鐵電存儲器FM25640及其在電表數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)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(yīng)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缺陷。其中SRAM加后備電池的方法增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時由于加了電池又降低了系統(tǒng)的可靠性；而EEPROM的可擦寫次數(shù)較少(約10萬次)，且寫操作時間較長(約10 ms)；而NVRAM的價格問題又限制了它的普及應(yīng)用。因此，工程人員在設(shè)計(jì)電能表的存儲模塊時，往往要花很大的精力來完善方案，才能使電表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的寫入存儲器中。鑒于以上情況，越來越多的設(shè)計(jì)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突出的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)讀寫速度快。串口FRAM的時鐘速度可達(dá)20 MHz，并口FRAM的訪問速度達(dá)70 ns，幾乎無須任何的寫入等待時間，可認(rèn)為是實(shí)時寫入，所以不用擔(dān)心掉電后數(shù)據(jù)會丟失；

　　(2)擦寫次數(shù)多。一般認(rèn)為FRAM的擦寫次數(shù)為100億次，而最新的鐵電存儲器的寫入次數(shù)可達(dá)一億億次，這幾乎可以認(rèn)為是無限次；

　　(3)超低功耗。FRAM的靜態(tài)工作電流小于10μA，讀寫電流小于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。而串行FRAM由于可節(jié)省大量的管腳而得到更為廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，串行接口FRAM又分為I2C和SPI兩種接口。經(jīng)過多方比較，本設(shè)計(jì)選擇帶有SPI接口的FM25640來進(jìn)行說明。

　　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(jié)構(gòu)容量為8192×8位，具有100億次的讀寫次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)可保持10年。該器件支持SPI的模式0&3，最大可達(dá)到5 MHz的總線速度，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(dāng)它為高電平時，所有的輸出處于高阻態(tài)，芯片忽略其它輸入；當(dāng)它為低電平時，芯片功能開啟，并根據(jù)SCK的信號而動作。

　　SO：串行輸出。數(shù)據(jù)輸出引腳。

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

　　VSS：電源地。

　　SI：串行輸入。數(shù)據(jù)輸入引腳。

　　SCK：串行時鐘。

　　HOLD：保持端口，低電平有效。當(dāng)SCK為低電平且該腳亦為低電平時，暫停當(dāng)前的操作。而當(dāng)SCK為低電平而HOLD為高電平時，則恢復(fù)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。在通過它來進(jìn)行串行通信時，其最大可以達(dá)到5 MHz的操作速度。

　　SPI接口是一種時鐘和數(shù)據(jù)同步的串行接口，應(yīng)使用SO、SI、SCK、CS四個引腳，可與任何具有SPI接口的MCU直接連接。對于沒有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(dāng)然，也可以選擇其它帶有I2C總線接口和并口的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，F(xiàn)M25640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(shù)據(jù)可在時鐘的上升沿移進(jìn)FM25640，而且數(shù)據(jù)一般出現(xiàn)在CS有效后的第一個時鐘的上升沿。因此，如果時鐘從高電平開始，將不能產(chǎn)生第一個有效的上升沿而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。數(shù)據(jù)傳輸時，所有移進(jìn)和移出FM25640的數(shù)據(jù)都是8位為一組，它們與時鐘信號同步，最高有效位(MSB)在前，串行數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿移進(jìn)，并在時鐘的下降沿移出。FM25640在SPI方式0和SPI方式3時的操作時序如圖2所示。

　　SPI接口是通過操作指令來控制的，F(xiàn)M25640的操作指令集如表1所列，該指令集共有6條指令。當(dāng)有效后，第一個傳輸?shù)淖止?jié)就是操作指令，緊跟著操作指令之后的是兩字節(jié)的地址，該地址共16位，其中高三位不起作用，后13位則指定了一個唯一的地址。地址后面為所要寫入的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)多于1個，則第一個數(shù)據(jù)之后的數(shù)據(jù)存儲地址由FM25640自動按順序增加。如果地址到達(dá)最高地址1FFFH，地址計(jì)數(shù)器將重新置為0000H。