铁电存储器及其在电表存储中的应用
时间：06-28
来源：中电网
点击：
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：
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。
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。
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：
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。
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。