IEN0
                PUSH    PSW             ; Save registers, so it's reentrant.
                MOV     PSW,00H         ; Select registers before saving them
                PUSH    DPL
                PUSH    DPH
                PUSH    ACC
                MOV     A,R7            ; Save R7 from the current register set.
                PUSH    ACC
                MOV     A,R6            ; Save R6 from the current register set.
                PUSH    ACC
                
                CLR     IEN0.7

; Wait for all fuses to be read once before checking fuses
; Complete fuse read takes 45 xtal clock cycles (1 fuse per xtal clock)
                MOV     R7,#21          ; Wait 21x4 = 48 cycles
loop_inner:     DJNZ    R7,loop_inner   ; 4 cycles (in brownout, 1 cycle/clk) 

                mov     DPH, #HIGH(FUSE_TABLE)

fuse_test_frst: ; check if values previously stored
                mov     DPL,#LOW(FUSE_TABLE)      
                clr     a
                movc    a,@a+dptr       ; read fuse table
                xrl     a,#55H
                jnz     fuse_save

                MOV     DPTR,#2003H     ; Check if in brownout mode
                MOVX    A,@DPTR
                JB      ACC.6,PASS      ; Mission mode, so don't check.                
fuse_test:
                mov     r7,#8           ; byte counter
fuse_test_lp1:
                mov     DPTR,#FUSE_TABLE    ; load pointer to fuse table
                mov     a,r7
                movc    a,@a+dptr       ; read fuse table
                mov     r6,a

                mov     a,r7 
            
                MOV     DPTR,#20FDH     ; TRIMSEL address
                MOVX    @DPTR,A         ; load reg to read trim
                MOV     DPL,#0FFH       ; TRIM value address

                MOVX    A,@DPTR         ; Get trim value

                cjne    a,06H,FAIL      ; test if flash read and trim ==
                djnz    r7,fuse_test_lp1
            
                JMP     PASS
fuse_save:
                MOV     DPTR,#2003H     ; Check if in brownout mode
                MOVX    A,@DPTR
                ; If brownout mode, don't save them and enter sleep.
                JNB     ACC.6,FAIL

            ;   mov     84H,#LOW(FUSE_TABLE)
                mov     r7,#8           ; byte counter
fuse_save_lp1:
                mov     a,r7 
            
                MOV     DPTR,#20FDH     ; TRIMSEL address
                MOVX    @DPTR,A         ; load reg to read trim
                MOV     DPL,#0FFH       ; TRIM value address

                MOVX    A,@DPTR         ; Get trim value
                mov     r6,a

                mov     a,r7 
                mov     dptr,#FUSE_TABLE
                add     a,DPL
                mov     DPL,a
                mov     a,r6

                orl     0B2H,#01H       ; set to flash write
                movx    @dptr,a         ; write fuse table byte
                djnz    r7,fuse_save_lp1

                mov     a,#55H          ; control byte to mark 

                mov     dptr,#FUSE_TABLE
                orl     0B2H,#01H       ; set to flash write
                movx    @dptr,a         ; write fuse table byte

                jmp     PASS

FAIL:
                MOV     DPTR,#20A9H     ; WAKE address
                MOV     A,#0C1H         ; SLEEP forces wake and fuse re-read
                MOVX    @DPTR,A

PASS:           CLR     A               ; Select 0
                MOV     DPTR,#20FDH     ; TRIMSEL address
                MOVX    @DPTR,A         ; clear trim select register.

                POP     ACC
                MOV     R6,A            ; Restore R7 in this register set
                POP     ACC
                MOV     R7,A            ; Restore R7 in this register set
                POP     ACC
                POP     DPH
                POP     DPL
                POP     PSW             ; Restore registers, so it's reentrant.
                POP     IEN0
                RET

                END

?

RTC例程

復(fù)位后，軟件不應(yīng)該馬上調(diào)節(jié)時(shí)鐘修正休眠模式下時(shí)差，而是首先計(jì)算需要消除的時(shí)間偏差，然會(huì)設(shè)置時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償。