摘要 FM31256是一種基于I2C總線、采用鐵電體技術的多功能存儲芯片。除了非易失存儲器外，該器件還具有實時時鐘、低電壓復位、看門狗計數器、非易失性事件計數器、可鎖定的串行數字標識等多種功能。文章主要介紹了FM31256的基本功能、原理，并結合實例給出了其在電磁鑄軋電源控制裝置中的具體應用方法。
關鍵詞 I2C總線 鐵電體技術 RTC MSP430F
FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系統監控和非易失性鐵電存儲芯片。與其他非易失性存儲器比較，它具有如下優點： 讀/寫速度快，沒有寫等待時間；功耗低，靜態電流小于1 mA，寫入電流小于150 mA；擦寫使用壽命長，芯片的擦寫次數為100億次，比一般的EEPROM存儲器高10萬倍，即使每秒讀/寫30次，也能用10年；讀/寫的無限性，芯片擦寫次數超過100億次后，還能和SRAM一樣讀/寫。
鐵電存儲器(FRAM)的核心技術是鐵電晶體材料。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。本文介紹了FM31256的主要功能，并具體給出了基于嵌入式C語言編寫的存儲器讀/寫程序。
1 FM31256的基本結構及原理
FM31256由256 KB存儲器和處理器配套電路（processor companion）兩部分組成。與一般的采用備份電池保存數據不同，FM31256是真正意義上的非易失（truly nonvolatile）存儲器，并且用戶可以選擇對不同的存儲區域以軟件方式進行寫保護。
FM31256 器件將非易失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。其中，通用比較器可提前在電源故障中斷(NMI)時發揮作用或實現其他用途。采用先進的0.35 μm制造工藝，這些功能通過一個通用接口嵌入到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。
圖1為FM31256的原理圖。其中，SDA和SCL引腳用于與CPU進行數據交換和命令寫入，數據輸出部分均具有施密特觸發器，以提高抗干擾性能；同時，SDA作為二線接口中的雙向信號線，集電極開路輸出，可與二線總線上其他器件進行“線或”。A1～A0為器件地址選擇信號，即總線上可同時使用4個同類器件。正常模式下，PFI引腳分別為比較器的輸入（不可懸空），CAL/PFO引腳輸出PFI引腳的輸入信號與1.2 V參考電壓之間的比較結果；校準模式下，CAL/PFO引腳將輸出512 Hz的方波用于時鐘校準。CNT2～CNT1是通過備份電池支持的事件計數器的兩路輸入端，通過邊沿觸發啟動計數器，觸發沿由用戶自由選擇。
圖1 FM31256原理圖
2 FM31256功能及使用方法
在FM31256中，有25個特殊功能寄存器（SFR）00H～18H。通過對這些功能寄存器進行操作，可以實現各種功能。
2.1 特殊功能寄存器
（1） 實時時鐘和比較器
實時時鐘包括晶體振蕩器、時鐘分頻器和寄存器系統。它分割32.768 Hz的時基信號以提供1 s（1 Hz）的分辨率，寄存器（02H～08H）以BCD格式提供秒、分、時、星期、日、月、年信息，用戶可對其進行讀/寫訪問。啟動時鐘前須將SFR中01H地址的OSCEN位（D7）置位，振蕩器起振；同時將00H地址的R位（D0）置位，可將時鐘數據寫入寄存器用于讀出。若此時正處于時鐘刷新階段，則由于刷新操作優先于寫入寄存器的操作，因而保證了時鐘的準確性。重新設置時鐘時，只須設定00H地址的W位。
FM31256的時鐘精度可通過軟件校準，將00H地址的CAL位（D2）置位，時鐘進入校準模式，比較器輸出512 Hz的頻率信號，并可通過設置01H地址的CAL4～CAL0位（D4～D0）確定校準值。當00H地址的CAL位（D2）為0時，進入比較器模式。
（2） 處理器伴侶
處理器伴侶包括CPU通常需要的功能。系統監測由低電平狀態或看門狗計數溢出的中斷輸出信號。
當系統電源電壓低于設定的閾值或看門狗計數器溢出時，FM31256將輸出低電平復位脈沖，復位信號持續100 ms。改變0BH地址的VTP1～VTP0位（D1～D0），可以設定電平檢測的閾值；改變0AH地址的WDT4～WDT0位（D4～D0），看門狗的溢出時間可以在100 ms到3 s之間選擇，其中0AH地址的WDE位（D7），用于看門狗啟動或停止；09H地址用于監視復位信號來源（看門狗計數器、上電復位或后備電源電壓）以及控制看門狗計數器清零。系統軟件須在要求的時間周期內，向09H地址的WR3～WR0位（D3～D0）寫入1010，使計數器清零。
（3） 事件計數器
FM31256有2個獨立的后備電池支持的16位事件計數器CN1和CN2，位于寄存器0DH～10H中。若將SFR中0CH地址的CC位（D2）置位，則可以組成一個32位的計數器。CIN1和CIN2是事件計數器信號輸入端，在32位計數器模式下CIN2無效。計數采用可編程邊沿觸發方式，若0CH地址的C1P位（D0）置位，則CIN1采用上升沿觸發，否則是下降沿觸發；0CH地址的C2P位（D1）用于控制CIN2。
（4） 串行數據標識區
FM31256的SFR中的11H～18H地址串行標識區中可以保存8字節（64位）數據。該存儲區為非易失性存儲區，可對其進行無限次的讀/寫操作，但如果將0BH地址的SNL位（D7）置位，則不能再對該存儲區進行操作，且這種操作是不可逆的。
2.2 FM31256的讀/寫操作
FM31256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/處理器伴侶，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4種狀態： 開始、停止、數據傳輸及應答。其通信基本格式如圖2所示。
圖2 I2C總線通信基本格式
FM31256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（注： 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)。這里對應答信號作些說明。應答脈沖發生在第8個數據位傳送之后。在這個狀態下，發送方須釋放SDA讓接收方驅動；當接收方發出低電平時，表示正常應答，當發出高電平時，表示無應答。不應答有兩種情況： 一是數據傳送出錯，無應答使發送方終止當前操作，以便重新尋址；二是接收方有意不作應答，以結束當前操作。
在對SFR操作時，首先發送的命令字節為“1 1 0 1 X A1 A0 R/W”，目標地址為單字節范圍（00H～18H）。FM31256的32 KB存儲單元地址為0000H～7FFFH，對其進行操作時，首先發送的命令字節為“1 0 1 0 X A1 A0 R/W”，目標地址長度為雙字節，即RAM區的尋址能力為0～65 535。FM31系列存儲器具有內部地址鎖存和自動累加功能，當對連續地址區進行讀/寫操作時，只須發送存儲區首地址。
3 FM31256在電磁鑄軋電源控制中的應用
將FM31256應用在電磁鑄軋電源控制裝置當中，實現主控系統的看門狗復位、給定參數、實時時鐘及故障記錄保存的功能。
作為一種解決微處理器因干擾而死機問題的有效方法，看門狗的作用是必不可少的。針對控制對象，需要對A、B、C三相控制裝置進行調節，包括設定正弦波的頻率和幅值、反饋系數、PID參數、過流延時、開放延時和關斷延時等；將這些給定的參數及時寫入鐵電存儲器FM31256的存儲單元中，使之掉電后仍能保存。當系統發生故障時，例如控制裝置中晶閘管周圍溫度超過額定溫度，裝置就會發出報警信號，并將發生故障的準確時間、實際溫度值記錄在FM31256的存儲單元中，以便系統查詢；同時，FM31256的事件計數器加1計數。同樣，利用串行標識區可鎖定的功能，可將電磁鑄軋電源控制裝置的序列號寫入其中，非常安全可靠。
3.1 硬件原理
電磁鑄軋電源控制裝置應用FM31256的硬件接口電路如圖3所示。從圖3中可以看出，系統以超低功耗MSP430系列芯片MSP430F149作為控制器；FM31256作為參數存儲單元，與處理器之間采用I2C總線進行通信。由于MSP430F149沒有I2C總線接口，所以任取2個I/O口模擬。實時時鐘在VDD掉電以后自動切換到后備電源VBAK。
圖3 FM31256與MSP430F149的硬件接口電路
32.768 kHz晶振等效于6 pF電容。若將SFR的01H單元對應的OSCEN位設為0，同時置00H單元的CAL位為1，使CAL引腳輸出512 Hz的脈沖信號，則可檢測晶振工作是否正常，因為512 Hz是晶振頻率的64分頻。制PCB板時須注意： X1和X2晶振引腳均為高阻引腳，兩引腳之間的距離須小于5 mm；即使信號位于板內層，也不允許信號線靠近X1和X2引腳。在晶振引腳周圍使用接地保護環，內部或板反面使用接地保護敷銅。
3.2 存儲區訪問程序設計
對FM31256存儲器訪問操作過程中，微處理器處于主機地位，器件始終處于從機地位。根據上述對FM31256的分析，可以把所有的通信過程歸納為3種類型： ① 單脈沖，如Start、Stop、Ack、Nack；② 字節發送，如從機地址、目標地址和數據傳送；③ 字節接收，如讀操作中的數據傳送。因此只要把這些操作以子程序的形式編寫好，所有的通信操作就可通過調用這些子程序來完成。這里以MSP430F149微處理器的嵌入式C語言編寫。設微處理器端口P6.6為數據線（SDA）；P5.4為時鐘線（SCL）。
限于篇幅，本文不作詳細介紹，只給出模擬I2C總線及字節寫入、讀出的部分C語言程序：
#defineRTC_SDABIT6
#defineRTC_SCLBIT4
void FM31256_Start(void) {/*FM31256啟動程序*/
P6OUT |=RTC_SDA;// SDA=1
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
void FM31256_Stop( void ) {/*FM31256停止程序*/
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
delay(IIC_DELAY);
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P6OUT |=RTC_SDA;// SDA=1
delay(IIC_DELAY);}
void FM31256_Send_Ack( void ) {/*FM31256應答程序*/
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0
P6OUT &=~ RTC_SDA;// SDA=0
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
void FM31256_Send_noAck( void ) {/*FM31256不應答程序*/
P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}
說明：SCL線是高電平時，SDA線從高電平向低電平切換，表示起始條件；當SCL是高電平時，SDA線由低電平向高電平切換，表示停止條件。相關的確認時鐘脈沖由主機產生，在確認的時鐘脈沖器件發送方釋放SDA（高電平），在此期間接收方須將SDA拉低。
void FM31256_transfByte_to_IIC( unsigned char tran_byte ) {/* CPU字節發送程序*/
unsigned char i , current_bit =0x80;
P5OUT &=~ RTC_SCL;
delay(IIC_DELAY);
for( i=0; i <=7; i++ ) {
if ( tran_byte & current_bit )
P6OUT |= RTC_SDA;
else
P6OUT &=~ RTC_SDA;
current_bit >>=1;
delay(IIC_DELAY);
P5OUT |=RTC_SCL;//SCL=1
delay(IIC_DELAY);
P5OUT &=~ RTC_SCL;//SCL=0
delay(IIC_DELAY);
}
}
unsigned char FM31256_receByte_from_IIC( void ){/*CPU字節接收程序*/
unsigned char mvalue, i, rece_data =0;
P6DIR &=~ RTC_SDA;//設置為輸入方向
P5OUT &=~ RTC_SCL; //SCL=0
delay(IIC_DELAY);
for(i=0;i<8;i++) {
rece_data = rece_data<<1;
P5OUT |=RTC_SCL;//SCL=1
delay(IIC_DELAY);
mvalue = P6IN & RTC_SDA;//當前位的值
if( mvalue )//接收位為高
rece_data = rece_data | 0x01;
else//接收位為低
rece_data = rece_data & 0xFE;
P5OUT &=~ RTC_SCL;//SCL=0
delay(IIC_DELAY);
}
P6DIR |=RTC_SDA;//P6.6輸出
return(rece_data);//返回收到的字節
}
說明：發送到SDA線上的每個字節須為8位。tran_byte為CPU要發送的字節，CPU讀入的數據存儲在rece_data中。對FM31256存儲器可以直接對當前地址進行“讀”操作，也可以連續“讀/寫”多個字節而無須逐一指定地址。依據上述一般步驟，對存儲器的訪問操作可歸納為3種基本操作： ① 設置當前操作目標地址； ② 寫入數據； ③ 讀出數據。
訪問存儲器操作有多種，如內存“寫”、當前地址或順序連續“讀”和隨機地址“讀”操作。在控制程序中，需要向FM31256內存中寫入并讀出給定參數、故障信息等數據。內存讀/寫的方法如下：
內存寫操作，首先由CPU發送從機地址，然后是內存16位地址，主機通過設置從機地址字節的最低位為0聲明一個寫操作；接收應答信號后，CPU向FM31256發送數據的每個字節，之后器件又產生應答信號，任何數量的連續字節可以被寫入，以停止信號結束傳輸。有兩種類型的讀操作：當前地址讀操作和隨機地址讀操作。讀操作同樣先由CPU發送從機地址，主機通過設置從機地址字節的最低位為1聲明一個讀操作。當要進行隨機讀操作時，還要在讀取數據之前，發送16位內存地址之后讀取任意個字節，每個字節后應跟隨應答信號，以停止信號結束傳輸。
在電磁鑄軋電源控制裝置的主控程序中，還將調用時鐘刷新函數Flash_time()、時鐘寫入函數Write_time()、寄存器寫入函數Register_write()和寄存器讀出函數Register_read()。
啟動RTC和WatchDog的流程圖如圖4所示。
圖4 啟動RTC和WatchDog的流程圖
結語
將鐵電存儲器用于電磁鑄軋電源控制裝置中，與MSP430系列單片機相結合，充分發揮了其強大的功能；同時取代了傳統的EEPROM和實時時鐘芯片，既降低了硬件成本，又簡化了軟件設計。實踐證明，FM31256具有良好的推廣應用前景。
參考文獻
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