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在電子技術日新月異、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，同時由于加了電池又降低了系統的可靠性；而EEPROM的可擦寫次數較少(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用。因此，工程人員在設計電能表的存儲模塊時，往往要花很大的精力來完善方案，才能使電表數據準確無誤的寫入存儲器中。鑒于以上情況，越來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突出的優點： (1)讀寫速度快。串口FRAM的時鐘速度可達20 MHz，并口FRAM的訪問速度達70 ns，幾乎無須任何的寫入等待時間，可認為是實時寫入，所以不用擔心掉電后數據會丟失； (2)擦寫次數多。一般認為FRAM的擦寫次數為100億次，而最新的鐵電存儲器的寫入次數可達一億億次，這幾乎可以認為是無限次； (3)超低功耗。FRAM的靜態工作電流小于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由于可節省大量的管腳而得到更為廣泛的應用。實際上，串行接口FRAM又分為I2C和SPI兩種接口。經過多方比較，本設計選擇帶有SPI接口的FM25640來進行說明。 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，結構容量為8192×8位，具有100億次的讀寫次數，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的總線速度，采用8腳SOP或DIP封裝。 1.2 引腳功能 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，所有的輸出處于高阻態，芯片忽略其它輸入；當它為低電平時，芯片功能開啟，并根據SCK的信號而動作。 SO：串行輸出。數據輸出引腳。 WP：寫保護，低電平有效時，將阻止向狀態寄存器進行寫操作。 VSS：電源地。 SI：串行輸入。數據輸入引腳。 SCK：串行時鐘。 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，暫停當前的操作。而當SCK為低電平而HOLD為高電平時，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。在通過它來進行串行通信時，其最大可以達到5 MHz的操作速度。 SPI接口是一種時鐘和數據同步的串行接口，應使用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，當然，也可以選擇其它帶有I2C總線接口和并口的FRAM產品。 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，數據可在時鐘的上升沿移進FM25640，而且數據一般出現在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，將不能產生第一個有效的上升沿而導致數據傳輸失敗。數據傳輸時，所有移進和移出FM25640的數據都是8位為一組，它們與時鐘信號同步，最高有效位(MSB)在前，串行數據在時鐘的上升沿移進，并在時鐘的下降沿移出。 SPI接口是通過操作指令來控制的，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，第一個傳輸的字節就是操作指令，緊跟著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位則指定了一個唯一的地址。地址后面為所要寫入的數據，若數據多于1個，則第一個數據之后的數據存儲地址由FM25640自動按順序增加。如果地址到達最高地址1FFFH，地址計數器將重新置為0000H。 2 FM25640在電表數據存儲中的應用 2.1 FM25640與MCU的連接電路 本設計中的單片機選擇MOTOROLA公司的MC68HC908LJ12，這是一款適用于電表設計的MCU，內含12KBFlash存儲器并可在線編程。同時還具有一個帶有紅外功能的串行通信接口SCI，一個高速SPI，8個鍵盤輸入中斷，以及內部LCD驅動模塊，因而節省了外掛液晶驅動芯片。系統中的電能計量芯片則選擇美國ADI公司的三相電能計量芯片ADE7758，該芯片精確度高，可以提供有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值和電流有效值等多項數據，具有兩路脈沖輸出，同時也帶有SPI串口。由于SPI接口可支持多個器件掛在同一個總線上，并可通過片選信號區分每一個器件，因此，將FM25640和ADE7758都通過SPI接口與單片機MC68HC908LJ12相連，并將MC68HC908LJ12的兩個I／O口PTA4、PTA5分別與FM25640和ADE7758的片選端CS相連接，就可以實現片選。 2.2 工作過程 本電表系統上電復位后，首先將進行一系列的初始化操作，包括單片機MC68HC908LJ12的時鐘發生模塊CGM的寄存器設置、系統時鐘的選擇、I／O口輸入輸出的設置、SPI的兩個控制寄存器SPCR和SPSCR的初始化、以及開中斷允許等。然后再進行ADE7758的模式設置。在這些初始化工作完成后，ADE7758便開始將檢測到的各個電能數據存放在相應的內部寄存器中。單片機通過I／O口PTA4給ADE7758的CS端一個低電平，即可選中ADE7758，之后再由ADE7758乎電能數據通過SPI接口傳輸到單片機MC68HC908LJ12的RAM中。單片機在對數據進行處理后，再通過I／O口PTA5給FM25640的CS端一個低電平，以選中FM25640，同時調用FM25640寫數據子程序，并將數據存儲到FM25640中。然后每隔一分鐘，MC68HC908LJ12便發出一次更新數據的命令，并重復上述過程。由于每隔一分鐘更新一次數據，這樣，一年365天的擦寫次數為1×60×24×365，即525600次，而FM25640的擦寫次數達100億次，這樣計算，FM25640可以工作的年數為19025年!因此，如果系統要求更高的實時性，則完全可以縮短更新數據的周期，而FM25640出色的擦寫性能完全可以滿足要求。另外，也不必擔心數據傳輸過程中掉電時數據的丟失，因為FM25640幾乎可以認為是實時寫入，無須任何等待時間，從而保證了系統具有很高的可靠性。 3 軟件設計 通過FM25640的硬件SPI接口可極大地方便其軟件程序的編寫。 在對FM25640寫數據時。首先需要送WREN指令，因為FM25640上電后的初始狀態為禁止寫操作，故應發送WREN指令以允許寫操作。下一個執行的指令是WRITE指令，它包括指令碼、地址以及所要寫入的數據。對FM25640讀數據的過程與寫數據類似，只是在讀操作之前不需要再先送WREN指令。 4 結束語 本文介紹了FM25640的主要特性和使用方法，著重討論了它在電表數據存儲中應用。由于鐵電存儲器在數據存儲方面的出色性能，它不僅可以用于電表的數據存儲，而且可以應用在大量的現代儀器儀表中(如水表、煤氣表、門禁系統、醫療設備、自動取款機、汽車記錄儀、工業儀器等等)。隨著時間的推移和鐵電存儲器自身的發展，我們完全有理由相信，這種存儲器必將得到越來越廣泛的應用。 |
