鐵電存儲器FM25640及其在電表數據存儲中的應用

　　0 引言

　　在電子技術(shù)日新月異、新型多功能電能表層出不窮的今天，電能表中存儲器的選擇也是多種多樣，存儲器的好壞直接關(guān)系到電能表的正常使用和測量精度。目前應用最多的方案仍是SRAM加后備電池、EEPROM、NVRAM這三種。但這三種方案均存在著(zhù)缺陷。其中SRAM加后備電池的方法增加了硬件設計的復雜性，同時(shí)由于加了電池又降低了系統的可靠性；而EEPROM的可擦寫(xiě)次數較少(約10萬(wàn)次)，且寫(xiě)操作時(shí)間較長(cháng)(約10 ms)；而NVRAM的價(jià)格問(wèn)題又限制了它的普及應用。因此，工程人員在設計電能表的存儲模塊時(shí)，往往要花很大的精力來(lái)完善方案，才能使電表數據準確無(wú)誤的寫(xiě)入存儲器中。鑒于以上情況，越來(lái)越多的設計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)讀寫(xiě)速度快。串口FRAM的時(shí)鐘速度可達20 MHz，并口FRAM的訪(fǎng)問(wèn)速度達70 ns，幾乎無(wú)須任何的寫(xiě)入等待時(shí)間，可認為是實(shí)時(shí)寫(xiě)入，所以不用擔心掉電后數據會(huì )丟失；

　　(2)擦寫(xiě)次數多。一般認為FRAM的擦寫(xiě)次數為100億次，而最新的鐵電存儲器的寫(xiě)入次數可達一億億次，這幾乎可以認為是無(wú)限次；

　　(3)超低功耗。FRAM的靜態(tài)工作電流小于10μA，讀寫(xiě)電流小于150μA。

　　目前，鐵電存儲器的主要生產(chǎn)商Ramtron公司的FRAM主要包括串行FRAM和并行FRAM兩大類(lèi)。而串行FRAM由于可節省大量的管腳而得到更為廣泛的應用。實(shí)際上，串行接口FRAM又分為I2C和SPI兩種接口。經(jīng)過(guò)多方比較，本設計選擇帶有SPI接口的FM25640來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

　　1 FM25640芯片介紹

　　1.1 FM25640的主要特性

　　FM25640為64Kb的非易失性鐵電存儲器，結構容量為8192×8位，具有100億次的讀寫(xiě)次數，掉電數據可保持10年。該器件支持SPI的模式0&3，最大可達到5 MHz的總線(xiàn)速度，采用8腳SOP或DIP封裝。

　　1.2 引腳功能

　　FM25640的引腳圖如圖1所示。各引腳的具體功能如下：

　　CS：片選，低電平有效。當它為高電平時(shí)，所有的輸出處于高阻態(tài)，芯片忽略其它輸入；當它為低電平時(shí)，芯片功能開(kāi)啟，并根據SCK的信號而動(dòng)作。

　　SO：串行輸出。數據輸出引腳。

　　WP：寫(xiě)保護，低電平有效時(shí)，將阻止向狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作。

　　VSS：電源地。

　　SI：串行輸入。數據輸入引腳。

　　SCK：串行時(shí)鐘。

　　HOLD：保持端口，低電平有效。當SCK為低電平且該腳亦為低電平時(shí)，暫停當前的操作。而當SCK為低電平而HOLD為高電平時(shí)，則恢復被暫停的操作。

　　VDD：5 V引腳電源。

　　1.3 SPI接口

　　FM25640帶有高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口。在通過(guò)它來(lái)進(jìn)行串行通信時(shí)，其最大可以達到5 MHz的操作速度。

　　SPI接口是一種時(shí)鐘和數據同步的串行接口，應使用SO、SI、SCK、CS四個(gè)引腳，可與任何具有SPI接口的MCU直接連接。對于沒(méi)有SPI接口的MCU，SPI可以與普通I／O口相連。然后用軟件模擬SPI接口，當然，也可以選擇其它帶有I2C總線(xiàn)接口和并口的FRAM產(chǎn)品。

　　SPI有四種工作方式。分別為方式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)，等兩種方式，數據可在時(shí)鐘的上升沿移進(jìn)FM25640，而且數據一般出現在CS有效后的第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿。因此，如果時(shí)鐘從高電平開(kāi)始，將不能產(chǎn)生第一個(gè)有效的上升沿而導致數據傳輸失敗。數據傳輸時(shí)，所有移進(jìn)和移出FM25640的數據都是8位為一組，它們與時(shí)鐘信號同步，最高有效位(MSB)在前，串行數據在時(shí)鐘的上升沿移進(jìn)，并在時(shí)鐘的下降沿移出。FM25640在SPI方式0和SPI方式3時(shí)的操作時(shí)序如圖2所示。

　　SPI接口是通過(guò)操作指令來(lái)控制的，FM25640的操作指令集如表1所列，該指令集共有6條指令。當有效后，第一個(gè)傳輸的字節就是操作指令，緊跟著(zhù)操作指令之后的是兩字節的地址，該地址共16位，其中高三位不起作用，后13位則指定了一個(gè)唯一的地址。地址后面為所要寫(xiě)入的數據，若數據多于1個(gè)，則第一個(gè)數據之后的數據存儲地址由FM25640自動(dòng)按順序增加。如果地址到達最高地址1FFFH，地址計數器將重新置為0000H。