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FM3164是RAMTRON公司推出的新一代非易失性鐵電存儲器，采用I2C總線，是集串行存儲器、實時時鐘、看門狗、復位電路、低電壓檢測等多種功能于一體的強大芯片。如果將FM3164應用于火災自動報警系統的報警主機中，則可以解決實現報警信息的快速存儲功能和準確的系統時間，同時也解決了失效和處理器因干擾而死機問題。 1 FM3164的基本結構及內部原理 FM3164采用鐵電晶體材料，這一特殊材料使鐵電存儲器同時擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲的特性。FM3164將非易失FRAM與實時時鐘(RTC)、處理器監控器、非易失性事件計數器、可編程可鎖定的64位ID號和通用比較器相結合。采用先進的0．35μm制造工藝，這些功能通過一個通用I2C接口嵌入到14個引腳的SOIC封裝中，從而取代系統板上的多個元件。存儲器的讀／寫以及其他控制功能都通過工業標準的I2C總線來實現。其內部原理如圖1所示。 A0，A1是器件地址選擇信號(總線可最多連接4個I2C器件)；SCL和SDA是與CPU通信接口，其中SDA是雙向數據端口；PFI是比較器輸入端，輸出結果送到CAL／PFO腳，同時它也是時鐘校正信號輸出端。當電源電壓低于2．5 V時，時鐘供電切換到后備電池。CNT1，CNT2是兩路外部事件計數器的輸入端。 2 FM3164功能 FM3164內有25個特殊功能寄存器SFR。CPU通過I2c總線控制這些寄存器來實現各種功能。FM3164內部功能圖如圖2所示。 2．1 內存操作 FM3164系列產品提供了不同的內存容量，包括4 Kb，16 Kb，64 Kb和256 Kb，該系列產品軟件兼容，所有版本使用一致的兩位字節地址操作內存，存儲器采用鐵電技術制造，可以二線制總線時鐘速度進行讀寫操作，讀寫以字節為單位，寫操作沒有任何延時，而且通過了無限次的讀寫次數。具備其他同類串行存儲器無法比擬的優點。 2．2 處理器檢測功能 FM3164提供兩個基本功能，早期電源失效檢測和防止軟件死鎖的看門狗功能。當電源跌落到預編程動作點VTP以下時，RST引腳被拉低，這將一直保持為低電平，直到電源電壓太低，以致不能維持電路運行。當電源電壓上升到VTP以上時，RST引腳將繼續保持低電平大約100 ms左右，以便在可靠的電壓水平提供足夠的復位時間，當1OO ms時間到后，RST引腳將恢復弱上拉狀態，使系統復位。看門狗計數器同樣能產生一個有效復位信號，看門狗計數器是一個自由運行可編程計數器，通過一個5 位非易失性寄存器，以100 ms步長編程為100 ms～3 s周期，它有兩個控制位：看門狗使能WDE和看門狗復位控制位WR，只有看門狗使能并且計數器超時后，復位信號才有效。 2．3 買時時鐘操作 實時時鐘(RTC)可以用電池或者電容作為后備電源，它提供了軟件校準功能，以便提供更高的精度。實時時鐘包括一個晶振，時鐘分頻器和供用戶訪問的寄存器系統。它分割32．768 Hz的時基信號，以提供1 s的分辨率，靜態寄存器為用戶提供了對時間的讀寫訪問，寄存器包括秒、分鐘、小時、星期、月、年。時間寄存器通過位于00H中的R，W位與時間內核同步，將R位從0改變為1時，時間信息從內核轉入保持寄存器中，以供用戶讀取，R位用于讀時間。設置位W為1將使用戶寄存器凍結，將它清除為0，使得用戶寄存器中的值被裝載進時間內核。W位用于設置新的時間值，用戶必須確保不將非法值寫入寄存器，除了寄存器被凍結期間以外，時間值可以被連續更新。 2．4 時鐘校準 當寄存器00H中的CAL位設置為1時，時鐘進入校準模式。當進入校準模式后，CAL／PFO輸出管腳用于校準功能，比較器輸出暫時無效。時鐘校準操作是通過晶振偏移對計數器進行數據修正進行的。在CAL模式，CAL／PFO管腳輸出512 Hz的方波，任何有規律的偏離512 Hz的頻率誤差都被轉換為時鐘誤差，用戶將此誤差轉換為PPM格式，并將適當的修正值寫入校準寄存器。時鐘校準有關的因素列在圖3中，正PPM誤差需要負調整，以減少脈沖；負PPM誤差需要正調整，以增加脈沖。正PPM調整需要將CALS位設置為1，負PPM調整將CLAS位設置為0。校準后，在校準溫度下時鐘的最高精度可以達到±2．17PPM或者每月±0．09分鐘。校準設置存儲在FRAM中，因此即使后備電源失效也不會丟失，設置值位于寄存器01H 的CA L．4-0，此值僅在CAL位設置為1時才可以進行寫入，為了退出校準模式，用戶必須將CAL位設置為0，此時CAL／PFO管腳恢復比較輸出功能。 2．5 事件計數器 FM3164有2個后備電池支持的16位事件計數器(或1個32位的事件計數器)，位于寄存器0DH～1OH中。CIN1和CIN2是事件計數器信號輸入端，計數采用可編程邊沿觸發方式，若0CH地址的C1P位置1，則CIN1采用上升沿觸發，否則采用下降沿觸發。C2P控制CIN2。 3 FM3164的工作過程 FM3164作為從機，集成了兩個功能不同的部件，每個部件都可以被獨立訪問。一個是存儲器，訪問時從機地址的位7～4必須被設置為1010B；若要訪問實時時鐘／處理器等，則從機地址的位7～4必須被設置為1101B。該器件采用二線制的I2C接口，二線協議由SDA和SCL兩個引腳的狀態確定。共有四種狀態：開始、停止、數據傳輸及應答。I2C總線通信基本格式如圖4所示。 FM3164嚴格按I2C總線的時序和數據格式操作，其訪問操作過程可描述為如下步驟：啟動→從機地址→應答→目標地址→應答→(啟動→從機地址→應答)→數據(單或多字節)→應答→停止(從機地址中包含了讀寫命令，括號中的步驟為當前地址讀和連續地址讀命令所特有的)。 4 FM3164在火災自動報警控制器中的應用 在現代大中型城市的高層建筑、公共場所、地下設施、現代化廠區等重要建筑和設施的建設和管理中，國家消防規范要求都必須安裝獨立的火災報警系統。火災報警系統快速、安全、可靠、準確地運行至關重要。時鐘器件和信息存儲器作為報警主機中最為關鍵的部分，如果采用當前最新工藝技術的鐵電非易失性存儲器FM3164，則可以實現報警信息的快速存儲功能和保證準確的系統時間，同時也解決了電源電壓失效和處理器因干擾而死機問題。 4．1 硬件原理 火災自動報警控制器采用STC89C54RD+單片機，FM3164作為信息存儲單元通過SCL和SDA與單片機進行通信，由于單片機沒有I2C總線接口，所以任取2個I／O口模擬。實時時鐘在Vcc掉電以后自動切換到后備電源。電源通過電阻分壓連接到比較器輸入口PFI，當VCC低于3．7 V時，比較器輸出PFO由高電平變為低電平，當PFO接到單片機的外部中斷口，CPU產生中斷，完成掉電保護功能。FM3164工作原理圖如圖5所示。 4．2 程序設計 5 結 語 本文詳細全面地介紹了FM3164系列芯片鐵電存儲器的功能原理和使用方法，給出了通用的硬件電路和部分控制程序。FM3164系列芯片以其強大的功能和性能代替普通的串行存儲器和時鐘芯片，將在嵌入式控制系統中越來越多地被采用。 |
