如何在掉电过程中储存512字节的数据？

此份文件介绍如何在掉电过程中储存512字节的数据，并使用欠压检测(BOD)功能及外挂电容于VDD管脚上，利用延长放电时间使所需数据能顺利储存在数据内存里，内容包含原理介绍、数据分析以及使用建议。附录提供范例程序以及函式库。
NuMicro® Cortex®-M0/M4全系列，本文以NuMicro® Mini51 DE系列为例。

1 简介
在许多产品设计上都希望有数据保存的功能，在关机时将系统执行中的部分数据储存下来，例
如储存目前模式的设定以及其调整的参数，以便下次开机可用此数据来回复系统为掉电前的状
态。
但在产品使用上总会有突然停电或断电的情况，若突然断电可能来不及储存所需的参数，造成
系统重新上电后必须重新设定模式或参数。因此我们利用欠压检测 (BOD)功能侦测系统是否掉电与VDD外挂电容来延长掉电的时间，并将系统所需之数据储存于数据内存中，即可于掉电期间完成储存数据的动作，使系统再次上电后依然可以维持为掉电前的状态。
本**着重于使用BOD进行电压侦测时，对所需电容值进行分析，并提供范例程序，利于计算出测量储存数据所需时间，以及对应的电容。


2 掉电储存分析
本节将介绍，如何计算储存512字节数据的机制原理，以及储存耗费的时间，并且依据Mini51
的规格书提供之数据，计算掉电后至储存完512字节数据所需外挂电容值。
2.1 机制原理
开启欠压检测 (BOD) 功能，侦测电源是否为掉电状态，进入BOD中断后即开始对数据内存进行数据写入，若储存时间足够，则可以在工作电压之内完成写入。为使系统掉电后有足够时间进行储存，必须在VDD上外接电容，使放电的时间延长至足以储存完数据。
 掉电侦测
NuMicro® Cortex®
-M0/M4全系列皆提供欠压检测 (BOD) 的功能可以用来侦测是否为掉电，
Mini51的BOD可供选择的电压为 4.4 V / 3.7 V / 2.7 V / 2.2 V，我们可依据系统电压来选择，判
定为掉电的电压为多少，当侦测到掉电时，即可开始储存数据至数据内存的工作。
 外挂电容延长掉电后可储存数据时间
由于储存数据至数据内存需要时间，Mini51保证的工作电压在2.5 V ~ 5.5 V，当系统电压下降过快低于2.5V时，其放电时间可能无法储存完需要的数据；当低于2V时，则会产生低电压复位(LVR)，我们可以透过外加电容推迟放电的速度，来改善储存时间不足的情况。
2.2 BOD 电压选取
由于BOD的侦测电压为4.4 V / 3.7 V / 2.7 V / 2.2V，若系统电压为5V，通常BOD选用4.4V来侦
测是否为掉电状态，若BOD选用3.7V来侦测，则储存数据的时间会更少。
2.3 电容值选取
本节介绍如何藉由实验来计算储存完512字节数据所需之外挂电容值
2.3.1 减少所需电容
由Mini51的规格书所提供的表格 2-1可得到，页擦除(Page)耗时20ms，写一个字(Word)耗时60 us，计得写一页512字节需耗时 7.68 ms，所以总计擦除并写一页至少需要约30 ms 的时间，才能保证系统在掉电过程中，将数据储存至数据内存。
由于页擦除的时间较长，若是在系统掉电后才执行页擦除动作，则须要更大的电容。因此当系统上电后先进行页擦除，掉电时就只需要执行写入动作，可大幅减少所需时间与电容量。

2.3.2 计算所需电容
由于Mini51的保证工作电压为2.5 V ~ 5.5 V，所以为了留有多的余量，我们希望可以在2.7 V以
上时，完成储存512字节数据的动作，所需的电容值，与系统电压及耗电流有关，可以透过电
容公式 (Q=CV=It) 计算出来，计算过程如下:
Q：电荷量、C：外挂电容量、V：所选BOD电压减2.7V、I：系统电流、t：储存512字节所
需时间
假设BOD选取4.4 V，则 V = 4.4 V - 2.7 V = 1.7 V
依表格 2-1可得编程电流为 8 mA，则 I = 8 mA、
依表格 2-1可得一个字(Word)的编程时间为 60 us，则 t = 60 × 128 = 7.68 ms

由 It = CV→ 8 mA × 7.68 ms = 1.7 V × C
故 C = 36.14 uF
所以我们可以选择最接近且常用的47 uF作为外挂电容，就可以在掉电时储存完512字节数据，
若有其他负载，可以参考 2.3.3.3 或 2.3.3.4 的计算方法


2.3.3 实验
如表格 2-2，我们将进行五个实验，来观察外挂电容值大小，是否能够成功在掉电时储存完
512字节数据，实验威廉希尔官方网站 板为图2‑2新唐官方所出品的Nutiny-Mini51L与NuTiny-Nano102S，并
移除不需要的负载(Power LED)，实验步骤如下， P0.1用于标示流程进度：
1. 电源供电用示波器量测 VDD电压 (CH1) ，及显示状态用的 P0.1 (CH2，预设输为 1)
2. 当电源断开时，MCU 尚在工作，BOD 侦测电压值是否低于设定值，当符合即进入中断
3. 进入中断后，将 P0.1 设为 0，并且开始进行 512 字节的数据写入动作
4. 当 512 字节的数据写入完成后，将 P0.1 设为 1 并离开中断
5. 当 P0.1 于 VDD下降到 2.7V 前完成 1 → 0 →1，即代表所选取外挂电容的放电时间可以顺利储存完 512 字节数据