基于I2C串行通信的EEPROM在电视产品中设计与应用

近年来，数字化电视技术迅猛发展，特别是遥控系统的面市，各厂商在电视机中加人微处理器(MCU)，各种人工智能化彩电完全替代了老式电视手动(机械式)控制和记忆方式。随着电视专用MCU功能日益强大，用户使用的功能日趋丰富，所需存储的数据和刷新速度不断提高，先后涌现出各种型号和规格的存储器。目前，电视机中应用最为广泛的是E2PROM。  

因为E2PROM保存着大量与电视机工作状态密切相关的数据，其可靠性就遥控电视而言至关重要，视为第二核心器件。E2PROM与第一核心器件(MCU)保持通信，并存储电视机的工作信息。有时由于存储数据的丢失造成重大损失，甚至导致数据无法修复。因此，在电视系统中，对于系统数据和用户数据的存储一般采用电可擦除存储器E2PROM。E2PROM具有操作简便、数据存储时间长、存储温度范围广、可擦写次数多等优点。以ATMEL公司推出的AT24CXX系列为代表的串口通信E2PROM，以其质量可靠、接口简单等优点，逐渐成为电视产品设计中E2PROM的首选器件。  

2 AT24CXX系列简介  

与并行通信存储器相比，串行通信存储器以其占用很少的资源和I／O总线、体积小等优点而应用广泛。典型的串行通信E2PROM AT24CXX是I2C总线串行器件，具有工作电源宽(1.8～5.5 V)，抗干扰能力强f输入引脚内置施密特触发器滤波抑制噪声)，功耗低(写状态时最大工作电流3 mA)，高可靠性(写次数100万次，数据保存100年)，支持在线编程等特点。  

图1给出AT24CXX的内部结构框图，SDA引脚可实现双向串行数据传输，在SCL引脚输入时钟信号的上升沿将数据送入E2PROM，并在时钟的下降沿将数据读出。  


  

根据存储器空间地址的大小，AT24CXX分为C02／2K、C04／4K、C08(A)／8K、C16／16K等多种版本，各版本器件除存储空间不同外，其内部性能基本一致，用户可根据实际使用的条件合理选择相应器件。A2、A1和A0引脚为AT24CXX的硬件连接的器件地址输入引脚。一条总线上最多可挂接8个AT24C02或4个AT24C04或2个AT24C08(A)或1个AT24C16。  

另外，AT24CXX系列器件具有用于硬件数据写保护功能引脚。当该引脚接低电平时，允许器件正常读／写操作；当该引脚接高电平时，器件启动写保护功能。各版本器件的写保护功能说明及存储结构如表1所示。  


  

3 AT24CXX在彩电中的设计及应用  

虽然AT24CXX外围引脚和元件数很少，接口电路简单，但在实际CRT彩电应用中，由于电视机内存在高压跳火等干扰信号，E2PROM会出现一些“怪”现象，导致电视机工作异常。以下给出导致电视机异常工作的主要现象。  

3.1 非人为因素改变E2PROM部分数据  

这种现象表现为电视机的工作状态在某次开机后工作异常。如果在发现异常后无任何处理，将在一段时间内保持异常状态。最常见现象如系统关键数据(行、场数据)的突变，这种现象一般是由开机时显像管打火或其他原因导致I2C总线数据线工作异常产生的误操作。出现这种现象时，如果在工厂菜单或用户菜单里根据标准数据调整这些突变的数据，则可以纠正解决；如果这些突变的数据无法调整，则必须采取软件复位、E2PROM赋初始值等方法解决。  

从硬件上预防这种现象的方法大多是在I2C总线的SDA、SCL数据线靠近E2PROM引脚处，与地线间加稳压二极管，从而起到保护总线端口的作用，如图2中的VD1、VD2。根据长期产品跟踪的结果表明，采用此方法E2PROM数据出错率小于3‰。但是此方法只能减小寄存器数据出错率，而不能从根本上消除数据出错，但一般也不会导致E2PROM相应数据区域物理损坏。这种方法的优点是简单易行，几乎不占用器件资源。  


  

目前最科学的方法是利用E2PROM的写保护功能，AT24C08A的第7引脚是数据通信写保护引脚WP(低电平有效)，将其与MCU处理器I／O接口连接，如图3所示。在E2PROM写操作期间，MCU处理器I／O接口输出低电平，E2PROM允许I2C总线写入数据，而在其他操作过程中，该I／O接口输出高电平，E2PROM不允许I2C总线写入数据。此方法成本低(省去两个稳压二极管)，出错率更低，但需软件支持。根据统计，使用E2FROM写保护功能，数据出错率小于1‰。如果同时使用上述这两种方法，E2PROM数据出错率则更低，效果更佳。  


  

3.2 E2PROM部分区域物理损坏  

常温下，短期内不会产生E2PROM部分区域物理损坏的现象。由于E2PROM在常温下的可擦写100万次。但在高温下，E2PROM的可擦写数大大降低。如果高温下频繁对E2PROM进行擦写操作，短期内易导致E2PROM部分区域物理损坏。其表现为特定数据无法正常存储，即使使用烧录器强制烧录也不能恢复。判定E2PROM部分区域物理损坏的方法：用烧录器将E2PROM中每个地址分别置0和1状态，可检查有无区域物理损坏。确认是E2PROM损坏，则必须更换新的E2PROM才能排除电视机的故障。若软件处理不当则引起这种现象。要防止这种情况发生必须从软件着手，从而避免对特定区域频繁操作。典型实例是某高清CRT彩电AFT频率自动跟踪系统及其他一些判别系统的软件设计。以AFT频率自动跟踪系统为例，当环境工作温度及电源电压变化后，高频调谐器会有一定的频率点漂移。软件设计时，频率点偏移后，软件程序应即时记录下新的频率点偏移电压值并将其数值存储到E2PROM指定地址中。高温下，由于相关器件的参数发生变化，频点会随温度升高不断漂移，使E2PROM数据刷新异常频繁，从而导致电视机在高温负荷试验中出现E2PROM物理损坏。在查明原因后，应对该软件进行修改，将实时存储频点数据方式改为频率跟踪掉电存储方式，即只在电视机关机掉电的情况下记录该数据，这样可减少E2PROM数据刷新次数，从而解决上述问题。  

4 结语  

E2PROM作为一种通用存储器件，在设计时往往容易忽视一些对其细节方面的考虑，其中一些问题在设计试制阶段被发现并解决，还有一些问题是要在量产乃至售后一段时间后才暴露出来。因此，完整的现代电子产品系统，更多的是需要依靠软硬件相互配合开发，才能使产品的可靠性到达最佳状态。