帶RTC的I2C總線(xiàn)鐵電存儲(chǔ)器FM31256

摘要 FM31256是一種基于I2C總線(xiàn)、采用鐵電體技術(shù)的多功能存儲(chǔ)芯片。除了非易失存儲(chǔ)器外，該器件還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復(fù)位、看門(mén)狗計(jì)數(shù)器、非易失性事件計(jì)數(shù)器、可鎖定的串行數(shù)字標(biāo)識(shí)等多種功能。文章主要介紹了FM31256的基本功能、原理，并結(jié)合實(shí)例給出了其在電磁鑄軋電源控制裝置中的具體應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞 I2C總線(xiàn) 鐵電體技術(shù) RTC MSP430F

　　FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系統(tǒng)監(jiān)控和非易失性鐵電存儲(chǔ)芯片。與其他非易失性存儲(chǔ)器比較，它具有如下優(yōu)點(diǎn)： 讀/寫(xiě)速度快，沒(méi)有寫(xiě)等待時(shí)間；功耗低，靜態(tài)電流小于1 mA，寫(xiě)入電流小于150 mA；擦寫(xiě)使用壽命長(zhǎng)，芯片的擦寫(xiě)次數(shù)為100億次，比一般的EEPROM存儲(chǔ)器高10萬(wàn)倍，即使每秒讀/寫(xiě)30次，也能用10年；讀/寫(xiě)的無(wú)限性，芯片擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)100億次后，還能和SRAM一樣讀/寫(xiě)。

　　鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲(chǔ)器同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和非易失性存儲(chǔ)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(yǔ)言編寫(xiě)的存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)程序。

1  FM31256的基本結(jié)構(gòu)及原理

　　FM31256由256 KB存儲(chǔ)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(shù)據(jù)不同，F(xiàn)M31256是真正意義上的非易失（truly nonvolatile）存儲(chǔ)器，并且用戶(hù)可以選擇對(duì)不同的存儲(chǔ)區(qū)域以軟件方式進(jìn)行寫(xiě)保護(hù)。

　　FM31256 器件將非易失FRAM與實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、處理器監(jiān)控器、非易失性事件計(jì)數(shù)器、可編程可鎖定的64位ID號(hào)和通用比較器相結(jié)合。其中，通用比較器可提前在電源故障中斷(NMI)時(shí)發(fā)揮作用或?qū)崿F(xiàn)其他用途。采用先進(jìn)的0.35 μm制造工藝，這些功能通過(guò)一個(gè)通用接口嵌入到14個(gè)引腳的SOIC封裝中，從而取代系統(tǒng)板上的多個(gè)元件。存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)以及其他控制功能都通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖1為FM31256的原理圖。其中，SDA和SCL引腳用于與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令寫(xiě)入，數(shù)據(jù)輸出部分均具有施密特觸發(fā)器，以提高抗干擾性能；同時(shí)，SDA作為二線(xiàn)接口中的雙向信號(hào)線(xiàn)，集電極開(kāi)路輸出，可與二線(xiàn)總線(xiàn)上其他器件進(jìn)行“線(xiàn)或”。A1～A0為器件地址選擇信號(hào)，即總線(xiàn)上可同時(shí)使用4個(gè)同類(lèi)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(hào)與1.2 V參考電壓之間的比較結(jié)果；校準(zhǔn)模式下，CAL/PFO引腳將輸出512 Hz的方波用于時(shí)鐘校準(zhǔn)。CNT2～CNT1是通過(guò)備份電池支持的事件計(jì)數(shù)器的兩路輸入端，通過(guò)邊沿觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，觸發(fā)沿由用戶(hù)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(gè)特殊功能寄存器（SFR）00H～18H。通過(guò)對(duì)這些功能寄存器進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)各種功能。

2.1  特殊功能寄存器

（1）  實(shí)時(shí)時(shí)鐘和比較器

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘包括晶體振蕩器、時(shí)鐘分頻器和寄存器系統(tǒng)。它分割32.768 Hz的時(shí)基信號(hào)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(shí)、星期、日、月、年信息，用戶(hù)可對(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。啟動(dòng)時(shí)鐘前須將SFR中01H地址的OSCEN位（D7）置位，振蕩器起振；同時(shí)將00H地址的R位（D0）置位，可將時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器用于讀出。若此時(shí)正處于時(shí)鐘刷新階段，則由于刷新操作優(yōu)先于寫(xiě)入寄存器的操作，因而保證了時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。重新設(shè)置時(shí)鐘時(shí)，只須設(shè)定00H地址的W位。

　　FM31256的時(shí)鐘精度可通過(guò)軟件校準(zhǔn)，將00H地址的CAL位（D2）置位，時(shí)鐘進(jìn)入校準(zhǔn)模式，比較器輸出512 Hz的頻率信號(hào)，并可通過(guò)設(shè)置01H地址的CAL4～CAL0位（D4～D0）確定校準(zhǔn)值。當(dāng)00H地址的CAL位（D2）為0時(shí)，進(jìn)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(tǒng)監(jiān)測(cè)由低電平狀態(tài)或看門(mén)狗計(jì)數(shù)溢出的中斷輸出信號(hào)。

　　當(dāng)系統(tǒng)電源電壓低于設(shè)定的閾值或看門(mén)狗計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，F(xiàn)M31256將輸出低電平復(fù)位脈沖，復(fù)位信號(hào)持續(xù)100 ms。改變0BH地址的VTP1～VTP0位（D1～D0），可以設(shè)定電平檢測(cè)的閾值；改變0AH地址的WDT4～WDT0位（D4～D0），看門(mén)狗的溢出時(shí)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(mén)狗啟動(dòng)或停止；09H地址用于監(jiān)視復(fù)位信號(hào)來(lái)源（看門(mén)狗計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位或后備電源電壓）以及控制看門(mén)狗計(jì)數(shù)器清零。系統(tǒng)軟件須在要求的時(shí)間周期內(nèi)，向09H地址的WR3～WR0位（D3～D0）寫(xiě)入1010，使計(jì)數(shù)器清零。

（3）  事件計(jì)數(shù)器

　　FM31256有2個(gè)獨(dú)立的后備電池支持的16位事件計(jì)數(shù)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(gè)32位的計(jì)數(shù)器。CIN1和CIN2是事件計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入端，在32位計(jì)數(shù)器模式下CIN2無(wú)效。計(jì)數(shù)采用可編程邊沿觸發(fā)方式，若0CH地址的C1P位（D0）置位，則CIN1采用上升沿觸發(fā)，否則是下降沿觸發(fā)；0CH地址的C2P位（D1）用于控制CIN2。

（4）  串行數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)區(qū)

　　FM31256的SFR中的11H～18H地址串行標(biāo)識(shí)區(qū)中可以保存8字節(jié)（64位）數(shù)據(jù)。該存儲(chǔ)區(qū)為非易失性存儲(chǔ)區(qū)，可對(duì)其進(jìn)行無(wú)限次的讀/寫(xiě)操作，但如果將0BH地址的SNL位（D7）置位，則不能再對(duì)該存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行操作，且這種操作是不可逆的。

2.2  FM31256的讀/寫(xiě)操作

　　FM31256作為從機(jī)，集成了兩個(gè)功能不同的部件，每個(gè)部件都可以被獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)。一個(gè)是存儲(chǔ)器，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1010B；若要訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/處理器伴侶，則從機(jī)地址的位7～4必須被設(shè)置為1101B。該器件采用二線(xiàn)制的I2C接口，二線(xiàn)協(xié)議由SDA和SCL兩個(gè)引腳的狀態(tài)確定。共有4種狀態(tài)： 開(kāi)始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。其通信基本格式如圖2所示。
         

圖2  I2C總線(xiàn)通信基本格式

　　FM31256嚴(yán)格按I2C總線(xiàn)的時(shí)序和數(shù)據(jù)格式操作，其訪(fǎng)問(wèn)操作過(guò)程可描述為如下步驟： 啟動(dòng)—從機(jī)地址—應(yīng)答—目標(biāo)地址—應(yīng)答—(啟動(dòng)—從機(jī)地址—應(yīng)答)—數(shù)據(jù)(單或多字節(jié))—應(yīng)答—停止（注： 從機(jī)地址中包含了讀寫(xiě)命令；括號(hào)中的步驟為當(dāng)前地址讀和連續(xù)地址讀命令所特有的)。這里對(duì)應(yīng)答信號(hào)作些說(shuō)明。應(yīng)答脈沖發(fā)生在第8個(gè)數(shù)據(jù)位傳送之后。在這個(gè)狀態(tài)下，發(fā)送方須釋放SDA讓接收方驅(qū)動(dòng)；當(dāng)接收方發(fā)出低電平時(shí)，表示正常應(yīng)答，當(dāng)發(fā)出高電平時(shí)，表示無(wú)應(yīng)答。不應(yīng)答有兩種情況： 一是數(shù)據(jù)傳送出錯(cuò)，無(wú)應(yīng)答使發(fā)送方終止當(dāng)前操作，以便重新尋址；二是接收方有意不作應(yīng)答，以結(jié)束當(dāng)前操作。

　　在對(duì)SFR操作時(shí)，首先發(fā)送的命令字節(jié)為“1 1 0 1 X A1 A0 R/W”，目標(biāo)地址為單字節(jié)范圍（00H～18H）。FM31256的32 KB存儲(chǔ)單元地址為0000H～7FFFH，對(duì)其進(jìn)行操作時(shí)，首先發(fā)送的命令字節(jié)為“1 0 1 0 X A1 A0 R/W”，目標(biāo)地址長(zhǎng)度為雙字節(jié)，即RAM區(qū)的尋址能力為0～65 535。FM31系列存儲(chǔ)器具有內(nèi)部地址鎖存和自動(dòng)累加功能，當(dāng)對(duì)連續(xù)地址區(qū)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，只須發(fā)送存儲(chǔ)區(qū)首地址。

3  FM31256在電磁鑄軋電源控制中的應(yīng)用

　　將FM31256應(yīng)用在電磁鑄軋電源控制裝置當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)的看門(mén)狗復(fù)位、給定參數(shù)、實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)問(wèn)題的有效方法，看門(mén)狗的作用是必不可少的。針對(duì)控制對(duì)象，需要對(duì)A、B、C三相控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括設(shè)定正弦波的頻率和幅值、反饋系數(shù)、PID參數(shù)、過(guò)流延時(shí)、開(kāi)放延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)等；將這些給定的參數(shù)及時(shí)寫(xiě)入鐵電存儲(chǔ)器FM31256的存儲(chǔ)單元中，使之掉電后仍能保存。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，例如控制裝置中晶閘管周?chē)鷾囟瘸^(guò)額定溫度，裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將發(fā)生故障的準(zhǔn)確時(shí)間、實(shí)際溫度值記錄在FM31256的存儲(chǔ)單元中，以便系統(tǒng)查詢(xún)；同時(shí)，F(xiàn)M31256的事件計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。同樣，利用串行標(biāo)識(shí)區(qū)可鎖定的功能，可將電磁鑄軋電源控制裝置的序列號(hào)寫(xiě)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(yīng)用FM31256的硬件接口電路如圖3所示。從圖3中可以看出，系統(tǒng)以超低功耗MSP430系列芯片MSP430F149作為控制器；FM31256作為參數(shù)存儲(chǔ)單元，與處理器之間采用I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信。由于MSP430F149沒(méi)有I2C總線(xiàn)接口，所以任取2個(gè)I/O口模擬。實(shí)時(shí)時(shí)鐘在VDD掉電以后自動(dòng)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(duì)應(yīng)的OSCEN位設(shè)為0，同時(shí)置00H單元的CAL位為1，使CAL引腳輸出512 Hz的脈沖信號(hào)，則可檢測(cè)晶振工作是否正常，因?yàn)?12 Hz是晶振頻率的64分頻。制PCB板時(shí)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(hào)位于板內(nèi)層，也不允許信號(hào)線(xiàn)靠近X1和X2引腳。在晶振引腳周?chē)褂媒拥乇Ｗo(hù)環(huán)，內(nèi)部或板反面使用接地保護(hù)敷銅。

3.2  存儲(chǔ)區(qū)訪(fǎng)問(wèn)程序設(shè)計(jì)

　　對(duì)FM31256存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)操作過(guò)程中，微處理器處于主機(jī)地位，器件始終處于從機(jī)地位。根據(jù)上述對(duì)FM31256的分析，可以把所有的通信過(guò)程歸納為3種類(lèi)型： ① 單脈沖，如Start、Stop、Ack、Nack；② 字節(jié)發(fā)送，如從機(jī)地址、目標(biāo)地址和數(shù)據(jù)傳送；③ 字節(jié)接收，如讀操作中的數(shù)據(jù)傳送。因此只要把這些操作以子程序的形式編寫(xiě)好，所有的通信操作就可通過(guò)調(diào)用這些子程序來(lái)完成。這里以MSP430F149微處理器的嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)。設(shè)微處理器端口P6.6為數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA）；P5.4為時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。

　　限于篇幅，本文不作詳細(xì)介紹，只給出模擬I2C總線(xiàn)及字節(jié)寫(xiě)入、讀出的部分C語(yǔ)言程序：

　　#defineRTC_SDABIT6
　　#defineRTC_SCLBIT4
　　void FM31256_Start(void) {/*FM31256啟動(dòng)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(yīng)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(yīng)答程序*/
　　　　P5OUT |=RTC_SCL;// SCL=1
　　　　delay(IIC_DELAY);
　　　　P5OUT &=~ RTC_SCL;// SCL=0}

　　說(shuō)明：SCL線(xiàn)是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)從高電平向低電平切換，表示起始條件；當(dāng)SCL是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)由低電平向高電平切換，表示停止條件。相關(guān)的確認(rèn)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生，在確認(rèn)的時(shí)鐘脈沖器件發(fā)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(jié)發(fā)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(jié)接收程序*/
　　　　unsigned char mvalue, i, rece_data =0;
　　　　P6DIR &=~ RTC_SDA;//設(shè)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(dāng)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(jié)
　　}

　　說(shuō)明：發(fā)送到SDA線(xiàn)上的每個(gè)字節(jié)須為8位。tran_byte為CPU要發(fā)送的字節(jié)，CPU讀入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在rece_data中。對(duì)FM31256存儲(chǔ)器可以直接對(duì)當(dāng)前地址進(jìn)行“讀”操作，也可以連續(xù)“讀/寫(xiě)”多個(gè)字節(jié)而無(wú)須逐一指定地址。依據(jù)上述一般步驟，對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)操作可歸納為3種基本操作： ①  設(shè)置當(dāng)前操作目標(biāo)地址； ②  寫(xiě)入數(shù)據(jù)； ③  讀出數(shù)據(jù)。

　　訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器操作有多種，如內(nèi)存“寫(xiě)”、當(dāng)前地址或順序連續(xù)“讀”和隨機(jī)地址“讀”操作。在控制程序中，需要向FM31256內(nèi)存中寫(xiě)入并讀出給定參數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)。內(nèi)存讀/寫(xiě)的方法如下：

　　內(nèi)存寫(xiě)操作，首先由CPU發(fā)送從機(jī)地址，然后是內(nèi)存16位地址，主機(jī)通過(guò)設(shè)置從機(jī)地址字節(jié)的最低位為0聲明一個(gè)寫(xiě)操作；接收應(yīng)答信號(hào)后，CPU向FM31256發(fā)送數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)，之后器件又產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，任何數(shù)量的連續(xù)字節(jié)可以被寫(xiě)入，以停止信號(hào)結(jié)束傳輸。有兩種類(lèi)型的讀操作：當(dāng)前地址讀操作和隨機(jī)地址讀操作。讀操作同樣先由CPU發(fā)送從機(jī)地址，主機(jī)通過(guò)設(shè)置從機(jī)地址字節(jié)的最低位為1聲明一個(gè)讀操作。當(dāng)要進(jìn)行隨機(jī)讀操作時(shí)，還要在讀取數(shù)據(jù)之前，發(fā)送16位內(nèi)存地址之后讀取任意個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)后應(yīng)跟隨應(yīng)答信號(hào)，以停止信號(hào)結(jié)束傳輸。

　　在電磁鑄軋電源控制裝置的主控程序中，還將調(diào)用時(shí)鐘刷新函數(shù)Flash_time()、時(shí)鐘寫(xiě)入函數(shù)Write_time()、寄存器寫(xiě)入函數(shù)Register_write()和寄存器讀出函數(shù)Register_read()。

　　啟動(dòng)RTC和WatchDog的流程圖如圖4所示。
                     

圖4  啟動(dòng)RTC和WatchDog的流程圖

結(jié)語(yǔ)

　　將鐵電存儲(chǔ)器用于電磁鑄軋電源控制裝置中，與MSP430系列單片機(jī)相結(jié)合，充分發(fā)揮了其強(qiáng)大的功能；同時(shí)取代了傳統(tǒng)的EEPROM和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，既降低了硬件成本，又簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，F(xiàn)M31256具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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