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[導(dǎo)讀]高溫測試儀主要用于加熱過程中的溫度跟蹤測量和數(shù)據(jù)采集,通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,研究爐內(nèi)的溫度分布和溫差變化規(guī)律,分析影響加熱質(zhì)量的主要因素,對加熱爐加熱過程和加熱制度進(jìn)行優(yōu)化,提高加熱質(zhì)量,降低燃料消耗。

1 引言


  高溫測試儀主要用于加熱過程中的溫度跟蹤測量和數(shù)據(jù)采集,通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,研究爐內(nèi)的溫度分布和溫差變化規(guī)律,分析影響加熱質(zhì)量的主要因素,對加熱爐加熱過程和加熱制度進(jìn)行優(yōu)化,提高加熱質(zhì)量,降低燃料消耗。


  而在一些收集存儲數(shù)據(jù)的系統(tǒng),系統(tǒng)的電壓可能變化不定或者突然斷電,FM20L08就是針對這些系統(tǒng)可以用來直接替換異步靜態(tài)存儲器(SRAM)而設(shè)計(jì)的存儲器,也是Ramtron現(xiàn)有的最大容量的鐵電存儲器(FRAM),能夠進(jìn)行無限次的讀寫操作. 使用FM20L08能夠極大的節(jié)約電路板空間。使用FM20L08存儲器的溫度測試儀,兼具大容量數(shù)據(jù)存儲、抗沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失、實(shí)時(shí)采集速度高的特點(diǎn)[1]。


  2 鐵電存儲器( FRAM)與FM20L08


  2.1 鐵電存儲器介紹


  FRAM是Ramtron公司近年推出的一款掉電不揮發(fā)存儲器,它結(jié)合了高性能和低功耗操作,能在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。FRAM存儲器技術(shù)的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存儲產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產(chǎn)品的特性。鐵電晶體材料的工作原理是:當(dāng)把電場加到鐵電晶體材料上,晶陣中的中心原子會沿著電場方向運(yùn)動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。一個(gè)用來記憶邏輯中的0,另一個(gè)記憶1。中心原子能在常溫、沒有電場的情況下停留在此狀態(tài)達(dá)一百年以上。鐵電存儲器不需要定時(shí)刷新,能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于在整個(gè)物理過程中沒有任何原子碰撞, FRAM擁有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等超級特性[2]。


  2.2 FM20L08特點(diǎn)與引腳功能


  FM20L08是Ramtron公司近年推出的一款存儲容量為128×8bits  FRAM,其讀寫操作與標(biāo)準(zhǔn) SRAM 相同。主要特點(diǎn)如下:3.3V單電源供電;并行接口;提供SOIC和DIP兩種封裝;功耗低,靜態(tài)電流小于10μA,讀寫電流小于15mA;非揮發(fā)性,掉電后數(shù)據(jù)能保存10年;訪問進(jìn)入時(shí)間為 60 ns。高速的頁模式操作總線速度最高可達(dá)到 33MHz,4 字節(jié)脈沖;寫操作無延時(shí),讀寫無限次;可滿足工業(yè)溫度 (-40℃ 到 +85℃)。


  FM20L08的引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下:
   /CE2:片選端;
   :寫使能端;
   :輸出使能端口;
  A0~A16:地址端;
  DQ0~DQ7 :數(shù)據(jù)端;
  VDD:電源;
  VSS:接地端。


 
  圖1 FM20L08引腳圖
 


  圖2 溫度記錄儀原理框圖


  3 溫度記錄儀系統(tǒng)硬件組成


  采用內(nèi)含多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓參考源的16位單片機(jī)CPU形成16通道低功耗溫度記錄儀[2]。RC組成的濾波電路濾掉熱電偶信號中的干擾信號,經(jīng)八選一多路開關(guān)輸入至運(yùn)算放大器放大到適當(dāng)電平,再輸入至CPU 進(jìn)行A/ D 采樣,經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換和線性化后存貯至FRAM存貯器中。在整個(gè)測量結(jié)束后,由通信接口與PC 機(jī)相連,將數(shù)據(jù)傳送給PC 機(jī)做進(jìn)一步的分析和處理。電源部分則由低功耗低壓差穩(wěn)壓電路和濾波電路組成,系統(tǒng)提供3.3 V 的工作電源。溫度記錄儀各零部件均選用工業(yè)級,使工作溫度在- 45~85 ℃之間正常運(yùn)行。圖2為溫度記錄儀原理框圖。


  FM20L08FRAM與一般的SRAM在使用過程中有所差別。FM20L08在 為低電平CE2為高電平時(shí)被選中,每一次訪問都必須確保 的由高向低的躍變。由于鐵電存儲器使用的技術(shù)比較特殊,在操作過程中有預(yù)充電過程。預(yù)充電操作是為新訪問記憶體的一個(gè)內(nèi)部條件,所有記憶體周期包括記憶體訪問和預(yù)充電,預(yù)充電是由 引腳為高電平開始,它必須保持高電平至少為一特定的最小時(shí)間。


  4 溫度記錄儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)


  程序分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、USB通訊程序[3]。工作過程為: 記錄儀首先加電壓, 通過外部信號進(jìn)行中斷, 使單片機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的子程序并循環(huán),達(dá)到定時(shí)時(shí)間后, 停止采集,退出子程序, 進(jìn)入主循環(huán), 等待串口信號外部觸發(fā), 從而進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸子程序, 將數(shù)據(jù)通過串口送入PC 機(jī),圖3為溫度記錄儀程序流程圖。


 
  圖3 溫度記錄儀程序流程圖


  5 抗干擾措施


  5.1 硬件抗干擾


  為防止記錄儀在回收并重新上電以后, AD的誤操作將存儲器中的數(shù)據(jù)沖掉,應(yīng)考慮從硬件設(shè)計(jì)上排除這種可能性, 最根本的方法是從硬件上斷開與采集模塊的連接。



  5.2 軟件抗干擾


  單片機(jī)受干擾信號作用時(shí), 將使系統(tǒng)失控, 最典型的就是PC 的狀態(tài)值。它的修改將導(dǎo)致兩種主要的軟件非正常工作形式:“程序跑飛”和“死循環(huán)”, 為此在設(shè)計(jì)上采用了三種抗干擾方法:(1) 指令冗余技術(shù)。指令由操作碼和操作數(shù)組成,操作碼指明CPU要完成什么樣的操作,而操作數(shù)是操作碼的對象。單字節(jié)指令只有操作碼,隱含操作數(shù);雙字節(jié)指令,第一個(gè)字節(jié)是操作碼,第二個(gè)字節(jié)是操作數(shù);三字節(jié)指令第一個(gè)字節(jié)是操作碼,后二個(gè)字節(jié)是操作數(shù)。CPU在取指令的時(shí)候是先取操作碼再取操作數(shù),如何判斷是操作碼還是操作數(shù)就是通過取指令的順序。而取指令的順序完全由指令計(jì)數(shù)器PC來控制,因此,一旦PC受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤程序便會脫離正常軌道,出現(xiàn)"亂飛",這樣就會出現(xiàn)把操作數(shù)當(dāng)作操作碼,或者把操作碼當(dāng)作操作數(shù)的情況。但只要PC指針落在單字節(jié)指令上程序就可納入正軌,所以為了快速將程序納入正軌,應(yīng)該多用單字節(jié)指令,并在關(guān)鍵的地方人為插入一些單字節(jié)指令NOP,或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重寫,這就稱之為指令冗余。常用的方法就是在一些雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面插入兩個(gè)單字節(jié)指令NOP,或在一些對程序的流向起決定作用的指令前面插入兩條NOP指令。還可對一些重要的指令進(jìn)行重復(fù)放置。但采用指令冗余技術(shù)將程序納入正軌的條件是:亂飛的PC必須指向程序運(yùn)行區(qū)。 (2) 看門狗技術(shù)[4]。 專用硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機(jī)內(nèi)的專用看門狗電路,實(shí)際上它是一個(gè)特殊的定時(shí)器,當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)發(fā)出溢出脈沖。從實(shí)現(xiàn)角度上看,該方式是一種軟件與外部專用電路相結(jié)合的技術(shù),硬件電路連接好以后,在程序中適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┛撮T狗復(fù)位指令,保證程序正常運(yùn)行時(shí)看門狗不溢出;而當(dāng)程序運(yùn)行異常時(shí),看門狗超時(shí)發(fā)出溢出脈沖,并通過單片機(jī)的RESET引腳使單片機(jī)復(fù)位。 (3) 軟件陷阱技術(shù)。當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)的時(shí)候,就可設(shè)定軟件陷阱對亂飛的程序進(jìn)行攔截從而將程序引向一個(gè)固定的位置。這樣就可將捕獲的程序重新納入正軌。軟件陷阱主要就是把程序重新引入它的復(fù)位入口處,也就是說在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置這樣的指令


  NOP
  NOP
  LJMP 0000H
  軟件陷阱主要安排在這樣一些區(qū)域:未使用的中斷區(qū)、未使用的EPROM空間及非EPROM空間、程序運(yùn)行區(qū)及中斷服務(wù)程序區(qū)。


  5 結(jié)語


  鐵電存儲器作為新一代非易失性記憶體, 無論其寫入速度還是數(shù)據(jù)的安全性都可以得到很好的保證,已經(jīng)在國外的地鐵系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)及IT等各種行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。文章設(shè)計(jì)的溫度記錄儀,除具有抗過載沖擊、抗干擾、數(shù)據(jù)斷電不丟失的特點(diǎn)外,并具有實(shí)時(shí)采集速度要求很高,存儲容量大的特點(diǎn)。它的實(shí)際應(yīng)用具有軍用和商用價(jià)值,能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。


  參考文獻(xiàn)
  [ 1 ]  China Service Center of RAMTRON. The Data Sheet of FRAM, 2005 ,11.
  [ 2 ]  劉德贊,孫書鷹,李瑞等.非易失性鐵電存儲器芯片F(xiàn)M1808原理及其應(yīng)用[J] .《微計(jì)算機(jī)信息》, 2005 (21)1:143-144.
  [ 3 ]  韓 強(qiáng),溫度的測量[M]. 北京:計(jì)量出版社.
  [ 4 ] 馮高輝, 雷 彬, 陳 雷.基于鐵電存儲器FM18L08的固態(tài)記錄儀設(shè)計(jì)[J].《現(xiàn)代電子技術(shù)》,2005 (198) 7: 89-91.

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