铁电存储器及其在电表存储中的应用

0 引言

　　在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。目前应用最多的方案仍是SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM这三种。但这三种方案均存在着缺陷。其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM的可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普及应用。因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个突出的优点：

　　(1)读写速度快。串口FRAM的时钟速度可达20 MHz，并口FRAM的访问速度达70 ns，几乎无须任何的写入等待时间，可认为是实时写入，所以不用担心掉电后数据会丢失；

　　(2)擦写次数多。一般认为FRAM的擦写次数为100亿次，而最新的铁电存储器的写入次数可达一亿亿次，这几乎可以认为是无限次；

　　(3)超低功耗。FRAM的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。

　　目前，铁电存储器的主要生产商Ramtron公司的FRAM主要包括串行FRAM和并行FRAM两大类。而串行FRAM由于可节省大量的管脚而得到更为广泛的应用。实际上，串行接口FRAM又分为I2C和SPI两种接口。经过多方比较，本设计选择带有SPI接口的FM25640来进行说明。

　　1 FM25640芯片介绍

　　1.1 FM25640的主要特性

　　FM25640为64Kb的非易失性铁电存储器，结构容量为8192×8位，具有100亿次的读写次数，掉电数据可保持10年。该器件支持SPI的模式0&3，最大可达到5 MHz的总线速度，采用8脚SOP或DIP封装。

　　1.2 引脚功能

　　FM25640的引脚图如图1所示。各引脚的具体功能如下：

　　CS：片选，低电平有效。当它为高电平时，所有的输出处于高阻态，芯片忽略其它输入；当它为低电平时，芯片功能开启，并根据SCK的信号而动作。

　　SO：串行输出。数据输出引脚。

　　WP：写保护，低电平有效时，将阻止向状态寄存器进行写操作。

　　VSS：电源地。

　　SI：串行输入。数据输入引脚。

　　SCK：串行时钟。

　　HOLD：保持端口，低电平有效。当SCK为低电平且该脚亦为低电平时，暂停当前的操作。而当SCK为低电平而HOLD为高电平时，则恢复被暂停的操作。

　　VDD：5 V引脚电源。

　　1.3 SPI接口

　　FM25640带有高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口。在通过它来进行串行通信时，其最大可以达到5 MHz的操作速度。

　　SPI接口是一种时钟和数据同步的串行接口，应使用SO、SI、SCK、CS四个引脚，可与任何具有SPI接口的MCU直接连接。对于没有SPI接口的MCU，SPI可以与普通I／O口相连。然后用软件模拟SPI接口，当然，也可以选择其它带有I2C总线接口和并口的FRAM产品。

　　SPI有四种工作方式。分别为方式0、方式1、方式2和方式3，FM25640支持其中的方式0(CPOL=0，CPHA=0)和方式3(CPOL=1，CPHA=1)，等两种方式，数据可在时钟的上升沿移进FM25640，而且数据一般出现在CS有效后的第一个时钟的上升沿。因此，如果时钟从高电平开始，将不能产生第一个有效的上升沿而导致数据传输失败。数据传输时，所有移进和移出FM25640的数据都是8位为一组，它们与时钟信号同步，最高有效位(MSB)在前，串行数据在时钟的上升沿移进，并在时钟的下降沿移出。FM25640在SPI方式0和SPI方式3时的操作时序如图2所示。

　　SPI接口是通过操作指令来控制的，FM25640的操作指令集如表1所列，该指令集共有6条指令。当有效后，第一个传输的字节就是操作指令，紧跟着操作指令之后的是两字节的地址，该地址共16位，其中高三位不起作用，后13位则指定了一个唯一的地址。地址后面为所要写入的数据，若数据多于1个，则第一个数据之后的数据存储地址由FM25640自动按顺序增加。如果地址到达最高地址1FFFH，地址计数器将重新置为0000H。

　　2 FM25640在电表数据存储中的应用

　　2.1 FM25640与MCU的连接电路

　　本设计中的单片机选择MOTOROLA公司的MC68HC908LJ12，这是一款适用于电表设计的MCU，内含12KBFlash存储器并可在线编程。同时还具有一个带有红外功能的串行通信接口SCI，一个高速SPI，8个键盘输入中断，以及内部LCD驱动模块，因而节省了外挂液晶驱动芯片。系统中的电能计量芯片则选择美国ADI公司的三相电能计量芯片ADE7758，该芯片精确度高，可以提供有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值等多项数据，具有两路脉冲输出，同时也带有SPI串口。由于SPI接口可支持多个器件挂在同一个总线上，并可通过片选信号区分每一个器件，因此，将FM25640和ADE7758都通过SPI接口与单片机MC68HC908LJ12相连，并将MC68HC908LJ12的两个I／O口PTA4、PTA5分别与FM25640和ADE7758的片选端CS相连接，就可以实现片选。其具体的连接电路如图3所示。

　　2.2 工作过程

　　本电表系统上电复位后，首先将进行一系列的初始化操作，包括单片机MC68HC908LJ12的时钟发生模块CGM的寄存器设置、系统时钟的选择、I／O口输入输出的设置、SPI的两个控制寄存器SPCR和SPSCR的初始化、以及开中断允许等。然后再进行ADE7758的模式设置。在这些初始化工作完成后，ADE7758便开始将检测到的各个电能数据存放在相应的内部寄存器中。单片机通过I／O口PTA4给ADE7758的CS端一个低电平，即可选中ADE7758，之后再由ADE7758乎电能数据通过SPI接口传输到单片机MC68HC908LJ12的RAM中。单片机在对数据进行处理后，再通过I／O口PTA5给FM25640的CS端一个低电平，以选中FM25640，同时调用FM25640写数据子程序，并将数据存储到FM25640中。然后每隔一分钟，MC68HC908LJ12便发出一次更新数据的命令，并重复上述过程。由于每隔一分钟更新一次数据，这样，一年365天的擦写次数为1×60×24×365，即525600次，而FM25640的擦写次数达100亿次，这样计算，FM25640可以工作的年数为19025年!因此，如果系统要求更高的实时性，则完全可以缩短更新数据的周期，而FM25640出色的擦写性能完全可以满足要求。另外，也不必担心数据传输过程中掉电时数据的丢失，因为FM25640几乎可以认为是实时写入，无须任何等待时间，从而保证了系统具有很高的可靠性。

　　3 软件设计

　　通过FM25640的硬件SPI接口可极大地方便其软件程序的编写。

　　在对FM25640写数据时。首先需要送WREN指令，因为FM25640上电后的初始状态为禁止写操作，故应发送WREN指令以允许写操作。下一个执行的指令是WRITE指令，它包括指令码、地址以及所要写入的数据。对FM25640读数据的过程与写数据类似，只是在读操作之前不需要再先送WREN指令。限于篇幅，这里只给出FM25640写数据的子程序：

　　4 结束语

　　本文介绍了FM25640的主要特性和使用方法，着重讨论了它在电表数据存储中应用。由于铁电存储器在数据存储方面的出色性能，它不仅可以用于电表的数据存储，而且可以应用在大量的现代仪器仪表中(如水表、煤气表、门禁系统、医疗设备、自动取款机、汽车记录仪、工业仪器等等)。随着时间的推移和铁电存储器自身的发展，我们完全有理由相信，这种存储器必将得到越来越广泛的应用。